成型管件自动检测装置及其检测方法与流程

本发明属于自动测量的技术领域，具体地，本发明涉及一种成型管件自动检测装置。本发明还涉及该检测装置的检测方法。

背景技术：

航空航天行业、轮船行业、汽车行业等中广泛使用着各种类型与尺寸的成型管件，其承担油、液或气等传输的重要作用，其装配的情况决定着设备的运行稳定性，影响整个设备的性能，甚至决定整套设备的功能实现与安全。因此，对成型管件的质量检测至关重要。

目前，成型管件质量检测的方法主要有以下三种：靠模法、多目视觉检测法以及关节测量臂测量法。

靠模法：需要对每种待检测的成型管件定制专门的检具，且人工将成型管放入检具，通过目测方法判断成型管加工是否合格。该种检测方式对检测工人的要求很高，测量时间长，使用复杂，费用高，工人劳动强度大。

多目视觉检测法：多目视觉系统对短成型管的测量较为精确，但是对大尺寸管件的检测结果会出现较大偏差，如德国的AICON的Tube Inspect系统。

关节测量臂测量法：该方法的测量精度较高，但检测过程中必须手持传感器测量，工作强度大，如海克斯康的ROMER测量臂。

而目前行业中广泛采用的仍是靠模法，因此，亟需一套适用于大尺寸、形状复杂成型管件的高精度测量的自动化检测装置。

技术实现要素：

本发明提供一种成型管件自动检测装置，其目的是实现对大尺寸且几何形状复杂的成型管件的高精度检测。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明的成型管件自动检测装置，包括管件支撑系统、管件检测系统及底座，所述管件支撑系统设置支撑机器人；所述的管件检测系统设置扫描机器人。

所述支撑机器人和扫描机器人均为关节机器人。

所述扫描机器人上安装三维轮廓扫描测量机构，所述的三维轮廓扫描测量机构设置平移台、轮廓仪支架和激光轮廓仪；所述激光轮廓仪通过轮廓仪支架安装在平移台上；所述平移台通过连接件安装在扫描机器人上。

所述激光轮廓仪包括结构光发射器和图像传感器；所述结构光发射器和图像传感器的光轴形成一定角度。

所述结构光发射器将结构光发射到待测的成型管件上；所述图像传感器采集投射到被测量成型管件表面上激光的图像，通过分析图像中激光的位置并结合激光轮廓仪标定数据，计算出成型管件表面距离激光轮廓仪上固定参考点的距离，计算成型管件的轮廓信息。

所述的支撑机器人为两台，在所述支撑机器人的末端均设置托杆，所述托杆的结构为管状或短U槽块结构；所述托杆支撑在成型管件变形最小的位置处。

或者，所述的支撑机器人多于两台，在所述支撑机器人的末端均设置托杆，所述托杆的结构为管状或短U槽块结构；所述托杆支撑所述成型管件。可以根据管件长度的需要，增加支撑机器人数量。

所述托杆通过托杆安装座安装在所述的支撑机器人上。

多台所述的机器人之间通过现场总线互相联接，所述现场总线为Profile Bus、Device Net、Ether Net之一。

所述管件支撑系统还设有辅助支撑结构，所述辅助支撑机构的顶端设置支撑结构和夹紧机构；所述支撑结构为U型槽块结构，所述成型管件置于所述U型槽块结构的U型槽中；所述夹紧机构为螺旋夹紧机构；通过夹紧机构将成型管件紧固在所述的U型槽中。

所述的辅助支撑结构的竖立部分为两段，即上支撑杆、下支撑杆，所述上支撑杆插入下支撑杆中，并通过锁紧机构进行锁紧，通过调节上支撑杆的伸出长度调节所述辅助支撑结构的支撑高度。

所述辅助支撑结构的底部为固定架支座；所述固定架支座通过三个磁力固定装置固定在所述的底座上。

所述自动检测装置设置系统控制设备，用于控制机器人及完成数据处理。

所述支撑机器人可以根据操作人员输入的成型管件的CAD模型自动计算出最佳支撑位置和姿态。

所述自动检测装置的自动检测控制软件运行在检测装置的上位机上，能够根据操作人员输入的成型管件的CAD模型，自动生成扫描机器人的运动控制程序。

采用图形化人机操作界面；采用模块化设计方法，其功能可以根据用户需要裁剪和定制；能够按照用户设置的模板自动生成检测报告。

为了实现与上述技术方案同样的发明目的，本发明还提供以上所述的成型管件自动检测装置的检测方法，其技术方案是：

首次检测管件前，先通过自动检测控制软件导入待检测的成型管件的CAD模型，自动检测控制软件将自动生成扫描机器人的运动控制程序以及所述支撑机器人的位置和姿态，并将自动生成的扫描机器人运动程序以及位置和姿态信息，通过网络自动发送到相应的执行机器人控制器中；

支撑机器人根据接收的位置和姿态信息，自动调整支撑机器人末端的位置和姿态；待检测的成型管件放置到位后，操作人员启动检测，扫描机器人能够按照接收到的运动程序搭载三维轮廓扫描测量机构对管件进行扫描；三维轮廓扫描测量机构将采集的成型管件轮廓信息通过网络发送给上位机上的自动检测控制软件，由其对轮廓数据进行分析计算，判断关键几何尺寸是否合格。

所述的检测方法的检测过程是：

所述自动检测装置启动后，操作人员在系统控制设备中中输入待检测的成型管件的CAD模型，自动检测控制软件自动地计算出支撑系统中所有支撑机器人的位姿以及扫描机器人轨迹路径；

系统控制设备通过现场总线将支撑机器人的位置和姿态的指令信息传送给支撑机器人；所述支持机器人按照相应的信息运动到目标位置；

系统控制设备提供每个支撑机器人、支撑结构与成型管件的接触点位置；

所述支撑机器人与辅助支撑机构共同支撑待测量的成型管件在合适的位置，便于扫描机器人采集待检测的成型管件的三维数据信息；

操作人员将待测量的成型管件按照指示的上述的支撑接触点信息，将成型管件固定在测量空间中；

之后，扫描机器人按照其计算出的测量点的轨迹信息，运动到第一个测量点，平移台载着激光轮廓仪采集一段成型管件的三维数据信息；

采集完成后，扫描机器人运动到下一个测量点，三维轮廓扫描测量机构采集该位置处的管件三维数据信息，该过程依次进行，直至最后一个测量点；

数据采集完成后，自动检测控制软件拟合成型管件的三维模型，并依据此模型计算出成型管件的外形尺寸数据，并得到成型管件的是否合格信息；

自动检测装置依据操作人员的选择进行后续的工作。

所述成型管件可以由人工或者机器人抓取后放置到管件支撑系统上。

操作人员可以通过点击自动检测控制软件上的虚拟按钮或者系统控制设备上的实体按钮启动检测过程。

所述扫描机器人的运动控制程序也可以由用户示教产生。

本发明采用上述技术方案，解决了大尺寸的、形状复杂的管件的高精度测量问题，能获得其形状、尺寸的精确数据，其检测过程自动化程度高，检测效率高，降低操作人员的检测工作量，满足规模化生产的需要。

附图说明

附图内容及图中的标记简要说明如下：

图1是本发明的装置布局和结构示意图；

图2是图1中轮廓仪、轮廓仪安装板、平移台以及连接法兰放大的装配示意图；

图3是图1中成型管件托杆的结构示意图；

图4是图1中辅助支撑机构放大的结构示意图；

图5是本发明测量系统的数据处理流程图。

图中标记为：

1、底座，2A、支撑机器人，2B、支撑机器人，3、系统控制设备，4、托杆安装座，5、成型管件，6、支撑结构，7、夹紧机构，8、托杆，9、上支撑杆，10、锁紧机构，11、下支撑杆，12、磁力固定装置，13、磁力固定装置，14、磁力固定装置，15、固定架支座，16、轮廓仪支架，17、激光轮廓仪，18、平移台，19、连接件，20、扫描机器人。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

图1是本发明的总体结构示意图。如图1所示成型管件自动检测装置，包括管件支撑系统、管件检测系统及底座1。具体地涉及一种利用多台机器人和激光轮廓仪自动检测成型管件质量的装置，以及使用这种装置自动检测成型管件质量的方法。具体地，包括扫描测量机器人；三维轮廓扫描测量机构；管件支撑系统以及成型管件自动检测控制软件系统。

下面是对本发明的技术方案进行总体分析：

一个主要由平移台和激光轮廓仪组成的三维轮廓扫描测量机构；一个主要由该三维轮廓扫描测量机构和机器人组成的成型管三维轮廓扫描系统，一个主要由多台机器人和支撑机构组成的成型管件支撑系统；以及运行在上位机上的自动检测控制软件系统。

其中，三维轮廓扫描测量机构：

所述三维轮廓扫描测量机构由一个平移台、激光轮廓仪以及平移台控制器和激光轮廓仪控制器构成。激光轮廓仪有一个结构光发射器，能够将一定形状的激光投射到被测量物体的表面；激光轮廓仪还有一个图像传感器能够采集被测量物体表面以及投射的激光的图像，通过分析图像中激光的位置并结合激光轮廓仪标定数据可以计算出物体表面距离激光轮廓仪上固定参考点的距离；当采用不同形状激光如点光源、线光源及面光源等时激光轮廓仪可以分别获得被测物体上点距离、线轮廓以及面轮廓数据；采用线形光源时，将激光轮廓仪固定在平移台上并使光线方向与平移台移动方向垂直，则平移台运动时激光轮廓仪可以对一定范围内的曲面轮廓进行测量，获得物体的三维曲面轮廓信息。

扫描机器人：

所述成型管件三维轮廓扫描机器人系统由一个三维轮廓仪测量系统以及多关节扫描机器人及机器人控制器组成。将三维轮廓扫描测量机构的平移台安装在扫描机器人末端，由机器人将三维轮廓仪测量仪定位到测量位置，然后机器人停止运动，并启动三维轮廓测量仪的平移台运动，测量成型管件局部轮廓数据；扫描机器人的运动程序由自动检测控制软件根据用户输入的成型管件CAD模型自动规划生成，或者由用户手动示教生成；由于针对每种型号的成型管件，支撑机器人系统的支撑位置和姿态固定，与此相应的扫描机器人的运动轨迹也固定，所以针对每种型号的成型管件检测的扫描机器人运动轨迹只需要自动或人工示教一次。

管件支撑系统：

所述成型管件支撑系统由一台或者多台机器人以及若干辅助支撑机构组成。机器人末端安装用来支撑管件的托杆，辅助支撑机构上安装带有限位槽的限位零件；针对不同形状和大小的管件，支撑机器人可以根据从上位机接收的支撑位置和姿态信息，改变托杆的位置和姿态。

自动检测控制软件：

所述自动检测控制软件运行在工控机上，能够通过通讯网络控制三维轮廓扫描测量机构、轮廓扫描机器人系统和管件支撑系统中的所有机器人；能够实时监控三位轮廓测量系统、轮廓扫描机器人系统和关键支撑系统的工作状态；能够获取来自激光轮廓仪采集的管件轮廓数据；能够对扫描机器人在不同位置时采集的局部轮廓数据进行自动校正和拼接，获得管件整体的轮廓数据；能够通过管件轮廓数据计算管件的几何参数信息；能够自动对比测量的管件几何参数与设计管件几何参数值之间的差异，并智能判断所测管件是否符合质量要求；能够根据用户设置的报告模板自动生成电子版检测报告，与打印机连接后可以自动打印检测报告。

下面是结合附图，对本发明的具体实施方式的详细分析：

为了克服现有技术的缺陷，实现对大尺寸且几何形状复杂的成型管件的高精度检测的发明目的，本发明采取的技术方案为：

如图1至图4所示，本发明的成型管件自动检测装置，所述管件支撑系统设置支撑机器人；所述的管件检测系统设置扫描机器人20。

本发明利用管件支撑机器人和辅助支撑机构组成支撑位置和姿态可调的管件支撑系统，用来支撑和固定待检测成型管件5，能够适应不同形状、长短以及外径尺寸的成型管件5的固定；利用扫描测量机器人20搭载三维轮廓扫描系统对成型管件进行分段扫描，可以采集不同形状、长短以及外径尺寸的成型管件5的轮廓数据。利用机器人对大尺寸、形状复杂的成型管件进行轮廓尺寸进行检测，能获得其形状、尺寸的精确数据，其检测过程自动化程度高，检测效率高，满足规模化生产的需要。

上述成型管件自动检测装置，可根据用户输入的成型管件5的CAD模型数据，自动生成扫描测量机器人20的运动控制程序；扫描测量机器人20搭载三维轮廓扫描系统对固定在支撑机系统上的成型管件5的三维轮廓进行扫描并采集管件轮廓数据，轮廓数据通过通讯接口传输到检测装置的上位机上，由自动检测控制软件对其进行计算和分析，得出管件的几何尺寸信息，并与管件几何尺寸的设计值比较，分析并检查管件的质量是否合格。

所述支撑机器人2A、2B和扫描机器人20均为关节机器人。

图2是三维轮廓数据采集系统三维模型图。

所述扫描机器人20上安装三维轮廓扫描测量机构，所述的三维轮廓扫描测量机构设置平移台18、轮廓仪支架16和激光轮廓仪17；所述激光轮廓仪17通过轮廓仪支架16安装在平移台18上；所述平移台18通过连接件19安装在扫描机器人20上，通过连接件19实现激光轮廓仪17的旋转。

三维轮廓数据采集系统安装在扫描关节机器人20的末端，构成了三维轮廓扫描机器人系统，用于大尺寸管件三维信息采集。

由平移台和激光轮廓仪组成的三维轮廓扫描机构，其中，激光轮廓仪17可以获取测量范围内被测物体的截面轮廓信息；激光轮廓仪17安装在平移台18上，可随精密平移台运动；在平移台18运动过程中，激光轮廓仪17可以采集运动范围内物体的曲面轮廓信息。

其中，激光轮廓仪17通过轮廓仪支架16安装在平移台18上。激光轮廓仪17和平移台18组成了三维轮廓数据采集系统，用于获取一段油管的轮廓三维点云数据信息；

该三维轮廓扫描测量机构的使用，可以降低检测装置对测量机器人运动轨迹精度的要求，使普通工业机器人亦可以用于成型管件5的测量领域；再利用成型管件5自动检测控制软件系统分析采集的轮廓数据，计算出成型管件5的形状参数，进而分析判断管件是否符合设计要求，系统的整个测量与检测过程由自动检测控制软件控制自动完成。

成型管件自动检测装置可根据用户输入的成型管件CAD模型数据自动生成扫描测量机器人的运动控制程序；扫描测量机器人搭载三维轮廓扫描系统对固定在支撑机系统上的成型管件的三维轮廓进行扫描并采集管件轮廓数据，轮廓数据通过通讯接口传输到检测装置的上位机上，由自动检测控制软件对其进行计算和分析，得出管件的几何尺寸信息，并与管件几何尺寸的设计值比较，分析并检查管件的质量是否合格。

所述激光轮廓仪17包括结构光发射器和图像传感器；所述结构光发射器和图像传感器的光轴形成一定角度。

原理：结构光发射装置发出的结构光照射在被测量物体的表面上，被待测量物体的轮廓调制后，由图像传感器采集其图像，再利用已经标定的参数和图像中结构光的位置可以计算被测量物体的轮廓信息。

所以，激光轮廓仪17具有一个结构光发射装置和一个图像传感器，二者光轴成一定角度；所述结构光发射器将结构光发射到待测的成型管件5上；所述图像传感器采集投射到被测量成型管件5表面上激光的图像，

所述结构光发射器将一定形式的结构光(图示为线激光的安装方式)发射到待测的成型管件5上。

激光轮廓仪17的单次数据处理可以获得单条待测成型管件5在图像采集方向界面上的一条轮廓信息。

高精度的平移台18载着激光轮廓仪17移动，可以获得一段较高精度的待测物体轮廓信息。

通过分析图像中激光的位置并结合激光轮廓仪17标定数据，可以计算出成型管件5表面距离激光轮廓仪17上固定参考点的距离，计算成型管件5的轮廓信息。

图3是图1中支撑机器人2末端的托杆8的三维模型图。

上述的成型管件自动检测装置具有一套由多台机器人及支撑机构组成的成型管件支撑系统，用来固定待检测的成型管件5；包含一台或多台机器人、一个或多个支撑机构；所述的机器人可以根据用户输入的成型管件5的CAD模型，自动计算最佳支撑位置和姿态；所述的支撑机构用于辅助固定成型管件防止其发生滑动或翻转。

一组支撑关节机器人2(关节机器人2A，关节机器人2B)与支撑结构6构成了成型管件支撑系统，用于将成型管件5以一定的姿态固定在待测量的空间中。

具体如下：

所述的支撑机器人为两台，即支撑机器人2A、支撑机器人2B，在所述支撑机器人2A、支撑机器人2B的末端均设置托杆8，所述托杆8的结构为管状；所述托杆8支撑所述成型管件5接近两端位置。

或者，所述的支撑机器人多于两台，在所述支撑机器人的末端(伸出端部)均设置托杆8，所述托杆8的结构为管状；所述托杆8用于支撑所述成型管件5。

所述托杆8通过托杆安装座4安装在所述的支撑机器人2A、支撑机器人2B上。

托杆8的结构设计为管状，能尽量使成型管件5固定时处于舒展的状态，尽量降低因支撑部分对成型管件5束缚而造成的变形。

多台所述的机器人之间通过现场总线互相联接，所述现场总线为Profile Bus、Device Net、Ether Net之一。可以防止互相之间发生碰撞干涉。

图4为成型管件支撑辅助结构的示意图。

所述管件支撑系统还设有辅助支撑结构，所述辅助支撑机构的顶端设置支撑结构6和夹紧机构7；所述支撑结构6为U型槽块结构，所述成型管件5置于所述U型槽块结构的U型槽中；所述夹紧机构7为螺旋夹紧机构；通过夹紧机构7将成型管件5紧固在所述的U型槽中。

通过支撑结构6和夹紧机构7用以限定成型管件5在测量空间中位置。

所述的辅助支撑结构的竖立部分为两段，即上支撑杆9、下支撑杆11，所述上支撑杆9插入下支撑杆11中，并通过锁紧机构10进行锁紧，通过调节上支撑杆9的伸出长度调节所述辅助支撑结构的支撑高度。通过调节支撑机构高度，可以扩大系统测量管件的尺寸范围。

所述辅助支撑结构的底部为固定架支座15；所述固定架支座15通过三个磁力固定装置，即磁力固定装置12、磁力固定装置13、磁力固定装置14固定在所述的底座1上。可以方便地吸附固定在图1所示的底座1(安装基座)上的任意测量位置。

所述的支撑机器人2A、支撑机器人2B、扫描机器人20及管件支撑辅助机构均固定在底座1上。

所述自动检测装置设置系统控制设备3，用于控制机器人(支撑机器人2A、支撑机器人2B及扫描机器人20)及完成数据处理。

本发明的自动检测控制软件，采用图形化人机操作界面；采用模块化设计方法，其功能可以根据用户需要裁剪和定制；能够按照用户设置的模板自动生成检测报告。

该自动检测控制软件运行在检测装置的上位机上，能够根据用户输入的成型管CAD模型自动生成测量机器人20的运动控制程序，能够根据用户输入的成型管CAD模型自动生成支撑机器人的支撑位置和支撑姿态。

所述支撑机器人2A、支撑机器人2B可以根据操作人员输入的成型管件5的CAD模型自动计算出最佳支撑位置和姿态。

所述自动检测装置的自动检测控制软件运行在检测装置的上位机上，能够根据操作人员输入的成型管件5的CAD模型，自动生成扫描机器人20的运动控制程序。

以上所述自动检测控制软件，可以通过通讯接口与测量机器人20、支撑机器人、平移台18以及激光轮廓仪17等通讯；可以实时获取测量机器人20、支撑机器人以及平移台18的位置和姿态以及状态等信息，并显示在操作界面上；可以实时获取激光轮廓仪17采集的轮廓数据并显示在操作界面上；可以根据采集的成型管件5的轮廓数据自动计算管件的几何尺寸信息；可以自动比较成型管件5的几何尺寸的测量计算值与设计理论值，生成比较结果报告。

本发明的成型管件自动检测装置的检测方法的技术方案是：

首次检测管件前，先通过自动检测控制软件导入待检测的成型管件5的CAD模型，自动检测控制软件将自动生成扫描机器人20的运动控制程序以及所述支撑机器人2A、支撑机器人2B的位置和姿态，并将自动生成的扫描机器人20运动程序以及位置和姿态信息，通过网络自动发送到相应的执行机器人控制器中；

支撑机器人2A、支撑机器人2B根据接收的位置和姿态信息，自动调整支撑机器人2A、支撑机器人2B末端的位置和姿态；待检测的成型管件5放置到位后，操作人员启动检测，扫描机器人20能够按照接收到的运动程序搭载三维轮廓扫描测量机构对管件进行扫描；三维轮廓扫描测量机构将采集的成型管件5轮廓信息通过网络发送给上位机上的自动检测控制软件，由其对轮廓数据进行分析计算，判断关键几何尺寸是否合格。

图5为管件检测系统的测量流程框图。如该图所示，所述的检测方法的检测过程是：

所述自动检测装置启动后，操作人员在系统控制设备中3中输入待检测的成型管件5的CAD模型，自动检测控制软件自动地计算出支撑系统中所有支撑机器人的位姿以及扫描机器人20轨迹路径；

系统控制设备3通过现场总线(ProfileBus，EtherNet等)将支撑机器人的位置和姿态的指令信息传送给支撑机器人；所述支撑机器人按照相应的信息运动到目标位置；

系统控制设备3提供每个支撑机器人、支撑结构6与成型管件5的接触点位置；

所述支撑机器人2A、2B与辅助支撑机构共同支撑待测量的成型管件5在合适的位置，便于扫描机器人20采集待检测的成型管件5的三维数据信息；

操作人员将待测量的成型管件5按照指示的上述的支撑接触点信息，将成型管件5固定在测量空间中；

之后，扫描机器人20按照其计算出的测量点的轨迹信息，运动到第一个测量点，平移台18载着激光轮廓仪17采集一段成型管件5的三维数据信息；

采集完成后，扫描机器人20运动到下一个测量点，三维轮廓扫描测量机构采集该位置处的管件三维数据信息，该过程依次进行，直至最后一个测量点；

数据采集完成后，自动检测控制软件拟合成型管件5的三维模型，并依据此模型计算出成型管件5的外形尺寸数据，并得到成型管件5的是否合格信息；

自动检测装置依据操作人员的选择进行后续的工作。

所述成型管件5可以由人工或者机器人抓取后放置到管件支撑系统上。

操作人员可以通过点击自动检测控制软件上的虚拟按钮或者系统控制设备3上的实体按钮启动检测过程。

所述扫描机器人20的运动控制程序由也可以由用户示教产生。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，如支撑机器人的数量并非固定为2台，其可以依据固定的需要进行适当的增减。只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。