激光掃描檢測系統(tǒng)在裝配間隙尺寸自動測量上的應(yīng)用

引言

傳統(tǒng)的裝配間隙尺寸人工檢測方法,通常采用量規(guī)、鋼尺、卡尺、測微儀等手工工具,采用讀數(shù)法、刀口光隙法、平晶干涉法對檢測對象進(jìn)行檢測,從而獲取工件的幾何量信息。但傳統(tǒng)的方法存在基準(zhǔn)不穩(wěn)定、讀數(shù)不準(zhǔn)確、測量精度依賴于檢測者個人經(jīng)驗等問題。同時,傳統(tǒng)檢測方法多采用直接接觸法,容易劃傷工件表面,不能用于本項目涉及的產(chǎn)品尺寸檢測。

從20世紀(jì)80年代開始,西方航空發(fā)達(dá)國家逐步開始采用三坐標(biāo)測量機(jī)、激光跟蹤儀、iGPS、激光雷達(dá)、柔性測量臂等測量設(shè)備取代傳統(tǒng)模擬量檢測工具或工裝,使用關(guān)鍵特征點檢測代替?zhèn)鹘y(tǒng)形位檢查的方式,實施數(shù)字化檢測。這些設(shè)備測量范圍大、精度高(測量誤差小于0.05mm)、柔性好,其測量過程與高性能數(shù)值計算和可視化圖形技術(shù)相結(jié)合,能夠快速、精確、直觀、立體地呈現(xiàn)測量結(jié)果。

目前,在工件精密測量方面,通常采用基于機(jī)器視覺和激光測量的檢測方法。激光掃描檢測,因其高速、非接觸、高精度測量等特點,特別適用于檢測熱、軟、運(yùn)動和振動物體,因此可廣泛應(yīng)用于核電、航空航天等領(lǐng)域精密加工的在線檢測和質(zhì)量控制,具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文利用激光掃描儀與工業(yè)機(jī)械臂搭建裝配間隙尺寸自動檢測系統(tǒng),提出一種誤差修正新方法,以實現(xiàn)裝配間隙高精度測量。

1裝配間隙尺寸激光掃描檢測系統(tǒng)

本檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)裝配間隙尺寸及平面度檢測,平面度的測量通過激光測距實現(xiàn)。在測量過程中,檢測精度會受到環(huán)境因素、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理過程的影響。根據(jù)激光測距原理(即R=0.5ct)可知,測量時激光在傳播過程中的環(huán)境因素,如其他干擾光源、空氣溫度/濕度及粉塵等情況,都會對激光的傳播速度帶來影響。另一方面,激光測距的時間間隔是由激光脈沖經(jīng)過光電傳感器轉(zhuǎn)換的電信號形成的,參考脈沖和回波脈沖之間時間間隔的計算,由時標(biāo)振蕩器、門電路和計數(shù)顯示器來完成,傳感器靈敏度及信號處理的延遲均會對檢測造成誤差。

但由于設(shè)備使用的環(huán)境相對良好以及電子測量儀器精度的提升,上述方面對測量精度的影響可以忽略不計。數(shù)據(jù)采集過程中容易受到儀器電噪聲的影響,這是因為采集儀器中有源模塊帶來的內(nèi)部干擾,但本項目采用的儀器具有較好的抗干擾能力,儀器電噪聲較少,在實際應(yīng)用中可以忽略。

整個檢測系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)平臺、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以及系統(tǒng)集成等四部分組成。檢測模塊配合三組移動機(jī)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)移動、檢測模塊前后伸縮移動、檢測模塊上下升降移動)實現(xiàn)對間隙內(nèi)部的平面區(qū)域、外部凸臺區(qū)域進(jìn)行平面度檢測。檢測方法:采用激光位移傳感器,利用激光三角定位法連續(xù)進(jìn)行距離檢測,通過判定平面各個位置到傳感器的距離,判定其表面平面度情況。

如圖1所示,檢測機(jī)構(gòu)由一組外表面平面度檢測裝置和一組間隙尺寸檢測裝置組成,用于實現(xiàn)產(chǎn)品的平面度及裝配間隙檢測:外圍設(shè)備為操作及控制臺,實現(xiàn)人機(jī)交互、傳感器/電機(jī)的自動化控制、數(shù)據(jù)的采集處理及分析導(dǎo)出等功能。系統(tǒng)整體性能指標(biāo)要求如表1所示。

2裝配間隙尺寸高精度激光掃描檢測裝置設(shè)計

2.1機(jī)械運(yùn)動裝置

2.1.1旋轉(zhuǎn)平臺

旋轉(zhuǎn)平臺為檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺,主要用于安裝和固定相關(guān)儀器設(shè)備,同時實現(xiàn)檢測過程中的相關(guān)運(yùn)動,具體包括:產(chǎn)品的高精度旋轉(zhuǎn),檢測儀器沿裝配間隙寬度、深度以及產(chǎn)品長度方向的移動。旋轉(zhuǎn)平臺主要包括旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和移動系統(tǒng),兩部分系統(tǒng)分別包含相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)和運(yùn)動驅(qū)動設(shè)備。

圖2所示為旋轉(zhuǎn)平臺,包括自動化運(yùn)動機(jī)構(gòu)、平臺、底座,其中自動化運(yùn)動機(jī)構(gòu)包含旋轉(zhuǎn)、升降系統(tǒng):旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)用于帶動產(chǎn)品沿中心軸線旋轉(zhuǎn),升降系統(tǒng)用于帶動線激光輪廓儀上下移動掃描,檢測外表面平面度:旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)定位精度為士0.59,升降系統(tǒng)定位精度為士0.02mm:旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及升降系統(tǒng)速度可調(diào)。

圖2 旋轉(zhuǎn)平臺

2.1.2支撐平臺

如圖3所示,支撐平臺主要由旋轉(zhuǎn)模組、工件徑向定位盤、軸向定位塊、機(jī)架等組成,機(jī)架上方為一塊精加工平臺,作為檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺,主要用于固定旋轉(zhuǎn)模組、工件定位臺,同時實現(xiàn)待測工件的3609高精密回轉(zhuǎn)控制,控制精度為士0.59。

圖3 支撐平臺

(2)高強(qiáng)度304不銹鋼矩形管焊接框架,頂面支撐板需焊接后整體二次加工,確保產(chǎn)品支撐面的精度。

(2)工件定位:徑向定位利用定位盤上的錐形凸臺,與工件上的錐形凹孔配合,達(dá)到徑向限位,且比較利于安裝:軸向定位通過壓塊,對工件底座側(cè)面凹槽進(jìn)行壓緊定位。

(3)旋轉(zhuǎn)模組保護(hù)罩:用于防止吊裝工件時碰傷旋轉(zhuǎn)模組。

(4)伺服旋轉(zhuǎn)模組:高回轉(zhuǎn)精度、伺服電機(jī)控制、實線精準(zhǔn)平穩(wěn)定位。

2.1.3直線運(yùn)動模塊

如圖4所示,直線運(yùn)動模塊由安裝固定板、x軸直線模組、Z軸直線模組等機(jī)構(gòu)組成,x軸直線模組安裝于Z軸直線模組之上,用于固定和驅(qū)動兩個激光位移傳感器,系統(tǒng)由伺服電機(jī)控制,實現(xiàn)精準(zhǔn)定位,其精度可達(dá)±0.01mm。

圖4 直線運(yùn)動模塊

(1)安裝固定板與支撐工作臺頂面垂直,確保滑臺安裝后的相對位置精度:

(2)直線模組行程為x軸300mm、Z軸1300mm,控制精度為±0.01mm,可實現(xiàn)產(chǎn)品的全域檢測:

(3)安裝完成后,仍然無法保證Z軸直線模組與旋轉(zhuǎn)平臺百分百垂直,因此還需對其做標(biāo)定,確認(rèn)二者的位置關(guān)系。

2.1.4試件檢測方法

(1)凸臺檢測:凸臺檢測由一個線性激光位移傳感器完成,如圖5所示,線性激光位移傳感器安裝于x軸直線模組之上,由其帶動傳感器分別檢測同一側(cè)面的兩個凸臺,Z軸直線模組驅(qū)動其對部件軸向移動掃描,最后得到兩個凸臺面的全部尺寸。

圖5 線性激光位移傳感器安裝

(2)間隙檢測:間隙檢測由一個點激光位移傳感器完成,點激光位移傳感器安裝于多自由度(最多4自由度,根據(jù)實際調(diào)節(jié)需要快速增減調(diào)節(jié)云臺)微動平臺上,整個機(jī)構(gòu)則固定在Z軸直線模組之上。

如圖6所示,利用光線反射原理,制作一個微小的棱鏡組合,棱鏡組合的兩個反向459面為鏡面,棱鏡呈上下關(guān)系,將棱鏡組合放入間隙,點激光射在459面上反射到間隙的一面,便得到距離1,再上下移動棱鏡,使點激光射到一個反向安裝的棱鏡之上,便得到距離2,由此得到間隙寬度。

2.2控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)如圖7所示,其主要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺相關(guān)運(yùn)動的控制?？刂葡到y(tǒng)以光柵檢測技術(shù)和可編程DSP的控制器為核心,記憶檢測位置,控制檢測傳感器自動移動或旋轉(zhuǎn)至指定檢測位置,并觸發(fā)傳感器進(jìn)行下一步的檢測工作:對機(jī)械裝置傳動誤差進(jìn)行實時監(jiān)測:分別建立直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動誤差模型,將誤差模型導(dǎo)入傳動控制系統(tǒng),實現(xiàn)對傳動誤差的補(bǔ)償。

在本檢測系統(tǒng)中,電控系統(tǒng)放置于操作臺柜體內(nèi)部?？刂撇捎梦鏖T子PLC,控制端口預(yù)留多個冗余端口:設(shè)備電氣整體可靠接地、接零:自動化設(shè)計有完善的保護(hù)和開放的程序接口:設(shè)備有自動保護(hù)裝置,在安裝工件、工件不到位時設(shè)備不能啟動。

圖7 控制系統(tǒng)

2.3數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分主要包括三部分,分別為線激光輪廓掃描儀、點激光位移傳感器及其光學(xué)配套部分、整個裝置軟硬件整合。線激光輪廓掃描儀主要用于裝配間隙結(jié)構(gòu)和尺寸的識別和檢測,點激光位移傳感器及其光學(xué)配套部分主要用于裝配間隙一定深度上寬度尺寸的精確測量。兩個傳感器均搭載有伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu),可配合控制系統(tǒng)伺服移動。

其參數(shù)選型如下:(1)線激光輪廓掃描儀:米依LLT2600-25:(2)點激光位移傳感器:米依1LD1420-10(001)。具體指標(biāo)參數(shù)如表2所示。

3激光掃描檢測工藝及誤差補(bǔ)償

3.1高精度激光掃描檢測工藝

裝配間隙尺寸高精度激光掃描檢測系統(tǒng)對組件進(jìn)行檢測的整體工藝流程如圖8所示,檢測通過用戶發(fā)起,將檢測數(shù)據(jù)構(gòu)成凸臺及其與平面位置關(guān)系后結(jié)束。

測量過程中定義的數(shù)據(jù)為:

(1)三維平面:定義描述三維平面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),能夠用于描述零件上凸臺的位置信息。

(2)三維直線:定義描述三維直線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可以用于描述間隙的位置信息及凸臺邊界的位置信息。

(3)標(biāo)定數(shù)據(jù):分為位置標(biāo)定和間隙標(biāo)定,位置標(biāo)定描述了線激光器和點激光器的位置關(guān)系,用于修正點、線激光器相對位置造成的偏差:間隙標(biāo)定描述了間隙寬度和點激光器測量數(shù)據(jù)的線性關(guān)系,用于計算實際測量中間隙的寬度。

數(shù)據(jù)處理模塊包括對點、線激光器采集到的數(shù)據(jù)的處理邏輯,主要分為下面幾個部分:

(1)平面擬合:處理線激光器采集到的數(shù)據(jù),得到凸臺的位置信息,包含對采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、篩選及擬合。

(2)直線擬合:處理點激光器采集到的數(shù)據(jù),得到間隙上某一條線的位置信息,同時也用于對凸臺邊緣的求取。

(3)邊緣凸臺計算:獲取凸臺的邊緣,用于計算不同凸臺之間的相對距離。

(4)平面角度計算:計算不同平面之間的相對位置關(guān)系,用于檢測零件裝配是否合格。

(5)平面與直線角度計算:計算平面與直線之間的相對位置關(guān)系,用于檢測零件裝配是否合格。

(6)數(shù)據(jù)可視化:將點、線激光器采集到的深度信息轉(zhuǎn)換為人便于觀察的形式。

(7)平面度計算:用于計算凸臺的平面度。整體掃查工藝過程如下:

(1)由用戶啟動測量裝置,開始對零件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,最終由程序獲得的數(shù)據(jù)包含點激光器和線激光器的深度信息,以及采集時點激光器、線激光器和零件的位置信息:

(2)隨后程序開始對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,首先是利用線激光器的數(shù)據(jù)獲取零件上8個凸臺在三維空間中的位置信息以及平面度,然后利用點激光器采集的數(shù)據(jù)計算裝配間隙的寬度以及位于間隙不同高度上的直線的描述方程:

(3)計算凸臺與凸臺、凸臺與間隙之間的位置關(guān)系,并將其顯示在界面中。

3.2誤差補(bǔ)償

系統(tǒng)誤差來源于機(jī)械誤差和信號處理誤差,補(bǔ)償方法分別如下:

(1)加工和裝配導(dǎo)致的機(jī)械誤差修正方法:機(jī)械零件的加工誤差和裝配誤差導(dǎo)致傳感器與被測面可能有一定的角度偏差,因此,在裝配完成后,還需利用已知尺寸的標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定。

(2)信號處理誤差修正方法:對于平面的擬合建模,如果采用應(yīng)用最為廣泛的最小二乘法進(jìn)行擬合,雖然目標(biāo)明確,優(yōu)化會顯得十分容易,但是其對異常值十分敏感,不易得到最優(yōu)的擬合結(jié)果,魯棒性很差,如圖9所示。

為此,本項目引入基于隨機(jī)抽樣一致(RANSAC)算法,結(jié)合最小二乘法進(jìn)行平面擬合。具體方法如下:

由Di=(:i-:i')2得到每個點到平面的距離之后,設(shè)定一個6值(擬合點到平面的距離),若Di≤6,則判定該擬合點處于擬合區(qū)域內(nèi),然后給該平面打分,得出該平面得分Scorej=ZDi。當(dāng)擬合出所有平面后,找出得分最高的平面,即最優(yōu)擬合平面。如果存在得分相同的平面,可以通過其累計誤差最小來判斷找出最優(yōu)擬合平面,如圖10所示。

圖10通過累計誤差判斷最優(yōu)擬合平面

根據(jù)空間坐標(biāo)擬合工件的空間平面后,可以重繪工件的三維模型,進(jìn)而判斷出工件表面的平整度以及角的垂直度。

在軟件系統(tǒng)中進(jìn)行擬合時,為避免少數(shù)誤差點對擬合的平面造成過大的影響,需要迭代進(jìn)行多次擬合,并在每次擬合中根據(jù)點到上一次擬合得到的平面的距離,求出不同點在擬合過程中需要設(shè)置的權(quán)重,確保距離更遠(yuǎn)的點得到更小的權(quán)重,從而減少誤差點對擬合的平面的影響。

4結(jié)論

本文提出了一種基于點激光和線激光掃描的裝配間隙尺寸檢測方法,主要結(jié)論如下:

(1)利用激光掃描儀和工業(yè)機(jī)械臂搭建了檢測與定位系統(tǒng),實現(xiàn)人機(jī)交互、傳感器/電機(jī)的自動化控制,以及數(shù)據(jù)的采集處理、分析導(dǎo)出等功能。

(2)利用激光三角定位法,實現(xiàn)了連續(xù)距離檢測,同時通過判定平面各個位置到傳感器距離,得到了其表面平面度情況。

(3)基于隨機(jī)抽樣一致(RANSAC)算法,結(jié)合最小二乘法得到了工件的最優(yōu)擬合空間平面,實際測試如果存在得分相同的平面,即通過其累計誤差最小來判斷找出最優(yōu)擬合平面。

本文方法對裝配間隙尺寸的高精度檢測與定位效果相比傳統(tǒng)方法更優(yōu),能滿足生產(chǎn)制造中大部件的裝配需求,具有較高的工程應(yīng)用價值。