激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)在裝配間隙尺寸自動(dòng)測(cè)量上的應(yīng)用

摘

要：鑒于傳統(tǒng)測(cè)量方法效率低下，無(wú)法滿(mǎn)足工件裝配間隙尺寸自動(dòng)測(cè)量的高精度、高速度要求，探討了一種激光掃描裝配間隙尺寸高精度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的總體方案，研究分析了高精度激光掃描檢測(cè)精度、參數(shù)選擇和誤差補(bǔ)償技術(shù)的影響因素。關(guān)鍵詞：激光掃描；高精度；間隙尺寸；檢測(cè)0

引言傳統(tǒng)的裝配間隙尺寸人工檢測(cè)方法，通常采用量規(guī)、鋼尺、卡尺、測(cè)微儀等手工工具，采用讀數(shù)法、刀口光隙法、平晶干涉法對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)量精度依賴(lài)于檢測(cè)者個(gè)人經(jīng)驗(yàn)等問(wèn)題。同時(shí)，傳統(tǒng)檢測(cè)方法多采用直接接觸法，容易劃傷工件表面，不能用于本項(xiàng)目涉及的產(chǎn)品尺寸檢測(cè)。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，西方航空發(fā)達(dá)國(guó)家逐步開(kāi)始采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光跟蹤儀、iGPS、激光雷達(dá)、柔性測(cè)量臂等測(cè)量設(shè)備取代傳統(tǒng)模擬量檢測(cè)工具或工裝，使用關(guān)鍵特征點(diǎn)檢測(cè)代替?zhèn)鹘y(tǒng)形位檢查的方式，實(shí)施數(shù)字化檢測(cè)。這些設(shè)備測(cè)量范圍大、精度高（測(cè)量誤差小于0.05mm）、柔性好，其測(cè)量過(guò)程與高性能數(shù)值計(jì)算和可視化圖形技術(shù)相結(jié)合，能夠快速、精確、直觀(guān)、立體地呈現(xiàn)測(cè)量結(jié)果。目前，在工件精密測(cè)量方面，通常采用基于機(jī)器視覺(jué)和激光測(cè)量的檢測(cè)方法。激光掃描檢測(cè)，因其高速、非接觸、高精度測(cè)量等特點(diǎn)，特別適用于檢測(cè)熱、軟、運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)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(xiàn)檢測(cè)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，提出一種誤差修正新方法，以實(shí)現(xiàn)裝配間隙高精度測(cè)量。1

裝配間隙尺寸激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)本檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)裝配間隙尺寸及平面度檢測(cè)，平面度的測(cè)量通過(guò)激光測(cè)距實(shí)現(xiàn)。在測(cè)量過(guò)程中，檢測(cè)精度會(huì)受到環(huán)境因素、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理過(guò)程的影響。根據(jù)激光測(cè)距原理（即R=0.5ct）可知，測(cè)量時(shí)激光在傳播過(guò)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(huì)對(duì)激光的傳播速度帶來(lái)影響。另一方面，激光測(cè)距的時(shí)間間隔是由激光脈沖經(jīng)過(guò)光電傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)形成的，參考脈沖和回波脈沖之間時(shí)間間隔的計(jì)算，由時(shí)標(biāo)振蕩器、門(mén)電路和計(jì)數(shù)顯示器來(lái)完成，傳感器靈敏度及信號(hào)處理的延遲均會(huì)對(duì)檢測(cè)造成誤差。但由于設(shè)備使用的環(huán)境相對(duì)良好以及電子測(cè)量?jī)x器精度的提升，上述方面對(duì)測(cè)量精度的影響可以忽略不計(jì)。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中容易受到儀器電噪聲的影響，這是因?yàn)椴杉瘍x器中有源模塊帶來(lái)的內(nèi)部干擾，但本項(xiàng)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(shí)際應(yīng)用中可以忽略。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、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(cè)模塊配合三組移動(dòng)機(jī)構(gòu)（旋轉(zhuǎn)移動(dòng)、檢測(cè)模塊前后伸縮移動(dòng)、檢測(cè)模塊上下升降移動(dòng)）實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙內(nèi)部的平面區(qū)域、外部凸臺(tái)區(qū)域進(jìn)行平面度檢測(cè)。檢測(cè)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(cè)，通過(guò)判定平面各個(gè)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(cè)機(jī)構(gòu)由一組外表面平面度檢測(cè)裝置和一組間隙尺寸檢測(cè)裝置組成，用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的平面度及裝配間隙檢測(cè)；外圍設(shè)備為操作及控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、傳感器/電機(jī)的自動(dòng)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(cè)裝置設(shè)計(jì)2.1

機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置2.1.1

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)為檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，主要用于安裝和固定相關(guān)儀器設(shè)備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程中的相關(guān)運(yùn)動(dòng)，具體包括：產(chǎn)品的高精度旋轉(zhuǎn)，檢測(cè)儀器沿裝配間隙寬度、深度以及產(chǎn)品長(zhǎng)度方向的移動(dòng)。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)主要包括旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和移動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。圖2所示為旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，包括自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、平臺(tái)、底座，其中自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包含旋轉(zhuǎn)、升降系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)用于帶動(dòng)產(chǎn)品沿中心軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，升降系統(tǒng)用于帶動(dòng)線(xiàn)激光輪廓儀上下移動(dòng)掃描，檢測(cè)外表面平面度；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)定位精度為±0.5°，升降系統(tǒng)定位精度為±0.01mm；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及升降系統(tǒng)速度可調(diào)。2.1.2

支撐平臺(tái)如圖3所示，支撐平臺(tái)主要由旋轉(zhuǎn)模組、工件徑向定位盤(pán)、軸向定位塊、機(jī)架等組成，機(jī)架上方為一塊精加工平臺(tái)，作為檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，主要用于固定旋轉(zhuǎn)模組、工件定位臺(tái)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)待測(cè)工件的360°高精密回轉(zhuǎn)控制，控制精度為±0.5°。（1）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(pán)上的錐形凸臺(tái)，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(guò)壓塊，對(duì)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(shí)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(shí)線(xiàn)精準(zhǔn)平穩(wěn)定位。2.1.3

直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模塊如圖4所示，直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)模塊由安裝固定板、X軸直線(xiàn)模組、Z軸直線(xiàn)模組等機(jī)構(gòu)組成，X軸直線(xiàn)模組安裝于Z軸直線(xiàn)模組之上，用于固定和驅(qū)動(dòng)兩個(gè)激光位移傳感器，系統(tǒng)由伺服電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，其精度可達(dá)±0.01mm。（1）安裝固定板與支撐工作臺(tái)頂面垂直，確?；_(tái)安裝后的相對(duì)位置精度；（2）直線(xiàn)模組行程為X軸300

mm、Z軸1300mm，控制精度為±0.01mm，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全域檢測(cè)；（3）安裝完成后，仍然無(wú)法保證Z軸直線(xiàn)模組與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)百分百垂直，因此還需對(duì)其做標(biāo)定，確認(rèn)二者的位置關(guān)系。2.1.4

試件檢測(cè)方法（1）凸臺(tái)檢測(cè)：凸臺(tái)檢測(cè)由一個(gè)線(xiàn)性激光位移傳感器完成，如圖5所示，線(xiàn)性激光位移傳感器安裝于X軸直線(xiàn)模組之上，由其帶動(dòng)傳感器分別檢測(cè)同一側(cè)面的兩個(gè)凸臺(tái)，Z軸直線(xiàn)模組驅(qū)動(dòng)其對(duì)部件軸向移動(dòng)掃描，最后得到兩個(gè)凸臺(tái)面的全部尺寸。（2）間隙檢測(cè)：間隙檢測(cè)由一個(gè)點(diǎn)激光位移傳感器完成，點(diǎn)激光位移傳感器安裝于多自由度（最多4自由度，根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)需要快速增減調(diào)節(jié)云臺(tái)）微動(dòng)平臺(tái)上，整個(gè)機(jī)構(gòu)則固定在Z軸直線(xiàn)模組之上。如圖6所示，利用光線(xiàn)反射原理，制作一個(gè)微小的棱鏡組合，棱鏡組合的兩個(gè)反向45°面為鏡面，棱鏡呈上下關(guān)系，將棱鏡組合放入間隙，點(diǎn)激光射在45°面上反射到間隙的一面，便得到距離1，再上下移動(dòng)棱鏡，使點(diǎn)激光射到一個(gè)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(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)相關(guān)運(yùn)動(dòng)的控制?？刂葡到y(tǒng)以光柵檢測(cè)技術(shù)和可編程DSP的控制器為核心，記憶檢測(cè)位置，控制檢測(cè)傳感器自動(dòng)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)至指定檢測(cè)位置，并觸發(fā)傳感器進(jìn)行下一步的檢測(cè)工作；對(duì)機(jī)械裝置傳動(dòng)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；分別建立直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差模型，將誤差模型導(dǎo)入傳動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)誤差的補(bǔ)償。在本檢測(cè)系統(tǒng)中，電控系統(tǒng)放置于操作臺(tái)柜體內(nèi)部?？刂撇捎梦鏖T(mén)子PLC，控制端口預(yù)留多個(gè)冗余端口；設(shè)備電氣整體可靠接地、接零；自動(dòng)化設(shè)計(jì)有完善的保護(hù)和開(kāi)放的程序接口；設(shè)備有自動(dòng)保護(hù)裝置，在安裝工件、工件不到位時(shí)設(shè)備不能啟動(dòng)。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(xiàn)激光輪廓掃描儀、點(diǎn)激光位移傳感器及其光學(xué)配套部分、整個(gè)裝置軟硬件整合。線(xiàn)激光輪廓掃描儀主要用于裝配間隙結(jié)構(gòu)和尺寸的識(shí)別和檢測(cè)，點(diǎn)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(cè)量。兩個(gè)傳感器均搭載有伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可配合控制系統(tǒng)伺服移動(dòng)。其參數(shù)選型如下：（1）線(xiàn)激光輪廓掃描儀：米銥LLT2600-25；（2）點(diǎn)激光位移傳感器：米銥ILD1420-10（001）。具體指標(biāo)參數(shù)如表2所示。3

激光掃描檢測(cè)工藝及誤差補(bǔ)償3.1

高精度激光掃描檢測(cè)工藝裝配間隙尺寸高精度激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)組件進(jìn)行檢測(cè)的整體工藝流程如圖8所示，檢測(cè)通過(guò)用戶(hù)發(fā)起，將檢測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成凸臺(tái)及其與平面位置關(guān)系后結(jié)束。測(cè)量過(guò)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(tái)的位置信息。（2）三維直線(xiàn)：定義描述三維直線(xiàn)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(tái)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(xiàn)激光器和點(diǎn)激光器的位置關(guān)系，用于修正點(diǎn)、線(xiàn)激光器相對(duì)位置造成的偏差；間隙標(biāo)定描述了間隙寬度和點(diǎn)激光器測(cè)量數(shù)據(jù)的線(xiàn)性關(guān)系，用于計(jì)算實(shí)際測(cè)量中間隙的寬度。數(shù)據(jù)處理模塊包括對(duì)點(diǎn)、線(xiàn)激光器采集到的數(shù)據(jù)的處理邏輯，主要分為下面幾個(gè)部分：（1）平面擬合：處理線(xiàn)激光器采集到的數(shù)據(jù)，得到凸臺(tái)的位置信息，包含對(duì)采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、篩選及擬合。（2）直線(xiàn)擬合：處理點(diǎn)激光器采集到的數(shù)據(jù)，得到間隙上某一條線(xiàn)的位置信息，同時(shí)也用于對(duì)凸臺(tái)邊緣的求取。（3）邊緣凸臺(tái)計(jì)算：獲取凸臺(tái)的邊緣，用于計(jì)算不同凸臺(tái)之間的相對(duì)距離。（4）平面角度計(jì)算：計(jì)算不同平面之間的相對(duì)位置關(guān)系，用于檢測(cè)零件裝配是否合格。（5）平面與直線(xiàn)角度計(jì)算：計(jì)算平面與直線(xiàn)之間的相對(duì)位置關(guān)系，用于檢測(cè)零件裝配是否合格。（6）數(shù)據(jù)可視化：將點(diǎn)、線(xiàn)激光器采集到的深度信息轉(zhuǎn)換為人便于觀(guān)察的形式。（7）平面度計(jì)算：用于計(jì)算凸臺(tái)的平面度。整體掃查工藝過(guò)程如下：（1）由用戶(hù)啟動(dòng)測(cè)量裝置，開(kāi)始對(duì)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(diǎn)激光器和線(xiàn)激光器的深度信息，以及采集時(shí)點(diǎn)激光器、線(xiàn)激光器和零件的位置信息；（2）隨后程序開(kāi)始對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先是利用線(xiàn)激光器的數(shù)據(jù)獲取零件上8個(gè)凸臺(tái)在三維空間中的位置信息以及平面度，然后利用點(diǎn)激光器采集的數(shù)據(jù)計(jì)算裝配間隙的寬度以及位于間隙不同高度上的直線(xiàn)的描述方程；（3）計(jì)算凸臺(tái)與凸臺(tái)、凸臺(tái)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(lái)源于機(jī)械誤差和信號(hào)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(cè)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(hào)處理誤差修正方法：對(duì)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(huì)顯得十分容易，但是其對(duì)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(xiàng)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=（zi-zi'）2得到每個(gè)點(diǎn)到平面的距離之后，設(shè)定一個(gè)δ值（擬合點(diǎn)到平面的距離），若Di≤δ，則判定該擬合點(diǎn)處于擬合區(qū)域內(nèi)，然后給該平面打分，得出該平面得分。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(guò)其累計(jì)誤差最小來(lái)判斷找出最優(yōu)擬合平面，如圖10所示。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(shí)，為避免少數(shù)誤差點(diǎn)對(duì)擬合的平面造成過(guò)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(diǎn)到上一次擬合得到的平面的距離，求出不同點(diǎn)在擬合過(guò)程中需要設(shè)置的權(quán)重，確保距離更遠(yuǎn)的點(diǎn)得到更小的權(quán)重，從而減少誤差點(diǎn)對(duì)擬合的平面的影響。4

結(jié)論文提出了一種基于點(diǎn)激光和線(xiàn)激光掃描的裝配間隙尺寸檢測(cè)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(cè)與