CN110487179A - 基于光学跟踪扫描仪和plc控制***的桁架式工业测量***及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***及测量方法，包括工控机、机械***控制柜、工字钢主框架、多轴伺服直线导轨、扫描仪、跟踪仪、机械臂、测量台以及跟踪仪定位标志单元，PLC控制***与多轴伺服和机械臂之间通过TCP/IP连接，控制多轴伺服与机械臂运动，获取扫描数据。本发明的基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***在安装调试完成后，能够实现大型工件的全自动三维激光扫描，自动获取工件的三维点云数据，对三维激光点云进行自动分析处理，自动生成尺寸检测成果；满足大型工件的自动化、流水化的测量需求，而且***具有良好的扩展性，在工业测量检测领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及机械自动化和工业测量技术领域，涉及一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***及测量方法。
背景技术
传统的工业尺寸测量一般采用钢尺、卡尺、仪器测量等方法，高精度的尺寸检测一般采用三坐标仪，这些测量方法不仅精度差，而且效率低。近年来随着三维激光扫描技术的快速发展，市面上不同精度、不同性能的三维激光扫描仪越来越多，由于三维激光扫描具有非接触、精度高、效率高及数据完整等优点，高精度三维激光扫描仪越来越多的应用于工业测量领域，例如机械零部件尺寸测量、艺术品测量、正向工业设计、逆向工业设计及三维产品展示等。针对大型工件的测量，可以利用扫描仪、跟踪仪、定位标点来实现，目前市面上已经有成熟的产品和应用案例。采用三维扫描技术测量大型工件，与传统测量方法相比，已经极大的提高了测量效率，但是仍然费时费力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，该测量***能够实现大型工件的流水化、自动化检测，同时具有良好的扩展性，通过改变多轴伺服的行程范围以及重新调试检测点位和机械臂的精细动作，即可实现其他种类工件的检测。
本发明的另一个目的在于提供一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***的测量方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，包括工控机、机械***控制柜、工字钢主框架、跟踪测量装置、测量台以及跟踪仪定位标志单元；
所述测量台位于所述工字钢主框架内，用于放置待测量的工件并固定其位置；
所述的跟踪测量装置包括扫描单元和跟踪单元，其中所述扫描单元包括滑动连接在所述工字钢主框架上的机械臂以及与所述机械臂转动连接的扫描仪，所述跟踪单元包括设置在所述工字钢主框架一侧并与其形成相对移动的跟踪仪，通过机械臂、扫描仪与跟踪仪的配合实现对所述测量台上工件的全方位测量；
所述跟踪仪定位标志单元设置在所述测量台旁，用于跟踪仪的定位和测量坐标系的建立；
所述的机械***控制柜包括电源、PLC控制***、交换机以及触摸屏；
所述工控机与机械***控制柜和跟踪测量装置之间通过TCP/IP连接。
在上述技术方案中，所述扫描单元还包括平行设置在所述工字钢主框架上的两条Y轴伺服直线导轨、设置在所述两条Y轴伺服直线导轨之间并与之垂直的X轴伺服直线导轨支架以及设置在所述X轴伺服直线导轨支架上的X轴伺服直线导轨，所述机械臂倒挂固定在所述X轴伺服直线导轨上，通过所述工控机和PLC控制***控制所述X轴伺服直线导轨、Y轴伺服直线导轨以及机械臂的运动，通过扫描仪获取待测工件的三维数据。
在上述技术方案中，所述跟踪单元还包括与所述Y轴伺服直线导轨同向设置的跟踪伺服直线导轨支架、设置在所述跟踪伺服直线导轨支架上并与其同向的跟踪伺服直线导轨以及滑动连接在所述跟踪伺服直线导轨上的跟踪仪支架，所述的跟踪仪通过跟踪仪云台与所述的跟踪仪支架转动连接。
在上述技术方案中，所述的扫描仪通过扫描仪转接法兰连接在所述机械臂的底端。
在上述技术方案中，所述工字钢主框架包括一水平放置且呈矩形的主体桁架以及四根竖直设置在主体桁架底部四顶角处的桁架立柱。
在上述技术方案中，所述跟踪仪定位标志单元包括相对设置在所述测量台两侧的跟踪仪定位标志点支架以及设置在所述跟踪仪定位标志点支架上的多个跟踪仪定位标志点，两侧的所述跟踪仪定位标志点朝向一致。
在上述技术方案中，位于所述测量台左侧的跟踪仪定位标志点支架结构侧视为F形，该F形的两根横杆右端设置有平面板状结构，所述跟踪仪定位标志点均布于所述平面板状结构的表面。
在上述技术方案中，所述的X轴伺服直线导轨、Y轴伺服直线导轨、机械臂以及跟踪伺服直线导轨的通信线缆和供电线缆均通过拖链牵引。
在上述技术方案中，所述拖链为工程塑料拖链。
在上述技术方案中，所述跟踪仪支架的高度可调。
在上述技术方案中，所述测量台下方的地面上铺设有轨道，测量台底面设置有与所述轨道相匹配的导轨。
在上述技术方案中，所述的扫描仪为高精度三维激光扫描仪。
在上述技术方案中，所述的跟踪仪为光学跟踪仪。
在上述技术方案中，所述工字钢主框架安装的垂向精度小于1mm，水平精度小于3mm；多轴伺服直线导轨(包括X轴伺服直线导轨、Y轴伺服直线导轨和跟踪伺服直线导轨)安装的垂向精度和水平精度均小于1mm，X轴伺服直线导轨与Y轴伺服直线导轨的夹角精度小于0.05°。
本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***的测量方法为：将待测工件置于测量台上并固定位置，工控机启动扫描仪与跟踪仪后，机械***控制柜控制扫描仪与跟踪仪运动至扫描位置，然后控制机械臂进行精细扫描动作，待扫描完成后自动获取工件的三维点扫描数据并进行自动分析处理；以上流程为一次完整的通信控制过程，扫描一个大型工件可能需要多个控制流程才能完成扫描，若有多个控制流程，最后将每次获取的数据合并为完整的数据后再进行自动分析处理，自动生成尺寸检测成果。
本发明的优点和有益效果为：
(1)本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***集成PLC控制***与多轴伺服，使***具有更大的测量范围，同时具有良好的扩展性。
(2)本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***集成小型人机协作机械臂，使***能完成更灵活更复杂的动作，同时还能防缠绕、防碰撞，使***具有更高的安全性。
(3)本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***通过工控机控制PLC控制***与测量设备，实现自动控制测量、自动数据采集及自动分析处理，使***达到了高度自动化。
(4)本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***集成光学跟踪仪与高精度三维激光扫描仪，使***测量精度优于0.1mm。
(5)本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***集成PLC控制***和高精测三维扫描设备，有效解决了大型工件精密测量效率低、精度低的问题，实现了一种流水化、自动化、易扩展及较低成本的高精度工业测量***，是工业测量、三维扫描、机械自动化技术交叉融合的成功案例，有利于促进自动化工业测量、工业检测技术的发展。
附图说明
图1是本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***的主视图。
图2是本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***的侧视图。
图3是本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***的俯视图。
图4是机械坐标系与用户坐标系示意图。
图5是用户坐标系旋转平移示意图。
图6是本发明的工作流程图。
其中：
1：桁架立柱，2：主体桁架，3：Y轴伺服直线导轨，4：跟踪仪定位标志点，5：跟踪仪定位标志点支架，6：X轴伺服直线导轨支架，7：机械臂，8：扫描仪转接法兰，9：工控机，10：扫描仪，11：机械***控制柜，12：跟踪仪云台，13：跟踪仪支架，14：跟踪仪，15：工程塑料拖链，16：跟踪伺服直线导轨支架，17：跟踪伺服直线导轨，18：X轴伺服直线导轨，19：测量台。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施例对本发明作进一步详细描述。需要说明的是：下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
实施例一
由图1-3所示，本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，包括工控机9、机械***控制柜11、工字钢主框架、跟踪测量装置、测量台19以及跟踪仪定位标志单元；
所述的机械***控制柜11包括电源、PLC控制***、交换机、触摸屏等；
所述工控机9包括上位机软件，该上位机软件通过TCP/IP与所述机械***控制柜11中的PLC控制***连接，与PLC控制***进行交互通信(发送指令、接收反馈信号)；
所述工字钢主框架包括一水平放置且呈矩形的主体桁架2以及四根竖直设置在主体桁架2底部四顶角处的桁架立柱1，其安装的垂向精度小于1mm，水平精度小于3mm；
所述的跟踪测量装置包括扫描单元和跟踪单元，其中所述扫描单元包括平行设置在所述主体桁架2两侧的两条Y轴伺服直线导轨3、设置在所述两条Y轴伺服直线导轨3之间并与之垂直的X轴伺服直线导轨支架6、设置在所述X轴伺服直线导轨支架6上的X轴伺服直线导轨18、倒挂固定在所述X轴伺服直线导轨18上的机械臂7(型号为UR3的优傲机器人)以及通过扫描仪转接法兰8连接在机械臂7上的扫描仪10，该扫描仪10为高精度三维激光扫描仪，所述的X轴伺服直线导轨支架6能够在Y轴伺服直线导轨3上自由滑动、所述机械臂7能够在所述的X轴伺服直线导轨18上自由滑动，通过X轴伺服直线导轨支架6在Y轴伺服直线导轨3上的滑动、机械臂7在X轴伺服直线导轨18上的滑动以及通过机械臂7带动扫描仪10的精细动作，扫描获得待检工件的三维数据；
所述跟踪单元包括设置在所述工字钢主框架一侧并与所述Y轴伺服直线导轨3同向设置的跟踪伺服直线导轨支架16、设置在所述跟踪伺服直线导轨支架16上并与其同向的跟踪伺服直线导轨17、滑动连接在所述跟踪伺服直线导轨17上的可升降的跟踪仪支架13、固定在所述跟踪仪支架13顶端的跟踪仪云台12以及转动连接在所述跟踪仪云台12上的跟踪仪14，该跟踪仪14为光学跟踪仪；
多轴伺服直线导轨(包括X轴伺服直线导轨18、Y轴伺服直线导轨3和跟踪伺服直线导轨17)安装的垂向精度和水平精度均小于1mm，X轴伺服直线导轨18与Y轴伺服直线导轨3的夹角精度小于0.05°；
所述测量台19设置在所述工字钢主框架内，位于所述主体桁架2的下方，用于放置待测量的工件并固定其位置，测量台19底面设置有滑轨，在工字钢主框架外将待测工件放置完毕并固定后再将其推入工字钢主框架内，便于工件的拿取；
所述跟踪仪定位标志单元包括相对设置在所述测量台19两侧的跟踪仪定位标志点支架5以及设置在所述跟踪仪定位标志点支架5上的多个跟踪仪定位标志点4，两侧的所述跟踪仪定位标志点4朝向一致，位于所述测量台19左侧的跟踪仪定位标志点支架5结构侧视为F形，该F形的两根横杆右端设置有平面板状结构，所述跟踪仪定位标志点4均布于所述平面板状结构的表面；位于所述测量台19右侧的跟踪仪定位标志点支架5高度约等于所述跟踪仪支架13的高度，其上设置有平面板状结构，该平面板状结构上均布有多个跟踪仪定位标志点4，该跟踪仪定位标志点4朝向所述跟踪仪14设置，通过调整跟踪仪14的角度，使跟踪仪14的视野范围内前后都分布有足够数量的跟踪仪定位标志点4，便于给跟踪仪14定位；
所述的X轴伺服直线导轨支架6、机械臂7及跟踪仪支架13均通过工程塑料拖链15牵引；
所述的X轴伺服直线导轨18、Y轴伺服直线导轨3、机械臂7以及跟踪伺服直线导轨17的通信线缆和供电线缆均通过拖链牵引；
所述PLC控制***与多轴伺服和机械臂7之间通过TCP/IP连接，控制多轴伺服与机械臂7运动。
本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***集成PLC控制***与多轴伺服，使***具有更大的测量范围，同时具有良好的扩展性；集成小型人机协作机械臂，使***能完成更灵活更复杂的动作，同时还能防缠绕、防碰撞，使***具有更高的安全性。
实施例二
实施例一所述的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***的软件组成为：
上位机软件，包括控制模块和数据分析模块，其中数据分析模块可以根据不同的应用定制开发，也可以购买商业软件；
PLC控制程序，建立机械坐标系，保存***运行位置(调试)，与多轴伺服和机械臂通信控制；
机械臂控制程序，与PLC控制程序交互通信，保存精细扫描动作(调试)。
多轴伺服包括X轴伺服、Y轴伺服以及跟踪伺服，***运行过程中，多轴伺服按照调试的坐标运动(X，Y，L)运动，其中X表示X轴方向的坐标值，Y表示Y轴方向的坐标值，L表示跟踪伺服直线导轨17的坐标值，各轴运行到位后，PLC控制***再控制机械臂7按照调试的路径做精细动作，扫描获得所需要的数据。
如图6所示，一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***的控制流程(测量方法)为：上位机的控制模块启动扫描仪10与跟踪仪14——上位机的控制模块向PLC控制程序发送开始扫描信号——PLC控制程序控制多轴伺服运动至扫描位置(调试)——PLC控制程序向机械臂7发送信号运行精细扫描动作(调试)——PLC控制程序向上位机的控制模块发送完成扫描信号——上位机的控制模块等待并接收完成扫描信号——上位机的控制模块停止扫描仪10与跟踪仪14——上位机的控制模块自动获取扫描数据——上位机的数据分析模块进行自动分析处理。
实施例三
实施例二所述一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***的控制流程的具体实施过程为：
1、硬件安装，***安装位置严格按照设计图实施，工字钢主框架安装的垂向精度优于1mm，水平精度优于3mm；多轴伺服直线导轨安装的垂向精度和水平精度均优于1mm，X轴与Y轴夹角精度优于0.05°；
2、用户坐标系标定，先标定机械坐标系的参数，包括伺服参数、直线导轨参数等，然后利用待测工件标定用户坐标系，在待检工件上标出直角坐标系O-XY三个点，自定义工件坐标系上的三点坐标值(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，再控制X轴和Y轴运动到O-XY三点，记录对应的伺服坐标为(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)，由于X轴伺服直线导轨18与Y轴伺服直线导轨3安装存在一定的角度误差，如图4所示，因此两套坐标系的转换不能采用二维旋转平移公式，本发明采用仿射变换模型，如下：
计算出转换参数后，即确定了用户坐标系与机械坐标系的转换关系。
然后，再通过跟踪仪14获取跟踪定位标志点4的三维坐标(x′i，y′i，z′i)，该坐标为自由坐标系的坐标，利用这些定位标点，手动扫描待测工件，获取待测工件在该自由坐标系下的三维点云数据，并通过拟合算法获得用户坐标系O-XY三点的自由坐标系坐标(x′，y′，z′)，再将其转换到用户坐标系O-XY平面，Z＝0，采用三维旋转平移模型，如下：
计算得到转换矩阵后，再将定位标志点通过转换矩阵，转换到用户坐标系，实现测量坐标系与用户坐标系的统一，转换过程如下：
3、机械***路径调试，用户坐标系标定完成后，工件在O-XY平面上任意位置的用户坐标(x，y)都可以转换为机械坐标(X，Y)，由于安装误差和坐标系标定误差的影响，(X，Y)坐标与实际位置可能存在一定的偏差，因此***增加了改正数(dX，dY)，在调试过程中需要调试点位的偏差量(dX，dY)以及机械臂7的精细扫描动作，调试完成后将(x，y)坐标和偏差量(dX，dY)写入PLC存储。
4、待测工件定位，***在流水化检测过程中，需要将待测工件运输到检测工位，其位置偏差不能超过要求的阈值，然后利用扫描仪获得待测工件的框架数据，计算待测工件相对于调试工件的旋转平移值，如图5所示，然后再利用二维旋转平移模型计算调试点位(x+Dx，y+Dy)经过旋转平移后的位置，如下：
转换后的点位精度与旋转平移值的精度相关，因此点位精度可能存在一定的误差，但是误差一般很小，而且采用的扫描仪10为多线激光扫描仪，因此并不会影响数据采集的完整性。
本发明的一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***在安装调试完成后，能够实现大型工件的全自动三维激光扫描，自动获取工件的三维点云数据，对三维激光点云进行自动分析处理，自动生成尺寸检测成果；满足大型工件的自动化、流水化的测量需求，而且***具有良好的扩展性，在工业测量检测领域具有重要的应用前景。
为了易于说明、实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语、用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是、除了图中示出的方位之外、空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如、如果图中的装置被倒置、被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此、示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)、这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且、诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来、而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，其特征在于：包括工控机(9)、机械***控制柜(11)、工字钢主框架、跟踪测量装置、测量台(19)以及跟踪仪定位标志单元；
所述测量台(19)位于所述工字钢主框架内，用于放置待测量的工件并固定其位置；
所述的跟踪测量装置包括扫描单元和跟踪单元，其中所述扫描单元包括滑动连接在所述工字钢主框架上的机械臂(7)以及与所述机械臂(7)转动连接的扫描仪(10)，所述跟踪单元包括设置在所述工字钢主框架一侧并与其形成相对移动的跟踪仪(14)，通过机械臂(7)、扫描仪(10)与跟踪仪(14)的配合实现对所述测量台(19)上工件的全方位测量；
所述跟踪仪定位标志单元设置在所述测量台(19)旁，用于跟踪仪(14)的定位和测量坐标系的建立；
所述的机械***控制柜(11)包括电源、PLC控制***、交换机以及触摸屏；
所述工控机(9)与机械***控制柜(11)和跟踪测量装置之间通过TCP/IP连接。
2.根据权利要求1所述的基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，其特征在于：所述扫描单元还包括平行设置在所述工字钢主框架上的两条Y轴伺服直线导轨(3)、设置在所述两条Y轴伺服直线导轨(3)之间并与之垂直的X轴伺服直线导轨支架(6)以及设置在所述X轴伺服直线导轨支架(6)上的X轴伺服直线导轨(18)，所述机械臂(7)倒挂固定在所述X轴伺服直线导轨(18)上，通过所述工控机(9)和PLC控制***控制所述X轴伺服直线导轨(18)、Y轴伺服直线导轨(3)以及机械臂(7)的运动，通过扫描仪(10)获取待测工件的三维数据。
3.根据权利要求1或2所述的基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，其特征在于：所述跟踪单元还包括与所述Y轴伺服直线导轨(3)同向设置的跟踪伺服直线导轨支架(16)、设置在所述跟踪伺服直线导轨支架(16)上并与其同向的跟踪伺服直线导轨(17)以及滑动连接在所述跟踪伺服直线导轨(17)上的跟踪仪支架(13)，所述的跟踪仪(14)通过跟踪仪云台(12)与所述的跟踪仪支架(13)转动连接。
4.根据权利要求3所述的基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，其特征在于：所述的扫描仪(10)通过扫描仪转接法兰(8)连接在所述机械臂(7)的底端。
5.根据权利要求1所述的基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，其特征在于：所述工字钢主框架包括一水平放置且呈矩形的主体桁架(2)以及四根竖直设置在主体桁架(2)底部四顶角处的桁架立柱(1)。
6.根据权利要求1所述的基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，其特征在于：所述跟踪仪定位标志单元包括相对设置在所述测量台(19)两侧的跟踪仪定位标志点支架(5)以及设置在所述跟踪仪定位标志点支架(5)上的多个跟踪仪定位标志点(4)，两侧的所述跟踪仪定位标志点(4)朝向一致。
7.根据权利要求6所述的基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，其特征在于：位于所述测量台(19)左侧的跟踪仪定位标志点支架(5)结构侧视为F形，该F形的两根横杆右端设置有平面板状结构，所述跟踪仪定位标志点(4)均布于所述平面板状结构的表面。
8.根据权利要求3所述的基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，其特征在于：所述的X轴伺服直线导轨(18)、Y轴伺服直线导轨(3)、机械臂(7)以及跟踪伺服直线导轨(17)的通信线缆和供电线缆均通过拖链牵引。
9.根据权利要求1所述的基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***，其特征在于：所述测量台(19)下方的地面上铺设有轨道，测量台(19)底面设置有与所述轨道相匹配的导轨。
10.如权利要求1-9任一项所述的基于光学跟踪扫描仪和PLC控制***的桁架式工业测量***的测量方法，其特征在于：将待测工件置于测量台(19)上并固定位置，工控机(9)启动扫描仪(10)与跟踪仪(14)后，机械***控制柜(11)控制扫描仪(10)与跟踪仪(14)运动至扫描位置，然后控制机械臂(7)进行精细扫描动作，待扫描完成后自动获取工件的三维点扫描数据并进行自动分析处理；以上流程为一次完整的通信控制过程，扫描一个大型工件可能需要多个控制流程才能完成扫描，若有多个控制流程，最后将每次获取的数据合并为完整的数据后再进行自动分析处理，自动生成尺寸检测成果。
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