CN112461127A - 一种双曲外板成型检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种双曲外板成型检测装置及方法。在地面上设置平行排列的轨道，轨道上架设沿其自由滑行的移动门架，移动门架通过六轴机械手连接有线激光扫描测量装置；轨道两侧的地面上阵列有地面靶标，轨道一侧设置有双目相机支撑装置并安装有双目相机Ⅰ；被测工件放置于两轨道之间，设备四柱机架上设置有双目相机Ⅱ；地面靶标、线激光扫描测量装置上标靶、双目相机Ⅰ和双目相机Ⅱ布置建立测量基准网络，线激光扫描测量装置发出测量激光线对被测工件进行扫描，在软件***逆向建模比对，输出测量结果。本发明采用地面标靶建立测量基准网的方式，在不贴标靶的情况下，测量被加工工件曲面形值。适宜作为双曲外板成型检测的装置及方法应用。

Description

一种双曲外板成型检测装置及方法

技术领域

本发明涉及船舶领域的结构检测，特别是涉及一种双曲外板成型检测装置及方法。

背景技术

船舶复杂曲面外板柔性成型指通过多点柔性成型弯板机对复杂双曲率船舶外板进行冷压加工成型，该方法为近年来新兴的一种成型工艺方法，一定程度上替代了传统的水火弯板成型方法，提高了船舶双曲率外板成型效率及双曲率外板成型后的板材力学性能。

目前，复杂曲面柔性弯板机弯曲工件成型后，对于成型工件的测量方法大致有两大类。一是传统的样箱测量方法，其测量精度低，且需要施工人员搬运样箱，费时费力，测量的偏差依靠目测，测量稳定性差。在传统测量方法下，严重限制了多点柔性成型下模调形的工艺路线，调形与测量没有数据联系，导致只能开环的试错式调整下模形状，严重制约了加工效率及加工精度。另一种是数字化的测量方法，通常采用激光点测量、激光线测量的方式对加工过程中和加工后曲面形状进行测量。但是，当前的数字化测量方式存在弊端，一是激光点测量效率低，需要在被测工件上“画龙”，当测量一个宽度2m，长度2米的工件时，通常需要15-20分钟。二是激光线测量仅局限在工件加工区域内，对于长板测量精度无法保证。除此之外，当前复杂区面板数字化测量精度通常在1mm以内，如果提高精度需要对被测工件贴大量反光标靶，每测不同工件需要重新在工件上贴标靶，测量效率大幅降低。当测量效率低于使用样箱测量时，施工人员通常不会选择使用数字化测量装置。导致数字化测量装置的精度优势也无法发挥。

发明内容

为了实现曲板外板的快速和准确测量，本发明提出一种双曲外板成型检测装置及方法。通过布置地面标靶建立测量基准网的方式，有效解决在不贴标靶的情况下，高精度的测量被加工工件曲面形值。同时解决长板快速高精度测量问题，可实现宽度2.2米，长度6m范围内的双曲工件的快速高精度测量；可实现测量区域0～3m长零件测量速度在1min以内，6m范围内的测量速度在3min以内测量完成；同时，还可实现测量数据与工艺数据的存储与分析以及测量形值的逆向建模以及驱动设备下模调形，大幅提高复杂曲面柔性成型加工件测量精度和效率，为弯曲加工工艺优化提供了良好的支撑。适宜作为曲板外板的测量装置及测量方法应用。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

一种双曲船体外板成型检测装置包括线激光扫描测量装置、六轴机械手、移动门架、轨道、地面靶标、双目相机支撑结构、双目相机Ⅰ、设备四柱机架和双目相机Ⅱ；在地面上设置平行排列的轨道，轨道上架设沿其自由滑行的移动门架，移动门架通过六轴机械手连接有线激光扫描测量装置；轨道两侧的地面上阵列有地面靶标，轨道一侧设置有双目相机支撑装置并安装有双目相机Ⅰ；被测工件放置于两轨道之间，并笼罩在设备四柱机架框架下，设备四柱机架上设置有双目相机Ⅱ；移动门架和线激光扫描测量装置上均设置有永久反光标靶，地面靶标、线激光扫描测量装置上标靶、双目相机Ⅰ和双目相机Ⅱ布置建立测量基准网络，线激光扫描测量装置发出测量激光线对被测工件进行扫描，在软件***逆向建模比对，输出测量结果。

为了进一步解决本发明所要解决的技术问题，本发明提供的六轴机械手中，所述六轴机械手坐落在移动门架上，并带动线激光扫描测量装置在轨道上沿着轨道方向移动，六轴机械手的旋转半径包含被测工件宽度一半以上，在整个旋转范围内带动线激光扫描测量装置测量全板宽度曲面形状。

进一步的，所述双目相机Ⅰ连接在双目相机支撑结构上，可以对3～6m范围内的拍照测量定位，提供长板快速测量功能。

进一步的，所述双目相机Ⅱ与设备四柱机架连接，可以对弯板区域0～3m范围内进行测量。

一种双曲外板成型检测方法，该方法按如下步骤实现：

（1）根据地面靶标、线激光扫描测量装置上标靶、双目相机Ⅰ、双目相机Ⅱ的布置建立测量基准网络；测量基准网可实现对待测空间提供测量基准的功能，为后续测量过程中线激光扫描测量装置空间位置定位基准；同时，在基准网的加持下，移动门架的移动可以不用考虑通过机械方式定位，移动门架只作为行走机构行走，测量曲面的结果不需依据移动机械的机械位置数据定位；为移动门架快速行走，不影响测量精度提供基础。

（2）测量前，先在测量***中输入被测工件的原始数模，***提取被测工件模型的尺寸信息后，自动规划六轴机械手的最快扫面路径，以实现全板的快速高精度测量；当移动门架到达任意适当位置后，六轴机械手上的线激光扫描测量装置发出测量激光线，并开始自动寻位，当确定一个初始位置后，开始按照预定路线快速扫描。

（3）通常一个2.2m宽被测工件需要线激光扫描测量装置测量头分左右半面折返测量一次；移动门架停靠一次，可以实现移动门架两侧的2.2m范围内工件测量；6m范围测量工件只需移动移动门架一次，进行一次折返即可；通常，每次最大范围的折返会在20s以内完成；外加移动门架运动3m距离细节时间，最大范围测量会在3min以内完成，并实现结果输出。

（4）线激光扫描测量装置发出的激光线是由多跟激光线组合而成的，提高了测量定位精度，配合地面永久基准网的高精度测量基准；装置测量精度可实现≤0.5mm。

（5）激光线扫描后的曲面形状会在软件***内自动逆向建模，软件***可将逆向建模的曲面与理论工件曲面进行比对，并提供剖面比对结果输出；同时，可提供矩阵式各个点位与理论曲面偏差数值；当偏差达到弯曲成型公差范围以内时，通常为±2mm，判断加工完成，并输出测量结果报告；若未完全打标时，将测量偏差通过一定的数字关系转换为下模调形数据，驱动下一次复杂曲面完成加工离散模型调形。

（6）软件***可实现材质、厚度、曲率范围和形状分类加工工件信息，弯曲调形次数和调形幅度加工工艺信息，测量偏差、是否合格测量信息的存储和数据分析，积累加工经验信息；当加工类似状况工件时，会推送一个前期已有加工成功经验的调形加工参数和路线，作为参考；以辅助提高弯曲加工精度和效率。

积极效果，由于本发明采用布置地面标靶建立测量基准网的方式，有效解决了在不贴标靶的情况下，高精度的测量被加工工件曲面形值，解决了长板快速高精度测量问题；同时，可实现测量数据与工艺数据的存储与分析以及测量形值的逆向建模以及驱动设备下模调形，大幅提高复杂曲面柔性成型加工件测量精度和效率，为弯曲加工工艺优化提供了良好的支撑。适宜作为一种双曲外板成型检测装置及方法应用。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图。

图中：1.线激光扫描测量装置，2.六轴机械手，3.移动门架，4.轨道，5.地面靶标，6.双目相机支撑结构，7.双目相机Ⅰ，8.双目相机Ⅱ，9.设备四柱机架，10.被测工件，11.地面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

据图所示，一种双曲船体外板成型检测装置：

（1）该装置主要由线激光扫描测量装置1、六轴机械手2、移动门架3、轨道4、地面靶标5、双目相机支撑结构6、双目相机Ⅰ7、双目相机Ⅱ8、设备四柱机架9、被测工件10、地面11组成。

（2）线激光扫描测量装置1与六轴机械手2末端通过连接工装连接，线激光扫描测量装置1上设置永久反光标靶，以便于线激光扫描装置1的实时位置可被定位；其自身可发出线激光，是测量被测工件曲面形状的主要测量装置。

（3）六轴机械手2底端与移动门架3连接，其可带动线激光扫描测量装置1在轨道4上沿着轨道方向移动，六轴机械手2的旋转半径大于被测工件10宽度的二分之一，即在整个旋转范围内可带动线激光扫描测量装置1测量全板宽度曲面形状；移动门架3连接上布置有永久反光标靶。

（4）在地面11上均匀布置地面靶标5，其功能是为提供一个测量基准网。

（5）双目相机支撑结构6安装在地面上，双目相机Ⅰ7与双目相机支撑结构6连接。

（6）双目相机Ⅰ7可以对3～6m范围内的拍照测量定位，提供长板快速测量功能。

（7）双目相机Ⅱ8与设备四柱机架9连接，可以对弯板区域0～3m范围内进行测量。

（8）设备四柱机架9是复杂曲面柔性弯板机的四柱机架。

一种双曲外板成型检测方法，该方法按如下步骤实现：

（1）根据地面靶标5、线激光扫描测量装置1上标靶、双目相机Ⅰ7、双目相机Ⅱ8的布置建立测量基准网络；测量基准网可实现对待测空间提供测量基准的功能，为后续测量过程中线激光扫描测量装置1空间位置定位基准；同时，在基准网的加持下，移动门架3的移动可以不用考虑通过机械方式定位，移动门架3只作为行走机构行走，测量曲面的结果不需依据移动机械的机械位置数据定位；为移动门架3快速行走，不影响测量精度提供基础。

（2）测量前，先在测量***中输入被测工件10的原始数模，***提取被测工件10模型的尺寸信息后，自动规划六轴机械手2的最快扫面路径，以实现全板的快速高精度测量；当移动门架3到达任意适当位置后，六轴机械手2上的线激光扫描测量装置1发出测量激光线，并开始自动寻位，当确定一个初始位置后，开始按照预定路线快速扫描。

（3）通常一个2.2m宽被测工件10需要线激光扫描测量装置1测量头分左右半面折返测量一次；移动门架3停靠一次，可以实现移动门架3两侧的2.2m范围内工件测量；6m范围测量工件只需移动移动门架3一次，进行一次折返即可；通常，每次最大范围的折返会在20s以内完成；外加移动门架3运动3m距离细节时间，最大范围测量会在3min以内完成，并实现结果输出。

（4）线激光扫描测量装置1发出的激光线是由多根激光线组合而成的，提高测量定位精度，配合地面永久基准网的高精度测量基准；装置测量精度可实现≤0.5mm。

（5）激光线扫描后的曲面形状会在软件***内自动逆向建模，软件***可将逆向建模的曲面与理论工件曲面进行比对，并提供剖面比对结果输出；同时，可提供矩阵式各个点位与理论曲面偏差数值；当偏差达到弯曲成型公差范围以内时，通常为±2mm，判断加工完成，并输出测量结果报告；若未完全达标时，将测量偏差通过一定的数字关系转换为下模调形数据，驱动下一次复杂曲面完成加工离散模型调形。

（6）软件***可实现材质、厚度、曲率范围和形状分类加工工件信息，弯曲调形次数和调形幅度加工工艺信息，测量偏差、是否合格测量信息的存储和数据分析，积累加工经验信息；当加工类似状况工件时，会推送一个前期已有加工成功经验的调形加工参数和路线，作为参考；以辅助提高弯曲加工精度和效率。

具体实施例：

对某船舶双曲面外板进行测量，宽度2m，长度6m。其他工艺参数并不对测量装置产生额外影响，不再赘述。

（1）打开加工设备测量功能，启动坐标系，照相机自动核对各个永久地面标靶5的实际状态是否在位，有遮挡、损坏，是否有不可忽略的位置偏差，沉降等，当一切状况良好，测量装置具备测量条件，可以正常工作，如存在遮挡和损坏，考虑移动遮挡或更换永久地面标靶5，如沉降过大，需要重新标校测量基准网各永久标靶的位置数据信息；通常六个月需要维护一次永久地面标靶5的沉降，标校一次位置信息即可。

（2）将待测工件的理论三维模型导入到加工设备***中，同时导入到测量装置***中，通过推荐的可参照数据开始弯板加工；弯曲一次后，板材回弹，开始测量，测量***根据理论模型自动规划测量路径。

（3）开动移动门架3至被测工件10约四分之一长度位置，线激光扫描测量装置1发射激光线，六轴机械手2开始寻位、测量，此时双目相机Ⅰ7、双目相机Ⅱ8配合开始工作；一个往返后，六轴机械手2的一轴旋转至移动门架3的另一侧，再次往返测量。

（4）测量完成后，开动移动门架3至被测工件10约四分之三长度位置，并重复（3）步骤，完成整板测量；测量***输出测量模型与理论模型曲面的偏差数据，数据以矩阵形式表达，矩阵长宽间距信息可通过***自定义。

（5）如有细节的数据需求，可通过测量软件单独识别某一点的偏差数据或某一剖面的偏差数据；如无需求，测量装置将测量偏差通过回弹-加载数学公式转换为柔性弯曲设备下模伺服电机调形数据，驱动第二次调形。

（6）若未加工至合格公差，则重复（3）～（5）步骤，直至加工至合格工厂，输出检测报告，并将系列测量数据及工艺参数信息存储，供后续加工参数建议。

本发明的特点：

（1）、提高了复杂曲面柔性弯曲成型加工过程和完工的测量精度及测量效率，可实现6米长度工件3min内快速测量，测量精度≤0.5mm；

（2）、实现了测量路径的自动寻位和路径规划，测量过程自动化程度高，大幅降低了施工人员劳动强度；

（3）、建立了高精度的测量基准网，测量过程中无需在工件上布设临时标靶，进一步提高了效率，简化了测量工序；

（4）、可实现理论曲面与测量曲面的点、线剖切测量及分析，并可实现测量数据和工艺数据的存储和综合分析，对于类似工件的加工工艺参数及加工路线有建议功能，可对复杂曲面柔性弯曲成型工艺优化提供支撑；

（5）、可根据测量数据计算出的与理论值偏差，通过一定的数学计算，转换为复杂曲面下模调形数据，并驱动下模调形，实现了测量数据指导调形的闭环自动化控制。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双曲外板成型检测装置，其特征是：包括线激光扫描测量装置（1）、六轴机械手（2）、移动门架（3）、轨道（4）、地面靶标（5）、双目相机支撑结构（6）、双目相机Ⅰ（7）、设备四柱机架（9）和双目相机Ⅱ（8）；在地面（11）上设置平行排列的轨道（4），轨道（4）上架设沿其自由滑行的移动门架（3），移动门架（3）通过六轴机械手（2）连接有线激光扫描测量装置（1）；轨道（4）两侧的地面（11）上阵列有地面靶标（5），轨道（4）一侧设置有双目相机支撑装置并安装有双目相机Ⅰ（7）；被测工件（10）放置于两轨道（4）之间，并笼罩在设备四柱机架（9）框架下，设备四柱机架（9）上设置有双目相机Ⅱ（8）；移动门架（3）和线激光扫描测量装置（1）上均设置有永久反光标靶，地面靶标（5）、线激光扫描测量装置（1）上反光标靶、双目相机Ⅰ（7）和双目相机Ⅱ（8）布置建立测量基准网络，线激光扫描测量装置（1）发出测量激光线对被测工件（10）进行扫描，在软件***逆向建模比对，输出测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种双曲外板成型检测装置，其特征是：

所述六轴机械手（2）坐落在移动门架（3）上，并带动线激光扫描测量装置（1）在轨道（4）上沿着轨道方向移动，六轴机械手（2）的旋转半径大于被测工件（10）宽度的二分之一，在整个旋转范围内带动线激光扫描测量装置（1）测量全板宽度曲面形状。

3.根据权利要求1所述的一种双曲外板成型检测装置，其特征是：

所述双目相机Ⅰ（7）连接在双目相机支撑结构（6）上，可以对3～6m范围内的拍照测量定位，提供长板快速测量功能。

4.根据权利要求1所述的一种双曲外板成型检测装置，其特征是：

所述双目相机Ⅱ（8）与设备四柱机架（9）连接，可以对弯板区域0～3m范围内进行测量。

5.一种应用权利要求1所述的一种双曲外板成型检测装置的方法，其特征是：一种双曲外板成型检测方法，该方法按如下步骤实现：

1）、根据地面靶标（5）、线激光扫描测量装置（1）上标靶、双目相机Ⅰ（7）、双目相机Ⅱ（8）的布置建立测量基准网络；测量基准网可实现对待测空间提供测量基准的功能，为后续测量过程中线激光扫描测量装置（1）空间位置定位基准；同时，在基准网的加持下，移动门架（3）的移动可以不用考虑通过机械方式定位，移动门架（3）只作为行走机构行走，测量曲面的结果不需依据移动机械的机械位置数据定位；为移动门架（3）快速行走，不影响测量精度提供基础；

2）、测量前，先在测量***中输入被测工件（10）的原始数模，***提取被测工件（10）模型的尺寸信息后，自动规划六轴机械手（2）的最快扫面路径，以实现全板的快速高精度测量；当移动门架（3）到达任意适当位置后，六轴机械手（2）上的线激光扫描测量装置（1）发出测量激光线，并开始自动寻位，当确定一个初始位置后，开始按照预定路线快速扫描；

3）、通常一个2.2m宽被测工件（10）需要线激光扫描测量装置（1）测量头分左右半面折返测量一次；移动门架（3）停靠一次，能够实现移动门架（3）两侧的2.2m范围内工件测量；6m范围测量工件只需移动移动门架（3）一次，进行一次折返即可；通常，每次最大范围的折返会在20s以内完成；外加移动门架（3）运动3m距离细节时间，最大范围测量会在3min以内完成，并实现结果输出；

4）、线激光扫描测量装置（1）发出的激光线是由多根激光线组合而成的，提高了测量定位精度，配合地面永久基准网的高精度测量基准；装置测量精度可实现≤0.5mm；

5）、激光线扫描后的曲面形状会在软件***内自动逆向建模，软件***可将逆向建模的曲面与理论工件曲面进行比对，并提供剖面比对结果输出；同时，可提供矩阵式各个点位与理论曲面偏差数值；当偏差达到弯曲成型公差范围以内时，通常为±2mm，判断加工完成，并输出测量结果报告；若未完全达标时，将测量偏差通过一定的数字关系转换为下模调形数据，驱动下一次复杂曲面完成加工离散模型调形；

6）、软件***可实现材质、厚度、曲率范围和形状分类加工工件信息，弯曲调形次数和调形幅度加工工艺信息，测量偏差、是否合格测量信息的存储和数据分析，积累加工经验信息；当加工类似状况工件时，会推送一个前期已有加工成功经验的调形加工参数和路线，作为参考，以辅助提高弯曲加工精度和效率。

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