CN112629413A - 基于cad的线激光全自动扫描***及扫描方法 - Google Patents

基于cad的线激光全自动扫描***及扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CAD的线激光全自动扫描***及扫描方法，***中，转台可转动地支承被测物，机械臂基于扫描路径移动，线激光扫描仪经由夹持器固定于所述机械臂的端部，处理装置连接所述转台、机械臂和线激光扫描仪，处理装置基于完成运动仿真的扫描路径发送指令到机械臂以及所述线激光扫描仪，所述线激光扫描仪基于所述扫描路径扫描。

Description

基于CAD的线激光全自动扫描***及扫描方法
技术领域
本发明属于自动控制与三维扫描领域，特别是一种基于CAD的线激光全自动扫描***及扫描方法。
背景技术
近年来，随着三维测量技术的发展，对一些三维模型的逆向、三维检测、姿态追踪等技术也逐渐发展起来。但是对于一些大型零部件、特征复杂的零部件，扫描效率极其低下，且对工人的扫描经验也有很大的要求，因此依靠人工手动扫描实现精确扫描的难度极大。而基于三维模型的自动路径规划实现的高效、高精度、高自动化程度的自动扫描设备就可以解决这一难题，且避免了人为因素对扫描结果的影响。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中存在的扫描方式效率低下且存在人为误差问题，本发明提出一种基于CAD的线激光全自动扫描***及扫描方法，高效、全自动化，可以有效的对不同的模型实现全自动化的高精度扫描，且扫描过程无人参与以避免人为操作引起的扫描误差。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种基于CAD的线激光全自动扫描***，其包括，
转台，其可转动地支承被测物，
机械臂，其基于执行路径移动，
线激光扫描仪，其经由夹持器固定于所述机械臂的端部，
处理装置，其连接所述转台、机械臂和线激光扫描仪，所述处理装置包括，
坐标转换单元，其对被测物的CAD模型坐标转换，以使CAD模型坐标系与所述机械臂执行移动时的全局坐标系一致，所述全局坐标系以转台中心为原点，竖直向上为Y轴正向，指向机械臂的方向为Z轴正向，然后根据右手定则确定X轴的方向，
采样单元，其对所述CAD模型表面的曲面进行采样，以获取采样点，
校正单元，其校正所述采样点的方向，使得所述采样点的方向统一朝外，
路径生成单元，其计算并生成所述线激光扫描仪的扫描路径，
运动仿真单元，基于所述扫描路径运动仿真，
处理装置基于完成运动仿真的扫描路径发送指令到机械臂以及所述线激光扫描仪，所述线激光扫描仪基于所述扫描路径扫描。
所述的***中，所述采样单元包括计算被测物CAD模型表面采样点的计算单元。
所述的***中，所述校正单元根据每个采样点的邻域点计算出所述采样点处的平均方向向量nm，判断所述采样点的方向与平均方向向量nm的夹角，如果夹角超过预定阈值则反向所述采样点的方向。
所述的***中，所述CAD模型导入坐标转换单元以将CAD模型的坐标系转换成和全局坐标系的各个坐标轴的朝向一致，坐标原点的位置设置于安装位置以保证扫描时机械臂的执行路径和所述扫描路径一致。
所述的***中，网线连接处理装置和机械臂以基于TCP/IP协议进行数据传输，IO线连接所述转台和机械臂，通过控制卡以建立控制转台的启停的控制变量。
所述的***中，被测物固定在转台上，基于所述CAD模型的坐标系和全局坐标系一致确定被测物的安装姿态。
根据本发明另一方面，一种利用所述的基于CAD的线激光全自动扫描***的扫描方法包括以下步骤：
第一步骤，对被测物的CAD模型坐标转换，以使CAD模型坐标系与承载线激光扫描仪的机械臂执行移动时全局坐标系一致，
第二步骤，对CAD模型表面的曲面进行采样，以获取采样点，校正所述采样点的方向，使得所述采样点的方向统一朝外，
第三步骤，计算线激光扫描仪的扫描路径，删除扫描路径中冗余的点，
第四步骤，基于所述扫描路径运动仿真，
第五步骤，完成运动仿真的扫描路径传输到机械臂使得所述线激光扫描仪基于所述扫描路径扫描。
有益效果
本发明通过对CAD模型的分析计算实现扫描路径的自动规划，并通过自动化扫描***软件实现对执行硬件的控制，通过自动化扫描***软件、机械臂、转台的协同控制，大大提高了扫描效率。在执行扫描的过程中没有人员参与，避免了传统扫描过程中由于人为因素造成的扫描误差。本发明的自动化扫描***中所有硬件均由软件控制，自动化程度较高。实现了一种基于CAD模型的自动扫描***。本发明适用于对具有CAD数据模型的被测物进行自动化的三维扫描，具有高效率、高精度、高程度自动化、扫描过程无需人员操作的优点，有效的提高了物体三维扫描的自动化程度和测量效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1为本发明具体操作流程图；
图2为本发明***结构示意图；
图3为本发明自动扫描***的界面截图示意图；
图4(a)至图4(b)为CAD模型导入示意图，其中，图4(a)为打开模型示意图，图4(b)导入之后的模型示意图；
图5为全局坐标系示意图；
图6(a)至图6(b)为CAD模型的坐标转换示意图，图6(a)为参数设置的示意图，图6(b)为坐标转换结果的示意图；
图7(a)至图7(b)为CAD模型采样单元计算示意图，图7(a)为采样计算操作的示意图，图7(b)为采样点计算结果的示意图；
图8(a)至图8(d)为采样点方向校正示意图，图8(a)为单面翻转的操作的示意图，图8(b)为单面翻转结果的示意图，图8(c)为整体翻转前后对比图，图8(d)最终采样结果示意图；
图9(a)至图9(c)为扫描路径的计算和编辑示意图，图9(a)为计算路径的示意图，图9(b)为冗余路径示意图，图9(c)为编辑完成的路径示意图；
图10为运动仿真示意图；
图11为本发明***控制与通讯示意图；
图12为本发明机械臂执行运动的控制示意图；
图13为利用本***扫描结果示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图13更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
如图2所示，一种基于CAD的线激光全自动扫描***包括，
转台1，其可转动地支承被测物2，
机械臂3，其基于执行路径移动，
线激光扫描仪5，其经由夹持器4固定于所述机械臂3的端部，
处理装置6，其连接所述转台1、机械臂3和线激光扫描仪5，所述处理装置6包括，
坐标转换单元，其对被测物2的CAD模型坐标转换，以使CAD模型坐标系与所述机械臂3执行移动时的全局坐标系一致，
采样单元，其对所述CAD模型表面的曲面进行采样，以获取采样点，
校正单元，其校正所述采样点的方向，使得所述采样点的方向统一朝外，
路径生成单元，其计算并生成所述线激光扫描仪5的扫描路径，
运动仿真单元，基于所述扫描路径运动仿真，
处理装置6基于完成运动仿真的扫描路径发送指令到机械臂3以及所述线激光扫描仪5，所述线激光扫描仪5基于所述扫描路径扫描。
所述的***的优选实施方式中，所述采样单元包括计算被测物2的CAD模型表面采样点的计算单元。
所述的***的优选实施方式中，所述校正单元根据每个采样点的邻域点计算出所述采样点处的平均方向向量nm，判断所述采样点的方向与平均方向向量nm的夹角，如果夹角超过预定阈值则反向所述采样点的方向。
所述的***的优选实施方式中，所述CAD模型导入坐标转换单元以将CAD模型的坐标系转换成和全局坐标系的各个坐标轴的朝向一致，坐标原点的位置设置于安装位置以保证扫描时机械臂3的执行路径和所述扫描路径一致。
所述的***的优选实施方式中，网线连接处理装置6和机械臂3以基于TCP/IP协议进行数据传输，IO线连接所述转台1和机械臂3，通过控制卡以建立控制转台1的启停的控制变量。
所述的***的优选实施方式中，被测物2固定在转台1上，基于所述CAD模型的坐标系和全局坐标系一致确定被测物2的安装姿态。
所述的***的优选实施方式中，所述机械臂3经由机械臂3底座7固定于支撑座8上。
如图1所示，一种利用所述的基于CAD的线激光全自动扫描***的扫描方法包括以下步骤：
第一步骤，对被测物2的CAD模型坐标转换，以使CAD模型坐标系与承载线激光扫描仪5的机械臂3的全局坐标系一致，所述全局坐标系以转台中心为原点，竖直向上为Y轴正向，指向机械臂的方向为Z轴正向，然后根据右手定则确定X轴的方向，
第二步骤，对CAD模型表面的曲面进行采样，以获取采样点，校正所述采样点的方向，使得所述采样点的方向统一朝外，
第三步骤，计算线激光扫描仪5的扫描路径，删除扫描路径中冗余的点，
第四步骤，基于所述扫描路径运动仿真，
第五步骤，完成运动仿真的扫描路径传输到机械臂3使得所述线激光扫描仪5基于所述扫描路径扫描。
为了进一步理解本发明，在一个实施例中，本***的处理装置6如图3所示，坐标转换单元中，坐标转换与参数设置：导入被测物2的CAD模型到自动化扫描***控制软件，并进行坐标系转换以使模型坐标系与机械臂3执行移动时的全局坐标系一致，具体步骤为：
(1)导入模型：如图4(a)所示，首先点击处理装置6中的打开模型按钮导入被测物2的CAD模型到坐标转换单元中，导入后的模型如图4(b)所示；
(2)定义全局坐标系：为了便于扫描和坐标系之间的对齐，以转台1中心为坐标原点，竖直向上为Y轴，指向机械臂3的方向为Z轴，然后根据右手定则确定X的方向，如图5所示。进一步地，实际上全局坐标系就是一个机械臂执行时的坐标系，因此全局坐标系并不唯一，只需保证机械臂3执行时的坐标系和CAD模型的坐标系一致即可。
(3)CAD模型的坐标转换：确定好全局坐标系后，CAD模型的坐标系要根据其安装位置来确定以使CAD模型坐标系和全局坐标系基本重合。如图6(a)所示，点击处理装置6的参数设置按钮利用坐标转换单元实现坐标系的原点的平移和坐标轴的旋转把CAD模型的坐标系转换成和全局坐标系的各个坐标轴的朝向一致。转换结果如图6(b)所示，该模型的竖直方向为Y轴，Z轴朝着机械臂3的方向，模型安装在转盘上的时候模型坐标系的Z轴和全局坐标系的Z轴对齐以及两个坐标系的原点对齐，即可保证扫描时机械臂3的执行路径和计算路径一致。
(4)参数设置：如图6(a)所示，本***中除了坐标系转换之外还需设置的参数只有两个，一个是转台设置中的路径分组，一个是计算参数中的采样间隔。其中，路径分组参数是用于确定扫描路径的分组数，采样间隔参数用于确定两个相邻采样点的距离以此来控制采样点的密度。
采样单元中，CAD模型的采样计算：计算被测物2CAD模型表面采样点，并对反向的点进行方向的翻转，其中，
(1)采样计算：如图7(a)所示，首先在处理装置6中用鼠标选中整个模型，然后利用采样单元实现对整个模型的采样。采样结果如图7(b)所示，整个模型基本上都被正确的采样，但是存在两个面的采样方向反了，因此需要单面翻转这些面的法向。
(2)采样点方向校正：采样点方向校正存在两个部分，一是单面翻转，二是整个模型的翻转。单面翻转的操作步骤如图8(a)所示，先点击拾取模式按钮中的拾取面，然后点击采样方向反了的面，再点击模型采样按钮下的单面翻转，实现单面采样方向的校正，一个面的校正结果如图8(b)所示。整个模型的方向校正是为了保证采样点方向全部或大部分反了之后快速的对所有采样点的方向进行翻转，翻转前后示意图如图8(c)所示。通过整体的翻转和单面翻转可以把整个模型的采样方向校正到全部朝外，最终采样结果如图8(d)所示。
路径生成单元中，扫描路径的计算和编辑的方法具体为：计算出扫描仪5的扫描路径，并删除冗余的路径点，具体为：
(1)计算扫描路径：首先选中整个模型，然后点击软件中的计算路径，计算结果如图9(a)所示。
(2)扫描路径编辑：对于路径中存在比较密集或多层路径的情况时，需要对路径进行编辑。实现方法是先点击处理装置6中拾取模式下的拾取点按钮，然后用鼠标选择冗余的路径，再点击删除多余路径点按钮实现路径的编辑，操作过程和编辑结果如图9(b)和图9(c)所示。
运动仿真单元中，路径的运动仿真：通过处理装置6把所示扫描路径传输到运动仿真单元中进行运动的仿真，检验扫描路径的安全性，(1)场景建模：导入被测物2的CAD模型，机械臂3模型以及场景模型导入运动仿真单元中，实现扫描场景进行建模；
(2)实现单元之间的通讯：处理装置6通过ABB公司提供的SDK来实现与运动仿真单元中rapid控制程序的通讯；
(3)路径仿真：如图10所示，点击处理装置6中的运动仿真按钮，把所述扫描路径点逐个传输到运动仿真单元中的rapid控制程序中，通过rapid程序来接收路径信息并控制机械臂3按照扫描路径进行运动，同时监测机械臂3的运动过程中扫描仪5与被测物2的碰撞以及扫描仪5与机械臂3自身的碰撞情况；
执行扫描：首先连接好硬件***并建立准确的工件坐标系，然后通过处理装置6把完成运动仿真的扫描路径传输到机械臂3中进行扫描，具体为：
(1)建立全局坐标系：操作机械臂3以建立第一步中定义的全局坐标系，并把该坐标系作为机械臂3的执行坐标系；
(2)连接硬件***：首先，通过一根网线连接电脑和机械臂3，利用TCP/IP协议进行路径点的传输；然后利用一根IO线连接转台1和机械臂3，通过D652控制卡在机械臂3控制***中建立一个控制变量来控制转台1的启停；然后打开扫描仪5，并用夹持器4把扫描仪5固定在机械臂3的执行末端；最后，把被测物2固定在转台1上，并按照CAD模型的坐标系和全局坐标系一致的原则来确定被测物2的安装姿态。***硬件连接示意图如图11所示。
(3)执行扫描：如图12所示，通过处理装置6连接上机械臂3，并点击软件中的机械臂3运动控制下的执行运动按钮把扫描路径传输到机械臂3的rapid控制程序中使机械臂3按照预定路径运动。最终扫描结果如图13所示。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (7)

1.一种基于CAD的线激光全自动扫描***，其包括，
转台，其可转动地支承被测物，
机械臂，其基于扫描路径移动，
线激光扫描仪，其经由夹持器固定于所述机械臂的端部，
处理装置，其连接所述转台、机械臂和线激光扫描仪，所述处理装置包括，
坐标转换单元，其对被测物的CAD模型坐标转换，以使CAD模型坐标系与所述机械臂执行移动时的全局坐标系一致，所述全局坐标系以转台中心为原点，竖直向上为Y轴正向，指向机械臂的方向为Z轴正向，然后根据右手定则确定X轴的方向，
采样单元，其对所述CAD模型表面的曲面进行采样，以获取采样点，
校正单元，其校正所述采样点的方向，使得所述采样点的方向统一朝外，
路径生成单元，其计算并生成所述线激光扫描仪的扫描路径，
运动仿真单元，基于所述扫描路径运动仿真，
处理装置基于完成运动仿真的扫描路径发送指令到机械臂以及所述线激光扫描仪，所述线激光扫描仪基于所述扫描路径扫描。
2.根据权利要求1所述的***，其中，优选的，所述采样单元包括计算被测物CAD模型表面采样点的计算单元。
3.根据权利要求1所述的***，其中，所述校正单元根据每个采样点的邻域点计算出所述采样点处的平均方向向量，判断所述采样点的方向与平均方向向量的夹角，如果夹角超过预定阈值则反向所述采样点的方向。
4.根据权利要求1所述的***，其中，所述CAD模型导入所述坐标转换单元以将CAD模型的坐标系转换成和全局坐标系的各个坐标轴的朝向一致，坐标原点的位置设置于安装位置以保证扫描时机械臂的执行路径和所述扫描路径一致。
5.根据权利要求1所述的***，其中，网线连接处理装置和机械臂以基于TCP/IP协议进行数据传输，IO线连接所述转台和机械臂，通过控制卡以建立控制转台的启停的控制变量。
6.根据权利要求1所述的***，其中，被测物固定在转台上，基于所述CAD模型的坐标系和全局坐标系一致确定被测物的安装姿态。
7.一种利用如权利要求1-6中任一项所述的基于CAD的线激光全自动扫描***的扫描方法，所述方法包括以下步骤：
第一步骤，对被测物的CAD模型坐标转换，以使CAD模型坐标系与承载线激光扫描仪的机械臂执行移动时的全局坐标系一致，
第二步骤，对CAD模型表面的曲面进行采样，以获取采样点，校正所述采样点的方向，使得所述采样点的方向统一朝外，
第三步骤，计算线激光扫描仪的扫描路径，删除扫描路径中冗余的点，
第四步骤，基于所述扫描路径运动仿真，
第五步骤，完成运动仿真的扫描路径传输到机械臂使得所述线激光扫描仪基于所述扫描路径扫描。
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