CN116067302A - 基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***及方法，包括阵列平台组件、三维激光扫描仪、六轴机械臂、多个可升降支架组件以及多个可升降靶标组件；所述六轴机械臂滑动设置在阵列平台组件上；所述三维激光扫描仪设置在六轴机械臂上；所述可升降靶标组件设置在阵列平台组件上；所述可升降支架组件设置在可升降靶标组件上，且可升降支架组件用于放置待测管件。本发明基于激光扫描的管件三维尺寸高精度自动全域扫描检测***，提高三维弯曲管件检测精度及效率。

Description

基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***及方法

技术领域

本发明涉及全域扫描检测的技术领域，具体地，涉及一种基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***及方法。尤其是，优选的涉及一种基于激光扫描的管件三维尺寸高精度自动全域扫描检测***。

背景技术

随着航空航天领域的快速发展，金属导管广泛应用于航天器推进***及流体回路***中，作为航天器的血管广泛分布进行工质的运输传递。为保证导管长寿命工作时的可靠性，需保证成形精度及装配密封性，为此管件成形后需开展三维成形精度检验。

一般情况下，管件成形尺寸可采用卡尺、高度尺等工具检测，但存在检测精度低，效率低，旋转角等特殊尺寸不可测等问题。若通过三维激光扫描检测时，通常将产品放置于贴满靶标的平面上，一方面产品贴于平面上的部分由于激光扫描不到因此导致轮廓检测不全，另一方面由于三维管材在高度方向上尺寸过大离靶标平面较远，已经脱离了三维激光扫描仪的景深测量范围，为此高度方向上的轮廓存在不可检测的问题，此外，若采用分区多次扫描检测进行拼接的方法则会在拼接拟合时引入新的误差，进而降低了检测精度。

三维激光扫描检测***具有带靶标的及不带靶标两种形式，由于不带靶标的扫描检测***检测精度较低，现今一般将产品放置于贴满靶标的平面上，用激光扫描检测仪扫描解算形成待测物轮廓点云，然而，一方面由于产品底部贴于平面上的部分由于激光扫描探测不到因此导致轮廓检测不全，另一方面由于三维管材在高度方向上尺寸过大离靶标平面较远，已经脱离了三维激光扫描仪的景深测量范围，为此高度方向尺寸过大脱离了检测范围其轮廓存在不可检测的问题。当然，也可以将靶标贴于待测物表面，但会增大工作量减小效率且增加多余物。此外，若采用局部分区多次扫描检测然后进行拼接的方法则会在拼接时引入新的误差，进而降低了检测精度。

三维激光扫描仪多为手持式，其中(公开号为CN107367242A的中国发明专利文献公开了一种激光三维扫描检测仪)发明了机械人自动激光扫描***，但该***工作范围受机器人工作范围限制，为此存在检测范围及尺寸小的问题。其中(公开号为CN204575030U的中国实用新型专利文献公开了一种三维激光全自动扫描测量***)发明了一种带导轨的机械人***，实现了测量范围的扩展，但该专利文献只能实现从上往下的扫描检测的问题，依然不解决待测物底面及侧面不可检的问题。

公开号为CN217504710U的中国实用新型专利文献公开了一种三维激光扫描检测仪，包括固定支撑底架，所述固定支撑底架的上表面呈T字形结构设有多个凹字形把手，所述固定支撑底架的上表面前侧设有用于控制工作和电源提供的惯性导航***，所述固定支撑底架的上表面靠近惯性导航***的后侧设有固定推杆，所述固定推杆的上侧外安装有太阳能软板，所述固定支撑底架的上表面中部设有光伏储蓄电池，所述光伏储蓄电池的上表面设有用于扫描检测工作的三维激光扫描仪主体，所述固定支撑底架的下表面呈三角形架构固定连接有三个第二通孔支撑块，所述固定支撑底架的两端靠近第二通孔支撑块的外设有三个伸缩支撑块，三个所述伸缩支撑块和三个第二通孔支撑块之间转动套接有电动轮。

针对上述中的相关技术，发明人认为上述检测***的检测精度及效率较低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***及方法。

根据本发明提供的一种基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，包括阵列平台组件、三维激光扫描仪、六轴机械臂、多个可升降支架组件以及多个可升降靶标组件；

所述六轴机械臂滑动设置在阵列平台组件上；

所述三维激光扫描仪设置在六轴机械臂上；

所述可升降靶标组件设置在阵列平台组件上；

所述可升降支架组件设置在可升降靶标组件上，且可升降支架组件用于放置待测管件。

优选的，所述阵列平台组件包括靶标平台底座；

所述靶标平台底座台面上有多个阵列排列的通孔；

所述可升降靶标组件分别设置在通孔中。

优选的，所述阵列平台组件还包括直线导轨以及导轨滑块；

所述靶标平台底座台面在长度方向加工有凹槽；

所述直线导轨内嵌固定于靶标平台底座沿长度方向上的凹槽内；

所述导轨滑块放置于直线导轨上，进行导轨滑块沿靶标平台底座长度方向的平移；

所述六轴机械臂固定在导轨滑块上。

优选的，所述阵列平台组件还包括电源箱；

所述电源箱设置于靶标平台底座底部型腔内，用于放置各电动设备的控制器及电源线。

优选的，所述可升降靶标组件包括升降电机、全方位靶标壳以及多个靶标点；

所述靶标点阵列设置在全方位靶标壳的外壳上；

所述升降电机设置在全方位靶标壳型腔内，且升降电机分别设置在靶标平台底座台面上的通孔中。

优选的，所述可升降靶标组件还包括螺纹转接头；

所述螺纹转接头加工于全方位靶标壳顶端上，所述螺纹转接头与可升降支架组件螺纹转接固定。

优选的，所述可升降支架组件包括支架底座、升降支架、支撑块以及支撑限位块；

所述支架底座底端加工有外螺纹，外螺纹连接固定于螺纹转接头的内螺纹上；

所述升降支架底端滑动内嵌于支架底座内孔内；

所述升降支架包括支撑升降支架和限位升降支架；

所述支架底座包括支撑支架底座和限位支架底座；

所述支撑升降支架底端滑动内嵌于支撑支架底座内孔内；

所述限位升降支架底端滑动内嵌于限位支架底座内孔内；

所述支撑块固定在支撑升降支架顶端；

所述支撑限位块固定在限位升降支架顶端；

所说待测管件放置于支撑块和支撑限位块上，所述支撑块对待测管件进行支撑，所述支撑限位块对待测管件的两端进行支撑限位。

优选的，所述三维激光扫描仪固定连接于六轴机械臂卡扣上。

优选的，该全域扫描检测***还包括工作站；所述工作站连接阵列平台组件。

根据本发明提供的一种基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测方法，应用基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，包括如下步骤：

管件放置步骤：将待测管件放置在可升降支架组件上；

扫描检测步骤：通过可升降靶组件和阵列平台组件形成三维轮廓测量靶标平台，通过六轴机械臂带动三维激光扫描仪对待测管件进行扫描检测。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明基于激光扫描的管件三维尺寸高精度自动全域扫描检测***，提高三维弯曲管件检测精度及效率；

2、本发明设计了可升降的靶标平台，不仅可作支撑用而且可作为待测物底部激光扫描时的反算靶标点，与机械臂相结合可实现复杂管件三维尺寸自动全域扫描检测；

3、本发明通过将全方位靶标壳嵌套在升降电机上，从而通过升降电机带动全方位靶标壳在垂直方向上的自动无级精确升降。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明整体示意图；

图2为阵列平台组件的示意图；

图3为可升降支架组件的示意图；

图4为可升降靶标组件的示意图；

图5为本发明的使用状态表示图。

附图标记：

工作站1            靶标平台底座21           支撑限位块34

阵列平台组件2      电源箱22                 升降电机71

可升降支架组件3    直线导轨23               全方位靶标壳72

待测管件4          导轨滑块24               靶标点73

三维激光扫描仪5    支架底座31               螺纹转接头74

六轴机械臂6        升降支架32

可升降靶标组件7    支撑块33

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例公开了一种基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，如图1和图5所示，包括工作站1、阵列平台组件2、可升降支架组件3、待测管件4、三维激光扫描仪5、六轴机械臂6、可升降靶标组件7及软件处理及控制***，六轴机械臂6和可升降靶标组件7设置于阵列平台组件2上，三维激光扫描仪5设置于六轴机械臂6上，可升降支架组件3设置于可升降靶标组件7上，待测管件4设置于可升降支架组件3上。工作站1连接于阵列平台组件2上，用于指令的发送、数据的传递、处理及分析。软件***设置在工作站内，根据导管摆放姿态及位置自动分析机械臂的运行路径，并且根据机械臂运动路径及速度计算分析路径周围各可升降靶标组件7升降，在不影响支撑的情况下避免产生干涉。六轴机械臂6与可升降靶标组件7联动控制。

如图2所示，阵列平台组件2包含靶标平台底座21、电源箱22、直线导轨23、导轨滑块24。其中：靶标平台底座21台面上有160个阵列排列的正方形通孔，在长度方向加工有凹槽，电源箱22设置于靶标平台底座21底部型腔内，用于放置各电动设备的控制器及电源线，直线导轨23内嵌于靶标平台底座21沿长度方向上的凹槽内，并在两端用螺栓连接固定，导轨滑块24放置于直线导轨23上，以实现导轨滑块24沿靶标平台底座21长度方向的平移。

如图3所示，可升降支架组件3包含支架底座31、升降支架32、支撑块33、支撑限位块34，其中支架底座31底端加工有外螺纹，方便连接固定于螺纹转接头74的内螺纹上，升降支架32底端内嵌于支架底座31内孔内，在高度方向上可自由升降，进行实现高度无级精确调节，在达到指定高度后，通过旋转升降支架32以致压紧升降支架32环向的弹簧螺钉，进而锁紧固定。支撑块33及支撑限位块34焊接固定于升降支架32顶端，分别用于管类产品检测时支撑及限位固定。

待测管件4自然放置于支撑块33及支撑限位块34上，其中支撑块33接触待测管件4起支撑作用即可，而管两端需用支撑限位块34进行支撑限位，不仅实现支撑作用还实现管轴线限位，避免检测过程中的晃动。

三维激光扫描仪5固定连接于六轴机械臂6前端卡扣上，不仅实现机械臂夹持作用还具备快速装夹的优点。

六轴机械臂6通过螺栓安装固定于导轨滑块24上，进而可通过导轨滑块24在直线导轨23的滑动实现六轴机械臂6及三维激光扫描仪5沿平台组件2长度方向上的移动，极大限度扩大扫描检测区域。

如图4所示，可升降靶标组件7包含升降电机71、全方位靶标壳72、靶标点73、螺纹转接头74，其中128个阵列靶标点73均匀分布粘贴于全方位靶标壳72的外壳上，升降电机71内嵌于全方位靶标壳72型腔内，进而通过升降电机71带动全方位靶标壳72在高度方向上升降，进而可在检测时提供靶标基准点，螺纹转接头74加工于全方位靶标壳72顶端中心，进而可实现升降支架组件3的螺纹转接及固定。所述可升降靶标组件7共均匀阵列分布有160个，内嵌于靶标平台底座21正方形通孔内，通过升降电机71及阵列单点控制可形成通用的三维轮廓测量靶标平台，可实现任意三维产品的轮廓及精度检测。升降电机71固定在通孔中，可在高度方向上自由升降。

相应地，本发明实施例还公开了一种基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测方法，应用基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，包括如下步骤：

管件放置步骤：将待测管件放置在可升降支架组件上。

扫描检测步骤：通过可升降靶组件和阵列平台组件形成三维轮廓测量靶标平台，通过六轴机械臂带动三维激光扫描仪对待测管件进行扫描检测。

当待测管件4悬空放置时，通过升降电机71带动贴有靶标点73的全方位靶标壳72在高度方向上升降，进而在侧向或自下而上扫描检测时提供靶标点73，解决了悬空放置不可检的问题并实现了全轮廓一次扫描。

工作站1根据待测管件4的摆放位置及摆放姿态分析设定三维激光扫描仪5的扫描检测路径及动作，在检测过程中联动控制六轴机械臂6及可升降靶标组件7进行动作及扫描检测进而实现全自动扫描检测。

本发明所提供的基于激光扫描的三维尺寸高精度自动全域扫描检测***的各项调节功能实现方法如下：

根据待测管件4形状人工将其放置于阵列平台组件2上，并调节个别升降电机71及调节升降支架32高度，实现支撑块33、支撑限位块34的高度调节，进而实现任意三维尺寸形状管件的多点支撑固定。

工作站1根据管件设计模型形状及摆放姿态进行六轴机械臂6运动路径、动作规划以及可升降靶标组件7升降动作规划。

将六轴机械臂6从原点移动至待测管件4检测起始点，按照程序设定，联动控制六轴机械臂6及可升降靶标组件7进行动作及扫描检测。在侧面及底面检测过程中，管体周围相邻可升降靶标组件7需升高至略高于管体高度进而提供检测基准靶标。

扫描结束后六轴机械臂6复位，取下待测管件4，可升降靶标组件7复位。

本发明通过靶标贴于可升降靶标上，进而可提供侧向或自下而上扫描检测时的靶标点73，实现了全轮廓一次扫描的效果；通过程序进行机械臂与可升降靶标组件7的联动控制，同时既能够提供了足够的靶标点，又实现了检测全自动的目标，大幅提高了工作效率。1、通过六轴机械臂6在直线导轨23的滑动及各活动关节的转动，可实现三维激光扫描仪5的扫描区域及扫描方向的调整。

2、通过控制升降电机71及调节升降支架32高度，实现支撑块33、支撑限位块34的高度调节，可适用于任意三维尺寸形状管件的多点支撑。

3、通过工作站1根据待测管件4摆放姿态规划六轴机械臂6工作路径、动作及各时刻各可升降靶标组件7高度，可实现待测管件三维尺寸自动全域扫描检测。

4、扫描检测过程中，通过控制单个或多个升降电机71的升降带动全方位靶标壳72的升降，进而避免与三维激光扫描仪5干涉碰撞并提供检测物侧面靶标。

本发明以带靶标的扫描检测***为前提。本发明在工作台范围内阵列安装有160套可升降靶标组件7，可根据待测管件4的形状单点控制个别升降靶标组件7升降进行单点精确柔性支撑，进而可适用于任意三维形状的管件的支撑固定。

本发明通过将全方位靶标壳72嵌套在升降电机71上，从而通过升降电机71带动全方位靶标壳72在垂直方向上的自动无级精确升降。在扫描检测过程中通过控制待测管件4周围的可升降靶标组件7的升和降可提供丰富的靶标基准，有效解决了三维激光扫描仪5从下往上扫描待测管件4侧面及底面检测时无靶标基准的难题，大幅提升待测件侧面及底面的可检测性，不仅实现待测管件一次全域扫描的功能并且提高了检测精度。

本发明将待测管件4预先安装固定，通过工作站1分析设定三维激光扫描仪5的扫描检测路径，设定程序将检测过程中六轴机械臂6的移动、转动以及多个升降靶标组件7的升降并进行联动控制，不仅避免了六轴机械臂6工作过程中出现干涉碰撞的问题，还可提供靶标点以实现待测管件4的全轮廓尺寸全自动高精度扫描检测。

本发明中升降支架32嵌于支架底座31内，通过伸缩可实现高度方向上的无级升降及环向转动，不仅可根据待测管件4形状来调节升降支架32高度及取向并进行有效支撑，同时与升降电机71相结合可大幅扩大在高度方向上活动范围，便于六轴机械臂6带着三维激光扫描仪5自下向上或者从侧向进行底部轮廓特征的扫描检测，进而扩大检测装置的适用范围。

本发明通过将待测管件4的不少于两直段放置于支撑限位块34内，管件轴线需沿支撑限位块34拉伸方向分布，因此通过支撑限位块34位置固定实现对待测管件4除高度方向上的限位作用，进而保证在扫描检测过程中待测管件4的固定，避免了可升降支架组件3升降过程中引起管件的晃动或变形，进而保证检测精度。

本发明能实现从上往下的扫描检测，实现了待测物底面及侧面能够检测的问题常见为待测物放桌上检测，那么与桌面接触的部分及悬空的部分受检测范围的限制则检测不到，为此本发明提供了可升降的靶标组件，可在侧向提供靶标基点，适用于悬空类的检测。

本发明可满足于不同形状、不同材料产品的轮廓尺寸检测，适用性强，可批量生产，也可通过简单的适应性修改支架形状以满足不同产品及不同工作环境下的使用需求。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，其特征在于，包括阵列平台组件(2)、三维激光扫描仪(5)、六轴机械臂(6)、多个可升降支架组件(3)以及多个可升降靶标组件(7)；

所述六轴机械臂(6)滑动设置在阵列平台组件(2)上；

所述三维激光扫描仪(5)设置在六轴机械臂(6)上；

所述可升降靶标组件(7)设置在阵列平台组件(2)上；

所述可升降支架组件(3)设置在可升降靶标组件(7)上，且可升降支架组件(3)用于放置待测管件(4)。

2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，其特征在于，所述阵列平台组件(2)包括靶标平台底座(21)；

所述靶标平台底座(21)台面上有多个阵列排列的通孔；

所述可升降靶标组件(7)分别设置在通孔中。

3.根据权利要求2所述的基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，其特征在于，所述阵列平台组件(2)还包括直线导轨(23)以及导轨滑块(24)；

所述靶标平台底座(21)台面在长度方向加工有凹槽；

所述直线导轨(23)内嵌固定于靶标平台底座(21)沿长度方向上的凹槽内；

所述导轨滑块(24)放置于直线导轨(23)上，进行导轨滑块(24)沿靶标平台底座(21)长度方向的平移；

所述六轴机械臂(6)固定在导轨滑块(24)上。

4.根据权利要求2所述的基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，其特征在于，所述阵列平台组件(2)还包括电源箱(22)；

所述电源箱(22)设置于靶标平台底座(21)底部型腔内，用于放置各电动设备的控制器及电源线。

5.根据权利要求2所述的基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，其特征在于，所述可升降靶标组件(7)包括升降电机(71)、全方位靶标壳(72)以及多个靶标点(73)；

所述靶标点(73)阵列设置在全方位靶标壳(72)的外壳上；

所述升降电机(71)设置在全方位靶标壳(72)型腔内，且升降电机(71)分别设置在靶标平台底座(21)台面上的通孔中。

6.根据权利要求5所述的基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，其特征在于，所述可升降靶标组件(7)还包括螺纹转接头(74)；

所述螺纹转接头(74)加工于全方位靶标壳(72)顶端上，所述螺纹转接头(74)与可升降支架组件(3)螺纹转接固定。

7.根据权利要求6所述的基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，其特征在于，所述可升降支架组件(3)包括支架底座(31)、升降支架(32)、支撑块(33)以及支撑限位块(34)；

所述支架底座(31)底端加工有外螺纹，外螺纹连接固定于螺纹转接头(74)的内螺纹上；

所述升降支架(32)底端滑动内嵌于支架底座(31)内孔内；

所述升降支架(32)包括支撑升降支架(32)和限位升降支架(32)；

所述支架底座(31)包括支撑支架底座(31)和限位支架底座(31)；

所述支撑升降支架(32)底端滑动内嵌于支撑支架底座(31)内孔内；

所述限位升降支架(32)底端滑动内嵌于限位支架底座(31)内孔内；

所述支撑块(33)固定在支撑升降支架(32)顶端；

所述支撑限位块(34)固定在限位升降支架(32)顶端；

所说待测管件(4)放置于支撑块(33)和支撑限位块(34)上，所述支撑块(33)对待测管件(4)进行支撑，所述支撑限位块(34)对待测管件(4)的两端进行支撑限位。

8.根据权利要求1所述的基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，其特征在于，所述三维激光扫描仪(5)固定连接于六轴机械臂(6)卡扣上。

9.根据权利要求1所述的基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，其特征在于，该全域扫描检测***还包括工作站(1)；所述工作站(1)连接阵列平台组件(2)。

10.一种基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测方法，其特征在于，应用权利要求1-9任一所述的基于激光扫描的管件三维尺寸全域扫描检测***，包括如下步骤：

管件放置步骤：将待测管件(4)放置在可升降支架组件(3)上；

扫描检测步骤：通过可升降靶组件和阵列平台组件(2)形成三维轮廓测量靶标平台，通过六轴机械臂(6)带动三维激光扫描仪(5)对待测管件(4)进行扫描检测。

Images