CN116929209A - 一种用于棒状物料的检测设备和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于棒状物料的检测设备和检测方法，包括立柱，两根立柱之间配合安装有输送机构，输送机构的底部固定电机，电机驱动输送机构运动，两根立柱的顶部同时安装横梁，横梁的一个侧端面固定气缸，横梁的底部通过运动机构配合安装有多自由度机械臂，机械臂的工作端配合安装有扫描仪，运动机构与气缸的输出端连接，气缸驱动运动机构带动机械臂沿第二水平方向作直线运动。通过设置机械臂和扫描仪，使得检测设备能够代替人工实现对工件尺寸参数和几何公差的全自动检测，其检测结果准确，误差范围小，检测精度高；同时，自动化的生产方式能够有效节省检测时间，提高检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及晶棒检测技术领域，尤其是一种用于棒状物料的检测设备和检测方法。
背景技术
在太阳能单晶硅片制造过程中，需要将单晶硅棒磨削切方，制成单晶方棒。单晶方棒在机械加工过程中，因为设备和工艺的限制，会导致每根单晶方棒在尺寸参数和几何公差上存在个性差异，从而出现产品不合格的问题。因此，在单晶方棒机械加工后会经过检测工序，对单晶方棒的尺寸参数和几何公差进行检测，以剔除不良品，保证产品合格率。
现有技术中，通过人工使用测量仪器对单晶方棒进行尺寸参数和几何公差的检测。人工检测方式存在测量结构不准确，测量误差大，精度低的问题，难以保证后续产品的质量；同时，人工检测的耗费的时间长，速度慢，导致生产效率低下。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种用于棒状物料的检测设备和检测方法，通过提供一种检测设备，能够对具有个性差异的工件的尺寸参数和几何公差实现自动化、大批量、高精度测量，从而有效提高检测精度，保证产品加工质量；同时，节省检测时间，提高生产效率。
本发明所采用的技术方案如下：
一种用于棒状物料的检测设备，包括平行间隔布置的两根立柱，两根立柱之间配合安装有输送机构，所述输送机构的底部固定电机，所述电机驱动输送机构运动，从而带动放置在输送机构顶部的工件沿第一水平方向作直线运动；两根立柱的顶部同时安装横梁，所述横梁的一个侧端面固定气缸，横梁的底部通过运动机构配合安装有多自由度机械臂，所述机械臂的工作端配合安装有扫描仪，运动机构与气缸的输出端连接，气缸驱动运动机构带动机械臂沿第二水平方向作直线运动；一根立柱的顶部配合安装有控制柜，检测设备配置有用于处理扫描仪扫描结果的工控机；检测时，电机驱动输送机构将工件输送到位，同时气缸驱动运动机构将机械臂移动到位，从而带动安装在机械臂工作端的扫描仪移动到位，具备多自由度的机械臂带动扫描仪在一定空间范围内移动，从而对工件的表面尺寸参数和几何公差进行扫描。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述第一水平方向与第二水平方向互相垂直。
所述输送机构的结构为：包括输送框架，所述输送框架的顶部转动安装有辊轮组，所述辊轮组包括数根平行间隔布置的辊轮，单根辊轮的一个端头配合安装传动链轮，辊轮组的顶部配合安装有用于放置工件的输送底座；
所述输送框架的底部固定呈盒状的电机安装座，所述电机安装座内配合安装有电机，所述电机的输出端连接主动链轮，所述主动链轮与传动链轮之间配合安装有同步链条，电机驱动主动链轮旋转，主动链轮通过同步链条带动全部传动链轮同时旋转，从而带动辊轮组内的辊轮同时旋转；
所述输送框架的顶部配合安装有阻挡器和标点架，阻挡器限制输送底座前进方向的位移，标点架用于检测时布置标识。
所述运动机构的结构为：包括数根平行间隔布置的滑轨，所述滑轨固定在横梁的底部，单根滑轨上配合安装有数个滑块，所述滑块的底部配合安装有连接板，所述连接板的顶部固定第一连接座，所述第一连接座与固定在横梁一侧的气缸的输出端连接，连接板的顶部还固定撞块，所述撞块与安装在横梁另一侧的限位机构配合安装，连接板的底部固定有用于安装机械臂的第二连接座。
所述限位机构的结构为：包括两个相对间隔安装的限位安装座，单个限位安装座上配合安装有聚氨酯包胶螺丝与缓冲顶头，所述聚氨酯包胶螺丝与缓冲顶头用于限制撞块的运动行程。
一种利用上述的用于棒状物料的检测设备的检测方法，包括如下步骤：
S1.将扫描仪安装在机械臂的工作端，在工件的表面设置反光标记点用作扫描仪识别的标识，扫描仪上集成有两个相机以及激光发射器，对扫描仪上两个相机进行标定，使得两个相机的视野相交形成一个公共视野，同时要保证两个相机的公共视野内存在四个以上标识；
S2.扫描仪的激光发射器发射多条线束激光，同时机械臂带动扫描仪在一定空间范围内进行运动，在扫描仪的运动过程中通过两个相机捕捉工件表面的标识，从而获取工件表面的三维点云；
S3.根据扫描仪获取的三维点云，采用数据拼接法将三维点云依次拼接，从而同步生成对应的工件的三维采集数据模型；
S4.工控机将同步生成的工件的采集数据模型与预先存储的标准数据模型进行比对，从采集数据模型上能够测量出工件的尺寸参数和几何公差。
S1.中，需要合理布置标识的点密度，且标识布置需要避开工件的明显特征区域，从而防止关键特征数据丢失，三个标识组成的图案避免呈现出等腰三角形或等边三角形状；
扫描仪扫描标识时，需要分别采用正上方、前、后、左、右、倾斜45°的六个方向识别标识。
S3.中，在数据拼接过程中，当出现数据拼接丢失的情况时，通过机械臂带动扫描仪移回数据丢失的区域停留2S-5S，扫描仪进行重新扫描。
S4.中，工控机***内预先存储有工件的标准数据模型，工件包括多种尺寸、多种形状；
能够测量得到的尺寸参数包括端面边长、对角线长、斜边弦长、直角边长和总长，几何公差包括垂直度和平面度；
其中端面边长、对角线长和总长的精度范围为±0.03mm，斜边弦长和直角边长的精度范围为±0.1mm，垂直度的精度范围为±0.1°，平面度的精度范围为±0.1mm。
当出现初次使用检测设备、长时间未使用检测设备；检测设备经过晃动、检测设备经过运输、检测设备单帧扫描数据量少、数据点无法拼接、标识无法识别的情况时，需要对两个相机进行重新标定；
扫描仪扫描工件的过程中，工件需要保持完全静止。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过设置机械臂和扫描仪，使得检测设备能够代替人工实现对工件尺寸参数和几何公差的全自动检测，其检测结果准确，误差范围小，检测精度高；同时，自动化的生产方式能够有效节省检测时间，提高检测效率。
本发明还具有如下优点：
(1)本发明中通过设置限位机构，能够对机械臂的移动路径进行有效限位，保证机械臂带动扫描仪在一定行程内即可实现对工件表面的全范围扫描，提高检测效率。
(2)本发明中通过设置阻挡器，能够有效保证输送底座能够被输送到位，防止因工件停止位置不到位导致的检测结果失真的问题。
(3)本发明中通过合理布置标识点的位置，能够保证空间三维点云的唯一性，从而提高检测精度。
(4)本发明中通过使扫描仪分别采用正上方、前、后、左、右、倾斜45°的六个方向识别标识，能够保证标识的识别精度，从而有效提高检测精度。
(5)本发明中通过采用数据拼接法将扫描仪采集到的数据进行拼接，以生产工件相应的三维模型，在保证空间三维点云唯一的条件下，数据拼接法能够快速准确地形成工件的三维模型，能够有效提高检测效率。
(6)本发明中的检测结果，尺寸参数最高能够达到±0.03mm，垂直度能够达到±0.1°，平面度能够±0.1mm，其检测精度高，检测结果可靠，能够有效检测出不良品，从而保证产品品质。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的主视图。
图3为图1的俯视图。
图4为本发明中输送机构的结构示意图。
图5为图4的主视图。
图6为本发明中扫描仪的安装结构示意图。
图7为图6的主视图。
图8为图6的后视图。
图9为本发明在工作状态时的示意图。
图10为本发明中尺寸参数与几何公差的示意图。
其中：1、立柱；2、输送机构；3、运动机构；4、机械臂；5、扫描仪；6、电机；7、气缸；8、工件；9、限位机构；10、控制柜；11、横梁；
201、输送框架；202、辊轮组；203、输送底座；204、阻挡器；205、传动链轮；206、电机安装座；207、标点架；
301、滑轨；302、滑块；303、连接板；304、第一连接座；305、第二连接座；306、撞块；
901、限位安装座；902、聚氨酯包胶螺丝；903、缓冲顶头。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
实施例一：
本实施例的结构和功能如下：
如图1-图9所示，本实施例的用于棒状物料的检测设备，包括平行间隔布置的两根立柱1，两根立柱1之间配合安装有输送机构2，输送机构2的底部固定电机6，电机6驱动输送机构2运动，从而带动放置在输送机构2顶部的工件8沿第一水平方向作直线运动；两根立柱1的顶部同时安装横梁11，横梁11的一个侧端面固定气缸7，横梁11的底部通过运动机构3配合安装有多自由度机械臂4，机械臂4的工作端配合安装有扫描仪5，运动机构3与气缸7的输出端连接，气缸7驱动运动机构3带动机械臂4沿第二水平方向作直线运动；一根立柱1的顶部配合安装有控制柜10，检测设备配置有用于处理扫描仪5扫描结果的工控机；检测时，电机6驱动输送机构2将工件8输送到位，同时气缸7驱动运动机构3将机械臂4移动到位，从而带动安装在机械臂4工作端的扫描仪5移动到位，具备多自由度的机械臂4带动扫描仪5在一定空间范围内移动，从而对工件8的表面尺寸参数和几何公差进行扫描。检测设备包括立柱1、输送机构2、运动机构3、机械臂4、扫描仪5、电机6、气缸7、控制柜10和横梁11；两根立柱1之间配合安装有运动机构2，用于输送工件8；两根立柱1的顶部通过横梁11连接，横梁11的底部设置运动机构3，用于带动机械臂4作直线运动；机械臂4能够多角度旋转，且具备多个旋转轴，从而能够带动扫描仪5在一定空间范文内对工件8的表面进行扫描。
扫描仪5采用三维扫描仪，其基于双目视觉原理获取工件8的空间三维点云；扫描仪5工作时，借助于扫描当前帧的标记点与预先存储在工控机内的标记点库进行匹配，从而获得扫描仪5和工件8之间的空间位置关系，并通过激光发射器发射激光，照射在被扫描工件8的表面，再由两个工业相机捕捉反射光，经计算得到工件8的外形数据。
第一水平方向与第二水平方向互相垂直。输送机构2沿直线运送工件8的方向与运动机构3带动机械臂4作直线运动的方向互相垂直，从而使得工件8与扫描仪5能够运动到指定位置，使得扫描仪5能够完成对工件8的扫描任务。
输送机构2的结构为：包括输送框架201，输送框架201的顶部转动安装有辊轮组202，辊轮组202包括数根平行间隔布置的辊轮，单根辊轮的一个端头配合安装传动链轮205，辊轮组202的顶部配合安装有用于放置工件8的输送底座203；输送框架201的底部固定呈盒状的电机安装座206，电机安装座206内配合安装有电机6，电机6的输出端连接主动链轮，主动链轮与传动链轮205之间配合安装有同步链条，电机6驱动主动链轮旋转，主动链轮通过同步链条带动全部传动链轮205同时旋转，从而带动辊轮组202内的辊轮同时旋转；输送框架201的顶部配合安装有阻挡器204和标点架207，阻挡器204限制输送底座203前进方向的位移，标点架207用于检测时布置标识。
运动机构3的结构为：包括数根平行间隔布置的滑轨301，滑轨301固定在横梁11的底部，单根滑轨301上配合安装有数个滑块302，滑块302的底部配合安装有连接板303，连接板303的顶部固定第一连接座304，第一连接座304与固定在横梁11一侧的气缸7的输出端连接，连接板303的顶部还固定撞块306，撞块306与安装在横梁11另一侧的限位机构9配合安装，连接板303的底部固定有用于安装机械臂4的第二连接座305。
限位机构9的结构为：包括两个相对间隔安装的限位安装座901，单个限位安装座901上配合安装有聚氨酯包胶螺丝902与缓冲顶头903，聚氨酯包胶螺丝902与缓冲顶头903用于限制撞块306的运动行程。
本实施例提供一种用于棒状物料的检测设备，能够对具有个性差异的工件的尺寸参数和几何公差实现自动化、大批量、高精度测量，从而有效提高检测精度，保证产品加工质量；同时，检测迅速、检测耗时短，能够有效节省检测时间，提高生产效率。
实施例二：
本实施例利用实施例一提供的一种用于棒状物料的检测设备，提供一种用于棒状物料的检测方法，包括如下步骤：
S1.将扫描仪5安装在机械臂4的工作端，在工件8的表面设置反光标记点用作扫描仪5识别的标识，扫描仪5上集成有两个相机以及激光发射器，对扫描仪5上两个相机进行标定，使得两个相机的视野相交形成一个公共视野，同时要保证两个相机的公共视野内存在四个以上标识；
S1.1.为了保证空间三维点云的唯一性，需要合理布置标识的点密度，且标识布置需要避开工件8的明显特征区域，以防止关键特征数据丢失，标识组成的图案越不规则越不容易拼错，三个标识组成的图案避免呈现出等腰三角形或等边三角形状，标识尽量贴在不同的水平面上，拼接精度会比较高；
S1.2.扫描仪5扫描标识时，需要分别采用正上方、前、后、左、右、倾斜45°的六个方向识别标识，以保证标识的识别精度；
S1.3.当出现初次使用检测设备、长时间未使用检测设备；检测设备经过晃动、检测设备经过运输、检测设备单帧扫描数据量少、数据点无法拼接、标识无法识别的情况时，需要对两个相机进行重新标定；
S1.4.扫描仪5使用蓝光扫描；
S1.5.设定扫描仪5上两个相机的公共焦距为基准距，设定公共焦距范围为景深，扫描仪5的基准距、景深与激光波段及解析度有关；
S2.扫描仪5的激光发射器发射多条线束激光，同时机械臂4带动扫描仪5在一定空间范围内进行运动，在扫描仪5的运动过程中通过两个相机捕捉工件8表面的标识，从而获取工件8表面的三维点云；
S2.1.机械臂4实时调整扫描仪5与工件8之间的距离和角度，从而使扫描仪5能够自动获取工件8整体的三维表面信息；
S2.2.合理规划扫描仪5的扫描路径和扫描速度，确保采集数据模型可靠，实时查看扫描过程中的颜色提示，避免数据噪点过多产生的橘皮现象；
S2.3.保证扫描仪5的扫描路径形成闭环，扫描时，从工件8的中间向四周扩散扫描，从而提高测量精度；
S3.根据扫描仪5获取的三维点云，采用数据拼接法将三维点云依次拼接，从而同步生成对应的工件8的三维采集数据模型；
S3.1.在数据拼接过程中，当出现数据拼接丢失的情况时，通过机械臂4带动扫描仪5移回数据丢失的区域停留2S-5S，扫描仪5进行重新扫描；
S3.2.若长时间未找回，需要依靠人工手动复位，重新进行扫描；
S4.工控机将同步生成的工件8的采集数据模型与预先存储的标准数据模型进行比对，从采集数据模型上能够测量出工件8的尺寸参数和几何公差；
S4.1.工控机***内预先存储有工件8的标准数据模型，工件8包括多种尺寸、多种形状；
S4.2.如图10所示，能够测量得到的尺寸参数包括端面边长L1、对角线长L2、斜边弦长L3、直角边长L4和总长L5，几何公差包括垂直度和平面度；
其中端面边长L1、对角线长L2和总长L5的精度范围为±0.03mm，斜边弦长L3和直角边长L4的精度范围为±0.1mm，垂直度的精度范围为±0.1°，平面度的精度范围为±0.1mm；
S4.3.扫描仪5扫描工件8的过程中，工件8需要保持完全静止。
本实施提供一种用于棒状物料的检测方法，能够完成高精度、多参数检测，通过扫描仪5对工件8上的标识进行多角度扫描，然后经过工控机对采集到的信号进行处理计算，从而得到工件8的尺寸参数和几何公差，其检测精度高，计算快速，检测速度快，结果可靠性高。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (10)
1.一种用于棒状物料的检测设备，其特征在于：包括平行间隔布置的两根立柱(1)，两根立柱(1)之间配合安装有输送机构(2)，所述输送机构(2)的底部固定电机(6)，所述电机(6)驱动输送机构(2)运动，从而带动放置在输送机构(2)顶部的工件(8)沿第一水平方向作直线运动；
两根立柱(1)的顶部同时安装横梁(11)，所述横梁(11)的一个侧端面固定气缸(7)，横梁(11)的底部通过运动机构(3)配合安装有多自由度机械臂(4)，所述机械臂(4)的工作端配合安装有扫描仪(5)，运动机构(3)与气缸(7)的输出端连接，气缸(7)驱动运动机构(3)带动机械臂(4)沿第二水平方向作直线运动；
一根立柱(1)的顶部配合安装有控制柜(10)，检测设备配置有用于处理扫描仪(5)扫描结果的工控机；
检测时，电机(6)驱动输送机构(2)将工件(8)输送到位，同时气缸(7)驱动运动机构(3)将机械臂(4)移动到位，从而带动安装在机械臂(4)工作端的扫描仪(5)移动到位，具备多自由度的机械臂(4)带动扫描仪(5)在一定空间范围内移动，从而对工件(8)的表面尺寸参数和几何公差进行扫描。
2.如权利要求1所述的一种用于棒状物料的检测设备，其特征在于：所述第一水平方向与第二水平方向互相垂直。
3.如权利要求1所述的一种用于棒状物料的检测设备，其特征在于：所述输送机构(2)的结构为：包括输送框架(201)，所述输送框架(201)的顶部转动安装有辊轮组(202)，所述辊轮组(202)包括数根平行间隔布置的辊轮，单根辊轮的一个端头配合安装传动链轮(205)，辊轮组(202)的顶部配合安装有用于放置工件(8)的输送底座(203)；
所述输送框架(201)的底部固定呈盒状的电机安装座(206)，所述电机安装座(206)内配合安装有电机(6)，所述电机(6)的输出端连接主动链轮，所述主动链轮与传动链轮(205)之间配合安装有同步链条，电机(6)驱动主动链轮旋转，主动链轮通过同步链条带动全部传动链轮(205)同时旋转，从而带动辊轮组(202)内的辊轮同时旋转；
所述输送框架(201)的顶部配合安装有阻挡器(204)和标点架(207)，阻挡器(204)限制输送底座(203)前进方向的位移，标点架(207)用于检测时布置标识。
4.如权利要求1所述的一种用于棒状物料的检测设备，其特征在于：所述运动机构(3)的结构为：包括数根平行间隔布置的滑轨(301)，所述滑轨(301)固定在横梁(11)的底部，单根滑轨(301)上配合安装有数个滑块(302)，所述滑块(302)的底部配合安装有连接板(303)，所述连接板(303)的顶部固定第一连接座(304)，所述第一连接座(304)与固定在横梁(11)一侧的气缸(7)的输出端连接，连接板(303)的顶部还固定撞块(306)，所述撞块(306)与安装在横梁(11)另一侧的限位机构(9)配合安装，连接板(303)的底部固定有用于安装机械臂(4)的第二连接座(305)。
5.如权利要求4所述的一种用于棒状物料的检测设备，其特征在于：所述限位机构(9)的结构为：包括两个相对间隔安装的限位安装座(901)，单个限位安装座(901)上配合安装有聚氨酯包胶螺丝(902)与缓冲顶头(903)，所述聚氨酯包胶螺丝(902)与缓冲顶头(903)用于限制撞块(306)的运动行程。
6.一种利用如权利要求1所述的用于棒状物料的检测设备的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.将扫描仪(5)安装在机械臂(4)的工作端，在工件(8)的表面设置反光标记点用作扫描仪(5)识别的标识，扫描仪(5)上集成有两个相机以及激光发射器，对扫描仪(5)上两个相机进行标定，使得两个相机的视野相交形成一个公共视野，同时要保证两个相机的公共视野内存在四个以上标识；
S2.扫描仪(5)的激光发射器发射多条线束激光，同时机械臂(4)带动扫描仪(5)在一定空间范围内进行运动，在扫描仪(5)的运动过程中通过两个相机捕捉工件(8)表面的标识，从而获取工件(8)表面的三维点云；
S3.根据扫描仪(5)获取的三维点云，采用数据拼接法将三维点云依次拼接，从而同步生成对应的工件(8)的三维采集数据模型；
S4.工控机将同步生成的工件(8)的采集数据模型与预先存储的标准数据模型进行比对，从采集数据模型上能够测量出工件(8)的尺寸参数和几何公差。
7.如权利要求6所述的一种用于棒状物料的检测方法，其特征在于：S1.中，需要合理布置标识的点密度，且标识布置需要避开工件(8)的明显特征区域，从而防止关键特征数据丢失，三个标识组成的图案避免呈现出等腰三角形或等边三角形状；
扫描仪(5)扫描标识时，需要分别采用正上方、前、后、左、右、倾斜45°的六个方向识别标识。
8.如权利要求6所述的一种用于棒状物料的检测方法，其特征在于：S3.中，在数据拼接过程中，当出现数据拼接丢失的情况时，通过机械臂(4)带动扫描仪(5)移回数据丢失的区域停留2S-5S，扫描仪(5)进行重新扫描。
9.如权利要求6所述的一种用于棒状物料的检测方法，其特征在于：S4.中，工控机***内预先存储有工件(8)的标准数据模型，工件(8)包括多种尺寸、多种形状；
能够测量得到的尺寸参数包括端面边长、对角线长、斜边弦长、直角边长和总长，几何公差包括垂直度和平面度；
其中端面边长、对角线长和总长的精度范围为±0.03mm，斜边弦长和直角边长的精度范围为±0.1mm，垂直度的精度范围为±0.1°，平面度的精度范围为±0.1mm。
10.如权利要求6所述的一种用于棒状物料的检测方法，其特征在于：当出现初次使用检测设备、长时间未使用检测设备；检测设备经过晃动、检测设备经过运输、检测设备单帧扫描数据量少、数据点无法拼接、标识无法识别的情况时，需要对两个相机进行重新标定；
扫描仪(5)扫描工件(8)的过程中，工件(8)需要保持完全静止。
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