CN203772217U - 非接触式柔性在线尺寸测量装置 - Google Patents

Abstract

一种非接触式柔性在线尺寸测量装置，包括组合式测量传感器和工业机器人，组合式测量传感器固定连接在工业机器人的末端关节上，组合式测量传感器包括一维激光位移传感器和工业摄像机，一维激光位移传感器和工业摄像机固定连接，一维激光位移传感器包括有信号线，工业摄像机包括信号输出线，一维激光位移传感器的信号线和工业摄像机的信号输出线均连接到一个工业计算机，工业机器人与机器人控制器连接，机器人控制器通过以太网线与工业计算机连接。机器人事先通过示教编程将工件的测量位置保存到机器人运行轨迹程序中，带动组合式测量传感器运行至工件上的各个测量点进行测量。本实用新型提高了测量汽车零部件的效率，测量采样数多，测量结果精确。

Description

非接触式柔性在线尺寸测量装置

技术领域:

本实用新型涉及物理领域，尤其涉及测量技术，特别涉及在汽车零部件生产过程中对零部件产品进行尺寸监控的自动测量技术，具体的是一种非接触式柔性在线尺寸测量装置。

背景技术：

在汽车零部件的生产过程中需要按照客户提供的形位公差要求(GD&T)对汽车零部件进行检测。现有技术中的检测方法是先制作一个测量检具，将被测零件放上去定位好之后，利用检具上事先精密加工并精确标定好的模拟块或卡板等参照物对零件关注的部位或特征点进行测量。但是这种专用的测量检具只针对某个特定零部件的专用检测，不能用于其它零件的测量，并且检具上的模拟块或卡板需要精密加工、精密装配、精密标定，所以当要求检测零件数量较多时，整体检具的制作成本会非常高。而且由于专用测量检具都由人工操作，对大型零件或测点要求较多的零件，测量人员的工作量非常大，测量工具简单且精度较低，测量后期数据需人工录入电脑进行分析，而人工录入会有误操作，影响分析结果。由于以上问题造成整个零件的尺寸测量、监控的过程效率非常低，尺寸监控过程中测量采样数量很少，数据分析结果很难体现短期内的零件生产过程能力，对现场的报警存在延时，不能实时地反映产线问题，会造成不良品流出。

实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种非接触式柔性在线尺寸测量装置，所述的这种非接触式柔性在线尺寸测量装置要解决现有技术中采用检具人工测量汽车零部件的方法效率低、采样数少、检测结果延时的技术问题。

本实用新型的这种非接触式柔性在线尺寸测量装置，包括组合式测量传感器和工业机器人，所述的工业机器人包括有一个机械臂，其中，所述的组合式测量传感器固定连接在所述的工业机器人的末端关节上，组合式测量传感器包括一个一维激光位移传感器和一个工业摄像机，所述的一维激光位移传感器和工业摄像机固定连接，一维激光位移传感器包括有信号线，工业摄像机包括有信号输出线，一维激光位移传感器的信号线和工业摄像机的信号输出线均连接到一个工业计算机，工业机器人与一个机器人控制器连接，所述的机器人控制器通过信号和数据线与所述的工业计算机连接。

进一步的，在组合式测量传感器的探测范围中设置有一个零件支架，所述的零件支架连接有一个定位机构，所述的定位机构中包括有一个驱动机构，所述的驱动机构的控制端与一个可编程逻辑控制器连接，所述的可编程逻辑控制器连接有启动开关。

进一步的，所述的工业计算机与一个数据库和网页查询服务器连接，所述的网页查询服务器连接在一个网络中。

进一步的，工业摄像机中包括有镜头，光源环绕镜头设置，工业摄像机和一维激光位移传感器均连接到一个支架上，针对被测零件上的孔特征，孔特征应位于镜头的视野中，一维激光位移传感器发出的激光点应落在被测零件的面测点上。

进一步的，工业摄像机的信号输出线是用于视频信号输出的千兆以太网线。

本实用新型和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本实用新型将激光位移传感器、工业摄像机和光源固定在工业机器人末端，机器人事先通过示教编程将工件的测量位置保存到机器人运行轨迹程序中。在工件放置到测量支架并夹紧固定好之后，操作人员按下测量启动按钮，可编程逻辑控制器在检测到所有测量条件满足后发给机器人测量允许的信号，机器人带动激光位移传感器、工业摄像机和光源按事先编好的程序运行至工件上的各个测量点进行测量。机器人每运行至一个测点时，会给测量传感***发送测量允许指令，测量传感***的控制***进行测量，并将测量结果实时发送到测量数据保存、查询数据库中，之后测量传感***的控制***再通知机器人可以运行到下一个测点，整个***多次执行以上循环，完成一个工件所有测点的测量工作。提高了测量汽车零部件的效率，采样数多，检测结果精确并可实时获得。

附图说明：

图1是本实用新型的非接触式柔性在线尺寸测量装置的结构示意图。

图2是本实用新型的非接触式柔性在线尺寸测量装置中的组合式传感器的结构示意图。

图3是本实用新型的非接触式柔性在线尺寸测量装置的一个实施例中的测量***运行流程图。

图4是本实用新型的非接触式柔性在线尺寸测量装置的一个实施例中的测量***控制软件与工业机器人的通信流程图。

图5是本实用新型的非接触式柔性在线尺寸测量装置的一个实施例中的传感器三维坐标系的构建示意图。

图6是本实用新型的非接触式柔性在线尺寸测量装置的一个实施例中利用一维激光位移传感器测量面轮廓度的矢量算法的示意图。

图7是本实用新型的非接触式柔性在线尺寸测量装置的一个实施例中利用工业摄像机测量孔的位置度时的矢量算法示意图。

图8是本实用新型的非接触式柔性在线尺寸测量装置的一个实施例中的齐次坐标变换矩阵形式。

图9是本实用新型的非接触式柔性在线尺寸测量装置的一个实施例中的齐次坐标变换示意图。

具体实施方式：

实施例1：

如图1所示，本实用新型的非接触式柔性在线尺寸测量装置，包括组合式测量传感器和工业机器人4，所述的工业机器人4包括有一个机械臂，其中，所述的组合式测量传感器固定连接在所述的工业机器人4的机械臂上，组合式测量传感器包括一个一维激光位移传感器1和一个工业摄像机2，所述的一维激光位移传感器1和工业摄像机2固定连接，组合式测量传感器上连接有光源3，一维激光位移传感器1包括有信号线，工业摄像机2包括有用于视频信号输出的千兆以太网线，一维激光位移传感器1的信号线和工业摄像机2的千兆以太网线均连接到一个工业计算机6，工业机器人4与一个机器人控制器5连接，所述的机器人控制器5通过信号和数据线与所述的工业计算机6连接。

进一步的，工业计算机6中设置有机器视觉处理模块，利用一维激光位移传感器1测量被测零件11上的实体部位轮廓度，利用工业摄像机2采集被测零件11上的孔、或者边缘、或者镂空部位的图像，再利用所述的机器视觉处理模块计算得到被测零件11上的孔、或者边缘、或者镂空部位的空间位置，将测量得到的被测零件11的实体部位轮廓度和被测零件11上的孔、或者边缘、或者镂空部位的空间位置与零件的数模理论位置进行比较，得到其偏差值即测量结果。

进一步的，在组合式测量传感器的探测范围中设置有一个零件支架10，所述的零件支架10连接有一个定位机构，所述的定位机构中包括有一个驱动机构，所述的驱动机构的控制端与一个可编程逻辑控制器9连接，所述的可编程逻辑控制器9连接有启动开关8。

进一步的，所述的计算机6与一个数据库和网页查询服务器7连接，所述的网页查询服务器连接7在一个网络中。

进一步的，根据一维激光位移传感器1的信号线和工业摄像机2的测量结果数据，构造被测零件11上的测点在传感器三维坐标系中的位置数据，所述的传感器三维坐标系按右手建系原则构造。

进一步的，利用一个三坐标测量仪预先对被测零件11的样件测量，将样件的三坐标测量结果作为该样件相对零件理论数模的偏差矢量，将该偏差矢量与被测零件11相对标准样件的偏差矢量进行矢量运算，获得一般被测零件11相对数模理论位置的偏差矢量，将一般被测零件11相对数模理论位置的偏差矢量经过奇次坐标变换转换到零件坐标系里，由此获得偏差在零件坐标系的X、Y、Z三个方向上的分量及方向。 

进一步的，所述的工业机器人4为6轴机器人。

如图2所示，工业摄像机2中包括有镜头21，光源3环绕镜头21设置，工业摄像机2和一维激光位移传感器1均连接到一个支架12上，被测零件11上具有孔特征111，孔特征111位于镜头21的视野中，一维激光位移传感器1发出的激光线101落在被测零件11的测点112上。

具体的，如图3和图4所示，在本实用新型的实施例中，组合式测量传感器固定在工业机器人2的机械臂的末端，将被测零件11放置在测量支架10上，通过***的启动按钮给可编程逻辑控制器9启动信号，再由可编程逻辑控制器9将测量支架10对应的编号发送给计算机6中的测量***控制软件(AutoCF)，再由测量***控制软件启动工业机器人2运行该零件对应的机器人程序并开始对零件进行测量。工业机器人2在测量过程中，会先运行到某一个测点的测量位置后停止不动，并发送“允许测量”、“测点编号”的信号给控制软件，控制软件得到“测点编号”信息后会自动调用该测点的测量配置信息(包括使用激光测量还是摄像机测量、标准件的测量值等)，并按照测量配置信息内容对该测点进行测量。在完成一个测点的测量后，会把测量结果信息马上通过以太网的方式写到远程服务器数据库里。之后测量控制软件会给工业机器人2一个“一个测点测量结束”的信号，工业机器人2得到此信号后会运行到下一个测点，再重复上面所述的循环。最后完成一个零件所有测点的测量之后，工业机器人2回到原位的同时会向测量控制软件发送一个“一个零件测量结束”的信号，测量控制软件退出内部测量循环，并做一些后期处理工作(如零件尺寸合格率的统计并写入数据库等)。

一维激光位移传感器1主要是对实体部位的轮廓度进行测量，工业摄像机2主要是完成对孔、边等特征的测量。两种测量传感器组合使用可以完成大部分汽车零部件形位公差方面的测量。本实施例在通过两种传感器进行测量时，两种数据并不是同时应用计算的，而是针对不同的测点，而选用不同的传感器进行测量。但是测量结果数据会构造成传感器三维坐标系的数据，传感器三维坐标系按右手建系原则构造，如图5所示。每个测点的测量结果在传感器三维坐标系里进行计算，即，激光测量结果可表示为：｛0，0，z｝，摄像机图像测量结果可表示为：｛x，y，0｝。以上构造的三维数据通过坐标变换及矢量运算得到最终所需结果。

对激光传感器反馈的测量数据的处理算法是本实施例的重要创新内容之一。如图6所示，通过坐标变换把各个偏差矢量变换到同一个坐标系(零件三维坐标系或者传感器三维坐标系)里后进行矢量运算，从而得到：测量点相对数模点的偏差矢量rx ，即，rx = rs + rm 。其中，rs可以通过三坐标测量设备对标准样件进行测量得到，rm则是测量得到，最终在零件坐标系里rx矢量的三个分量，即为偏差结果的X，Y，Z三个方向上的偏差分量。测量时要求激光线与数模点的法向尽可能重合。

对摄像机图像测量得到的偏差数据的处理算法也是本实施例的重要创新内容之一。首先需要将通过摄像机得到的图像进行一系列的图像处理步骤并最终获得被测点的几何要素，从而在二维方向上判断位置偏差量。摄像机测量的特征对象主要是零件边缘、对称规则孔、不对称孔、多边形孔、螺母孔等有边缘特征的测量点。图像处理主要包括以下几个步骤：

1）高斯图像滤波－首先对通过摄像机采集到的图像上设置关注区域(ROI)，后期所有的图像处理运算都在此区域进行，这样可以大大减少图像处理的数据量和运算量，提高测量速度。在ROI区域进行过滤，将干扰信号、图像杂点处理掉，保留反差较大的图像边缘特征;

2）Canny图像边缘检测－在经过滤波后的图像里进行Canny边缘检测运算，最终获得有边缘信息的二值图像，即边缘像素值为255，其它背景的像素值为0;

3）轮廓提取－在边缘检测输出的图像里获取所有轮廓，将边缘信息转换为轮廓信息;

4）几何形状的拟合－在本实施例里主要是椭圆拟合，通过最小二乘法对轮廓进行椭圆拟合，得到对应每个轮廓的椭圆信息，包括椭圆的中心、长轴、短轴、倾斜角度等，并通过长轴短轴比对椭圆进行筛选，保留接近目标形状的椭圆信息，最终获得目标点的几何中心的位置，从而获得中心位置的偏差量，实验证实拟合椭圆的效果比拟合圆的效果要可靠、稳定得多;

对摄像机图像测量得到的偏差数据的处理算法也是本***的重要创新内容之一。如图7所示，通过坐标变换把各个偏差矢量变换到同一个坐标系(零件三维坐标系或者传感器三维坐标系)里后进行矢量运算，从而得到： 测量点相对数模点的偏差矢量rx ，即，rx = rs + rm 。其中，rs可以通过三坐标测量设备对标准样件进行测量得到，rm则是通过本***测量得到，最终在零件坐标系里rx矢量的三个分量，即为偏差结果的X，Y，Z三个方向上的偏差分量。以上同激光测量算法一致，但要求摄像机的CCD平面尽可能与被测孔所在平面平行。

偏差矢量的坐标空间变换算法是本实施例的重要创新内容之一。一般情况下由于工业机器人2的绝对定位误差比较大，远低于其重复定位精度，但由于计算过程中不使用绝对坐标值，而使用相对偏差的矢量进行计算。矢量运算可以在坐标系里整体平移，所以在坐标变换的运算过程中，只考虑坐标旋转变换，而不计算平移变换，从而避开了工业机器人2绝对定位误差大的问题。构造的齐次坐标变换矩阵如图8中的T所示，其中第四列的平移矢量部分均为0。如图9所示，在测量数据结果处理运算过程中，需要把传感器坐标系(图中{S})下的测量结果转换到工业机器人2末关节坐标系(图中{E})，再进一步转换到工业机器人2基坐标系(图中{R})，最终转换到零件坐标系(图中{P})。

本实施例中的坐标变换过程实际上只是坐标系姿态的旋转变换，因为运算的对象是偏差矢量，矢量在运算时可以在坐标系里平移，而不需考虑矢量的起点和终点的绝对坐标值。所以在标定各个坐标系相对旋转变换关系时，只要确定旋转角度值即可。

Claims (5)

1.一种非接触式柔性在线尺寸测量装置，包括组合式测量传感器和工业机器人，所述的工业机器人包括有一个机械臂，其特征在于：所述的组合式测量传感器固定连接在所述的工业机器人的机械臂上，组合式测量传感器包括一个一维激光位移传感器和一个工业摄像机，所述的一维激光位移传感器和工业摄像机固定连接在一起，一维激光位移传感器包括有信号线，工业摄像机包括有信号输出线，一维激光位移传感器的信号线和工业摄像机的信号输出线均连接到一个工业计算机，工业机器人与一个机器人控制器连接，所述的机器人控制器通过信号和数据线与所述的工业计算机连接。

2.如权利要求1所述的非接触式柔性在线尺寸测量装置，其特征在于：在组合式测量传感器的探测范围中设置有一个零件支架，所述的零件支架连接有一个定位机构，所述的定位机构中包括有一个驱动机构，所述的驱动机构的控制端与一个可编程逻辑控制器连接，所述的可编程逻辑控制器连接有启动开关。

3.如权利要求1所述的非接触式柔性在线尺寸测量装置，其特征在于：所述的工业计算机与一个数据库和网页查询服务器连接，所述的网页查询服务器连接在一个网络中。

4.如权利要求1所述的非接触式柔性在线尺寸测量装置，其特征在于：所述的工业摄像机中包括有镜头，光源环绕镜头设置，工业摄像机和一维激光位移传感器均连接到一个支架上。

5.如权利要求1所述的非接触式柔性在线尺寸测量装置，其特征在于：工业摄像机的信号输出线是用于视频信号输出的千兆以太网线。