基于机器人——扫描仪测量的蒙皮对缝检测技术研究

在飞机蒙皮对缝阶差与间隙的数字化检测中,以机器人—3D激光扫描仪测量技术为基础,提出了一种新的阶差与间隙测量方法。首先对机器人—3D激光扫描仪手眼标定进行理论分析,提出简单高效的手眼标定方法;然后利用机器人—3D激光扫描仪测量系统获取待测面对缝区域的点云数据,从图像中点位对缝区域,获取对缝区域的点云数据;最后分析缝区域点云数据,确定对缝的实际边缘点,从而计算出对缝的阶差与间隙。机器人—3D激光扫描仪测量系统检测对缝方法获得的数据更加精确,效率较高,由于机器人自由度较高,因此大大提高了飞机蒙皮对缝自动化检测程度。试验分析表明:提出的对缝检测方法实验结果的均值误差在0.03mm以下,最大误差不超过0.05mm,可以满足飞机蒙皮对缝的检测要求。     

θFXZ型测量机的回转轴线标定方法

回转轴线的标定技术是保证θFXZ型测量机测量精度的一项关键技术。针对该型测量机没有y方向运动的特点,分析了其内外径测量原理,讨论了回转轴线标定误差与内外径测量误差的关系,并提出了一种基于环形标准件内孔、外圆的测量结果,快速标定回转轴线的方法。试验结果表明:利用该方法进行θFXZ型测量机的回转轴线标定,标定后,测量机对其它型号环形标准件的测量误差在±0.001 mm以内。该方法实现了对回转轴线的精确标定,同时操作简单,可以制定标定软件,实现回转轴线的软件自动标定。     

宽厚板板形测量系统与标定方法研究

针对当前宽厚板板形在线智能化检测的需求,设计一种单激光器多相机的宽厚板板形测量系统,提出一种基于唯一激光平面的多相机坐标系姿态校准标定方法。板形测量系统由分别位于宽厚板矫正机前后的两个相同的子系统组成,子系统采用多相机测量视野拼接的方式,实现宽厚板板形的检测;利用相邻相机公共视野中同一姿态标定板世界坐标系的唯一性,将多个相机的坐标系映射在基准坐标系下,根据实际激光平面的唯一性将多个相机坐标系统一为同一姿态,并通过统一坐标后相邻相机点云数据的位置关系,实现多相机测量数据的快速拼接,完成多相机结构光测量系统坐标系的标定。试验结果表明,该方法准确有效,为大视场结构光三维测量提供了一种有效的测量标定方法。     

结构光三维重构中拼接技术的应用

采用结构光投影法,通过摄像机标定技术得到被测物体表面的三维点云数据。根据重构目标采用旋转平台拼接或者标志点拼接,将不同视角下测量所得到的点云数据转换到同一坐标系下。实验证明,旋转台拼接技术能较好的实现小型物体的三维拼接,而标志点拼接技术则更适合运用在大型物体的拼接。     

机器人工具坐标系的快速标定方法

为了解决机器人工具坐标系标定时标定精度不高、效率较低的问题,提出一种基于激光跟踪仪的工具坐标系快速标定方法。首先,分析机器人末端法兰盘的结构,根据法兰盘上各点的相对位置关系,利用激光跟踪仪及几何法原理进行工具坐标系的位置标定;其次,控制机器人沿工具坐标系的X轴和Z轴方向分别运动,根据工具坐标系和法兰末端坐标系的相对位姿关系进行工具坐标系姿态标定;最后,利用基于距离约束的工具坐标系标定方法和本文提出的几何法标定结果进行精度对比分析。实验结果表明几何法进行工具坐标系后机器人定位精度能达到0.692 mm,与距离约束法的工具坐标系标定精度相当;同时几何法不需要机器人运动,只需测量机器人末端的6个点就能实现工具坐标系的位置标定,且机器人末端更换新的工具后只需测量一个点就能实现新工具的位置标定。实验表明,几何法标定实验过程为3min,而距离约束法实验过程为8 min,标定效率提高了62.5%,说明该方法具有高效率和高精度的特点,能够满足高精度任务作业的实际需要。     

基于继承与优化算法的无序点云拼接技术的研究

摘要：点云拼接技术的核心是建立两个待拼接点云之间的对应关系。提出继承与优化算法进行点云精确拼接,阐述了算法原理,通过建模获取拼接过程中的旋转和平移参数,提出并分析了拼接的实现过程。采用光栅投射式三维扫描仪获取某型号汽车防雨板的6组点云数据,使用提出的算法进行点云拼接,采用多分辨率层次精度分析法对拼接结果进行误差分析,与最临近点迭代法在拼接精度、收敛速度和耗时上进行了比较。实验结果表明：继承与优化算法可实现海量无序点云的精确拼接,拼接的标准偏差小于0.10mm,两点云对拼接时间小于2秒,相比最临近点迭代法,所需迭代次数减少5次以上。     

基于图形的点云数据拼接方式研究与应用

反求设计是再现实物模型原型的数字化设计过程.在反求设计中,由于实物模型的点云数据往往不能一次测量完成,多次测量的点云数据需要通过数据拼接来达到数据统一,坐标一致.数据拼接的精度关系到测量的点云数据的精度,从而最终影响反求的三维模型的准确性.通过对点云数据拼接方法研究,结合正向设计中的几何约束对齐方式,采用基于几何图形的数据拼接方式,通过几何图形的完全对齐,实现多次测量的点云数据精确拼接,实践证明该方法在保证点云拼接精度上是切实可行的.     

用继承与优化算法精密拼接无序点云

对结构光三维扫描检测系统的拼接技术进行了研究,建立了两个待拼接点云之间的对应关系,提出用继承与优化算法进行点云的精确拼接.阐述了算法原理,通过建模获取拼接过程中的旋转和平移参数,提出并分析J,拼接的实现过程.采用光栅投射式三维扫描仪获取某型号汽车防雨板的6组点云数据,用提出的算法进行点云拼接,利用多分辨率层次精度分析法对拼接结果进行误差分析,并与最临近点迭代法在拼接精度、收敛速度和耗时上进行r比较.实验结果表明:继承与优化算法可实现海量无序点云的精确拼接,拼接的标准偏差<0.10 mm,两点云对拼接时间<2 s,所需迭代次数比ICP方法减少5次以上.     

基于2D激光扫描的基准检测技术研究

在机器人自动制孔系统中,基准孔检测的准确性会直接影响整个机器人制孔过程的位置精度。为获取基准孔孔位准确信息,采用激光扫描的方式对基准孔进行检测。设计了2D线激光扫描在基准平面内点云的三维转化方法,通过分析基准孔在扫描仪坐标系下点云的分布特点,提出了一种基于坐标差值的基准孔边界提取算法。通过设定相邻点云在线激光扫描仪坐标系下z轴的坐标差值获取边界点,实验验证该算法能有效地去除点云中的噪声点,获取准确的基准孔边缘特征信息,进而得到准确的基准孔孔位信息。     

基于Geomagic的逆向工程数据算法研究与应用

为了研究逆向工程中涉及数据换算关系,通过在机器标定基本算法原理,分别讨论图象平移及图像旋转两种情况下的基本算法及原理,并建立相应的数据换算关系;以复杂曲面模型重构点云数据采集为例,详细讨论坐标系转换关系及点云数据获取与优化原理,研究了逆向工程中数据转换原理。选用具有曲面的某型雷达零件为重构模型,采用手动拼接策略,获得完整点云数据,最终在Geomagic软件系统中完成模型重构,实现了完整的逆向操作流程。对比分析重构模型与原始数据可知,重构模型平均偏差约为0.088mm,拟合度可达77.8%,结果表明重构模型具备良好的几何精度,可见逆向工程有助于提高产品加工质量及后续优化设计。     

曲面工件自动超声检测轨迹规划

航空发动机叶片是典型复杂曲面结构,为实现叶片的自动化超声检测,提出基于曲面点云数据重建的自动化检测轨迹规划方法,在此基础上实现7轴联动复杂曲面自动扫描成像。叶片点云采用线激光轮廓仪配合工件旋转轴自动扫描获取,数据拼接整理后采用数据拟合方法获得曲面轮廓方程,基于曲面上的曲线方程规划加减速扫描轨迹,进一步对各扫描轨迹点进行多轴运动分解,获得包括六轴机械手和工件旋转轴在内的各轴轨迹。实际检测试验表明,轨迹规划算法可以实现叶片自动扫描,获得清晰C扫描图像。     

基于激光扫描和SFM的非同步点云三维重构方法

室外场景具有测量数据量大、扫描数据易重叠及建筑物表面信息复杂等特点,单靠激光扫描方法能够获得场景精确的深度信息,但缺乏颜色和纹理信息,利用从运动中恢复结构(SFM)方法可获得丰富的彩色信息,但重构精度不高,若将两种设备固定进行在线实时同步测量,易受到测量环境和系统制约不易实现。针对此问题,提出了一种基于激光扫描和SFM结合的非同步点云数据融合的三维重构方法。首先,提出利用手动选择控制点进行7自由度初始配准,再利用迭代最近点(ICP)算法对初始配准结果进行精确配准,最后利用最近点搜索算法将分布在经基于面片的多视图立体视觉(PMVS)算法优化后的SFM数据中的颜色信息与激光扫描的点云坐标进行融合。实验结果和数据分析显示,本文的方法能有效地将激光扫描与SFM点云数据进行融合,实现了室外大场景的三维彩色重构。     

基于重定位的叶片机器人磨抛系统手眼标定算法

针对叶片机器人磨抛系统中手眼标定存在人工误差、二次误差等因素导致标定精度差等问题,提出了一种基于"重定位"的手眼标定算法.以拍照式三维扫描仪为标定对象,分析机器人手眼标定数学模型,提出利用标准球在机器人末端坐标系中绕工具中心点做定点变位姿运动的标定方案.通过最小二乘法计算扫描仪坐标系下的"重定位"中心坐标,并根据多空间...     

涡轮叶片形状检测中的模型配准控制点集选取

叶片模型的配准定位是叶片形状检测与分析的一个核心环节。为解决基于迭代最近点方法的叶片密集测量数据与其CAD模型的可靠配准问题,提出一种基于CAD模型的配准控制点集选取方法。结合模型配准可靠性分析技术,预先在叶片CAD模型规划出配准基准点集;通过测量数据与配准基准点集的配准运算,把配准基准点集映射到叶片测量数据上,获取测量模型上对应的配准控制点集;滤除其中可能降低模型配准精度的坏点,得到最终的叶片模型配准控制点集。进行基于仿真与实测数据的叶片模型配准试验及对比分析,总结出一些可用于指导叶片模型配准控制点集选取的策略。结果表明,所提出的叶片模型配准控制点集选取方法是可行的。     

一种基于机器人的曲面测量、建模和加工方法

提出了一种基于机器人的卷曲类自由曲面的测最、建模和加T路径生成方法.本文采用结构光测量方法设计了一种基于机器人的自动测量系统,实现了自由曲面零件的表面测量.根据测量数据和零件的形状特点提出了一种新的建模方法,该方法首先采用提出的截面法直接提取点云的边界,然后利用射线与局部拟合曲面的交点获得有序的精整数据点,实现了NURBS曲面的精确拟合.最后,对重构的自由曲面采用等参数线法生成了加工路径.实际的算例和应用验证了本文方法的有效性和精确性.     

应用锥光偏振全息技术的航空叶片测量新方法

针对航空叶片型面复杂、曲率变化大的特点,提出一种应用锥光偏振全息原理的测量方法,该方法采用同一束锥光照明,允许被测表面的法向方向与光轴的夹角有较大的变动范围,从而避免叶片曲率变化对测量的影响。在此基础上,利用提出的基于隐式多项式的数据配准算法实现测量数据与CAD模型数据的同位姿化,获得叶片型面误差分布及相关几何参数的偏差,为加工工艺参数的调整提供精确的参数。实验结果表明,该方法测量重复性小于8μm,达到航空叶片自适应加工对测量的要求。     

Attitude-sensor-aided in-process registration of multi-view surface measurement

A novel method for in-process registration of 3D point clouds scanned from different views is presented. A miniature attitude sensor, which can output its pitch, roll and yaw angles in real-time, is mounted on the scanner. The relative pose between the attitude sensor and the scanner is calibrated in advance by a simple yet effective algorithm. When the scanner is moved from one standpoint to another in a measuring process, the real-time readings of the attitude sensor is utilized to compute the rotation movement of the scanner. After applying the rotation transformation to the current point dataset, the translation movement is efficiently determined by exploiting the normal vector constraint between the correspondence points. The rigid transformation obtained fully automatically can serve as a qualified initial estimate for further fine registration. Experiments demonstrate the applicability of the proposed method.     

基于表面贴合的不同视点传感器点云拼合方法研究

针对视觉传感器对物体表面点云数据采集的离散性,提出基于表面贴合的点云精确拼合方法。先对不同视点传感器获得的点云进行初始配准拼合,再以包容球方法选取点云重合表面区域的三处局部表面,用三维二次曲面方程拟合;旋转变换采用四元数法,经非线性最小二乘优化得到精确拼合的平移和旋转参数。该方法具有较快的收敛速度和较高的拼合精度,实例验证了所提方法的可行性。       

Efficient registration for precision inspection of free-form surfaces

Precision inspection of free-form surface is difficult with current industry practices that rely on accurate fixtures. Alternatively, the measurements can be aligned to the part model using a geometry-based registration method, such as the iterative closest point (ICP) method, to achieve a fast and automatic inspection process. This paper discusses various techniques that accelerate the registration process and improve the efficiency of the ICP method. First, the data structures of approximated nearest nodes and topological neighbor facets are combined to speed up the closest point calculation. The closest point calculation is further improved with the cached facets across iteration steps. The registration efficiency can also be enhanced by incorporating signal-to-noise ratio into the transformation of correspondence sets to reduce or remove the noise of outliers. Last, an acceleration method based on linear or quadratic extrapolation is fine-tuned to provide the fast yet robust iteration process. These techniques have been implemented on a four-axis blade inspection machine where no accurate fixture is required. The tests of measurement simulations and inspection case studies indicated that the presented registration method is accurate and efficient. This work was supported primarily by the NSF Engineering Research Center for Reconfigurable Manufacturing Systems as part of the Engineering Research Centers Program of the National Science Foundation under NSF Award Number EEC 95-29125.     

叶片复杂曲面的机器人抛磨工艺规划

为了实现复杂曲面工件的智能抛磨加工,对叶片复杂曲面进行机器人抛磨工艺规划。对抛磨点位置规划算法和基于最大接触原则的抛磨姿态规划算法进行了研究。首先,通过平行截面法获得抛磨路径割线,以非均匀有理B样条(NURBS)曲线描述。接着,提取曲线特征参数,根据设定的阈值进行抛磨点规划,再基于抛磨轮与工件的最大接触原则进行抛磨点姿态规划,从而得到完整的抛磨路径。然后,将工件位姿从工件坐标系转换到TCP坐标系。最后,搭建了柔性抛磨系统仿真平台生成机器人控制程序。实验结果表明,此方法规划的路径可用于叶片复杂曲面的机器人抛磨加工。分别用本文规划所得路径和CAM软件规划所得路径对叶片进行抛磨加工,测得表面粗糙度分别为0.695~0.930μm和2.803~3.243μm。本文提出的抛磨位姿规划方法可用于复杂曲面工件的抛磨路径规划,使工具和工件保持最大接触,从而避免了位姿不合理所产生的过抛和欠抛。