机器人激光三维扫描技术在壳体自动测量中的应用

介绍了一种基于机器人的三维自动扫描测量方法,及其在壳体产品自动测量中的应用。通过DELMIA/Robotics模块对机器人运动轨迹的路径规划和离线编程,生成用于执行光学三维扫描的自动测量程序。仿真环境真实模拟了生产现场中产品、工装、扫描仪器的位置信息,并经现场对机器人运动路径调试后,与夹持在机器人末端的激光扫描仪一同完成壳体产品外形的自动扫描测量,经逆向工程软件Geomagic Quality完成对产品尺寸和形位特征的模型比对、测量分析和报告生成工作。结果表明通过机器人三维自动扫描测量方法可有效提高产品的测量效率和质量可靠性。     

法兰密封面三维光学检测系统设计

法兰密封面是核电各压力容器主设备的承压边界,其密封性能和和可靠性直接影响机组的安全稳定运行,密封面的检测是保证其完好性的重要前提。由于检测对象体积大、不可拆卸且具有放射性,如何实现高效、全面、自动化检测密封面尺寸及形位误差、识别表面缺陷是亟待解决的问题。针对某型号法兰密封面的检测需求,设计出机器人三维光学测量系统,实现了自动化获取密封面结构的完整点云数据,并开发数据处理软件计算密封面尺寸、形位误差,识别其表面缺陷,最后搭建检测系统样机对该型号法兰密封面1/5模拟样件进行测量试验,验证了该系统的可行性和有效性。     

iPoint3D曲面检测软件开发与工程应用综述

三维光学测量为大型复杂零件精密制造提供了新手段,但实际操作时面临两大难题:其一,非接触式光学测量存在数据规模大、测点噪音与层叠、测点密度不均、初始位姿任意、曲面误差计算难等诸多问题;其二,缺乏统一的数据存储格式、专用检测工艺库和批处理操作,需多款商业软件人机反复交互,效率低下、一致性差。针对这些难题,系统介绍了相位移面阵测量原理、点云微分信息估计、点云精简/光顺、点云-曲面匹配、点云-曲面误差计算等大规模测点处理算法,以此为基础综述了iPoint3D软件开发层次结构、主要功能模块、人机操作界面、IPD数据存储格式,并给出了iPoint3D软件批处理操作的实现方法和检测报告生成流程。最后介绍了完全自主开发的iPoint3D软件在汽车曲轴检测、航空叶片检测、锻造大叶片变形检测、机器人磨削叶片余量分配、机器人铣削蒙皮轨迹计算、核主泵法兰面机器人检测、柔性曲面共形打印视觉定位等工业场景的计算过程和应用效果,并讨论了复杂曲面零件三维光学测量的发展趋势。     

磁导引与UKF滤波定位的轮式AGV路径跟踪研究

为实现农用机器人自主导航行走系统在满足较高环境适应性和运动灵活性条件下,能够平稳导航自动路径跟踪.根据农业机器人采摘作业环境要求,构建四轮转向AGV位姿估计的运动学模型,开展了基于模糊控制器的磁导航路径跟踪控制和多传感器信息融合的AGV位姿定位方法研究.试验结果表明:采用模糊控制器能够即时调整AGV车体速度与导向角,UKF滤波器进行数据信息融合的方法能够有效提高AGV位姿定位精度,实现48mm以内的位姿误差和小于4°的航向误差,可为农用轮式AGV应用提供参考.     

基于激光扫描测量臂的工业机器人运动学标定

提出一种基于激光扫描测量臂测量系统的6轴工业机器人运动学标定方法。分析了机器人本身的运动偏差和综合考虑测量系统构造的机器人坐标系与真实基座标系之间的不重合问题;建立机器人末端位置与各连杆参数相关的绝对定位误差方程,基于该误差方程,利用便携式激光扫描测量臂测量系统对不同空间位置姿态下机器人的法兰中心点进行测量,并用最小二乘法对误差方程进行解算,利用计算出的参数误差修正机器人模型中的各名义参数值,可以提高机器人运动的准确度。将该方法应用在Staubli TX90工业机器人上,实验结果表明,机器人的绝对定位精度由标定前的均值/标准差0. 742 5 mm/0. 191 0 mm减少到标定后的0. 242 8 mm/0. 098 1 mm,提高了近50%,表明该标定方法的有效性和准确性。     

机器人熔覆3D打印中的成形路径生成研究

介绍了一种基于六自由度工业机器人的熔覆3D打印系统,对打印成形中的成形路径生成进行了研究。根据系统特点开发了机器人扫描路径文件自动生成程序,能够将扫描路径的点坐标与机器人空间姿态及熔覆工艺参数进行组合,生成机器人运动控制程序。进行了成形实验,实验结果达到要求。     

激光制导测量机器人几何误差分析

目的: 为了实现对工件进行自动高效地测量,建立了激光制导测量机器人系统,研制了测量机器人样机。对测量机器人的光靶自动跟踪装置旋转轴偏心误差和光靶与两轮中心连线误差进行了研究。方法:首先,介绍了基于“光束运动-光靶跟踪”理论的激光制导测量机器人技术和原理。接着,根据系统原理,研制了实验样机,并给出其理想的几何关系。然后,推出了旋转轴偏心误差和光靶与两轮中心连线误差几何误差数学模型。最后,利用三坐标测量机与激光制导测量机器人系统对样机进行了比对实验。结果：实验结果表明：光靶中心偏离理想位置的误差（x轴）为0.13mm。结论：对激光制导测量机器人移动反馈控制系统的设计和实现具有指导性作用。     

基于2D激光位移传感器的舱段自动对接测量方法

针对舱段对接装配需求，结合舱段对接工艺过程，提出一种基于2D激光位移传感器的舱段自动对接测量方法。首先将待对接舱段调整至相距基准舱段约50 mm待装位，采用2D激光位移传感器检测两舱段对接处三个点位的2D轮廓偏差，计算得到待对接舱段除自转角外的5个自由度位姿；然后根据两舱段法兰端面上的豁口特征，通过扫描两个舱段法兰豁口位置，计算得到待对接舱段自转角；最后将结果反馈至控制系统，驱动执行机构进行位姿的调整。通过引入误差的仿真并结合对接实验对所提方法进行了验证，结果表明，所提方法测量精度高，对接效果良好，能够满足舱段自动对接需求，有效提高了自动对接系统的效率、稳定性和一致性。     

仿爬行类四足步行机器人运动学标定模型研究

针对步行机器人在实际运动中存在的运动误差问题,在介绍仿爬行类机器人Mini Quad-Ⅰ结构的基础上,建立了该类机器人的几何参数模型。讨论了该类四足步行机器人参数误差与结构尺寸及运动轨迹误差的关系,对该类机器人运动学的标定模型进行了详细研究。通过测量机器人在给定轨迹下运动时,机体位姿的变化及各关节运动角的实际运动角,对机器人的结构参数进行标定。开发了标定参数的自动计算系统,并以实例进行了说明。为建立机器人的相对精确控制模型奠定了基础。     

大尺寸光学元件在位动态干涉拼接测量系统

为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求,本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200mm×300mm×20mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验,采用误差均化拼接算法进行拼接,并对拼接后的结果进行分析处理,比较拼接测量与全口径测量结果,PV值的相对误差为3.1%,RMS值的相对误差为1.6%,Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。     

机器人工具和相机位姿标定的新方法

传统机器人手眼(机器人手腕法兰和相机)标定精度受限于机器人运动链的准确性,而且往往很难标定工具与机器人手腕法兰之间位姿关系。提出一种基于三坐标测量仪的高精度手眼标定新方法,利用三坐标测量仪将机器人末端工具、法兰盘、相机构建成闭环系统,避开了机器人的运动链,能够同时标定相机及工具-法兰三者之间的位姿关系,具有很强的实用性。实验表明,本标定方法的位置精度可达0.3 mm以内,角度精度可达0.062°。     

铸件加工余量自动化三维测量技术及装备

目前通过人工划线的方式测量铸件的加工余量,其效率低且重复性差,而面结构光三维测量技术具有非接触、速度快、精度高等优势,因此广泛应用于铸造、锻造等领域。将面结构光三维测量技术与六关节机器人以及高精度电动转台相结合,设计铸件加工余量三维视觉测量系统。利用机器人和转台具有极高的重复定位精度这一特性,将不同方位的测量数据统一到同一个坐标系下,实现无标拼合;仅需5～6个标记点,通过计算标记点的坐标转化关系,实现正反面数据的自动拼合。该系统能够自动测量铸件点云数据并将其与设计图进行自动对比,自动出具检测报告,实现铸件加工余量的自动化检测。试验证明,该系统8min完成铸件的余量测量,系统精度为0.072mm,重复精度为0.065mm,能够满足铸件加工余量的检测要求。     

基于机器视觉的齿轮自适应测量系统设计

针对采用传统方法进行齿轮测量时容易遇到测量困难与测量效率低等问题，设计了一种基于机器视觉的齿轮自适应测量系统，由机器人结合视觉定位将齿轮抓取至检测平台，利用Halcon图像处理软件提取齿轮对应参数，根据齿轮参数自动生成合适的阈值以完成多批齿轮共同测量，同时机器人利用测量信息对所测齿轮进行分组。研究结果表明，系统可以识别出不同类型的齿轮，齿轮的参数检测精度误差可以达到±0.02mm,图像系统响应时间为0.2262s,该系统大大提高了测量效率，降低了测量所需的人工成本。     

一维光学位置传感器融合的非接触多自由度位姿测量系统

为实现机器人末端位姿多自由度实时测量反馈,融合一维光学位置传感器（Position Sensitive Detector,PSD）建立了平面3自由度非接触测量系统,对其测量原理,信号处理电路,环境光干扰去除和非线性标定算法等进行研究。根据PSD传感器测量特性和平面3自由度测量要求设计了4-PSD测量系统,并建立测量系统数学模型。研究了PSD传感器的信号处理电路,通过运放和除法器实现了单个PSD的信号处理,结合单片机与A/DC采样电路,实现了上位机的高频率信号采集。对4-PSD测量系统进行预实验,为消除环境光干扰,通过激光调制和数字滤波等方法进行验证。最后,通过激光位移传感器标定4-PSD测量系统,介绍了4-PSD的标定步骤（原点、转角、长度和二阶非线性标定）,测定了系统标定后的误差分布。该测量系统具有较高的测量频率（50 Hz）。标定实验结果表明：标定后的4-PSD测量系统在70mm×70 mm内,测量精度平均为0.49 mm,比标定前降低了90%的误差,能满足大部分高速、高精度机器人末端的非接触式实时测量反馈需求。     

用于复杂空间曲面加工的机器人磨削系统

开发的用于复杂曲面的磨削机器人磨削系统由六自由度ABB机器人和砂带磨削机组成,其工艺流程包括工具和工件位姿标定、加工路径离线编程、自动磨削加工和检测.弹簧、比例阀构成的力补偿系统保证了磨削过程中接触力的稳定.该系统加工出的汽轮机叶片形面误差和表面质量比传统方法加工出的叶片有大幅度提高.     

用于复杂空间曲面加工的机器人磨削系统

开发的用于复杂曲面的磨削机器人磨削系统由六自由度ABB机器人和砂带磨削机组成,其工艺流程包括工具和工件位姿标定、加工路径离线编程、自动磨削加工和检测。弹簧、比例阀构成的力补偿系统保证了磨削过程中接触力的稳定。该系统加工出的汽轮机叶片形面误差和表面质量比传统方法加工出的叶片有大幅度提高。     

用于动态测量的一种新的惯性传感系统

针对各种动态测量系统和技术的不足,以及机床工作环境对测量过程的影响,提出一种新的惯性传感系统,用于并联机床各杆件(腿)长度、姿态(位姿)变化的精确测量。系统运用数据融合的方法,对测量中出现的惯性误差作出修正,抑制误差的漂移,并预估系统的位置和速度状态变量。通过对300 mm全程运动的实验测量和对实验结果的分析表明,应用新的系统,能改善并联机床和机器人的动态定位,使位置精度和运动精度得到明显的提高。并随着低成本固态加速度计技术的进一步完善,使测量成本降低的同时,新系统能为并联机床和机器人提供更高的位置与速度的动态测量精度。     

计算全息补偿检测自由曲面的高精度位姿测量

为实现自由曲面的定位与位姿高精度测量,提出了“光学-机械”基准定位法,建立了位姿测量模型,并对该方法的定位误差和基准选择展开研究。根据三坐标测量机与计算全息提出了“光学-机械”基准定位法。然后,采用球形安装的回射器（Sphere Mounted Retroreflector,SMR）、猫眼、基准球作为基准,基于波像差理论与视差效应分别建立了3种基准的位姿测量模型,得到了位置误差与基准区域波前像差的函数关系,并对3种位姿测量模型进行对比。最后,对3种基准位姿测量方法进行仿真及实验验证,实测结果与模型的残差结果均小于0.05λ,相对误差均小于2.43%,验证了模型的准确性。实验结果表明,当检测距离为1 000 mm时,猫眼法的轴向定位误差为24μm;基准球法的轴向定位误差为50μm;SMR靶球法的轴向定位误差为16μm,X,Y方向的定位误差为1μm,滚转角定位误差为3.26″。SMR靶球法的定位误差最小、检测动态范围最大且检测光学元件的自由度最多,更适用于自由曲面的高精度位姿检测。     

基于结构光的叶片自动检测系统研发

针对三坐标检测叶片型面时成本高、检测轮廓有限,以及光学扫描检测时难以快速、自动、完整扫描的问题,设计了基于结构光扫描仪的叶片自动化检测系统。PCI运动控制卡作为上位运动控制器,带细分的步进电机作为动力元件,完成了三自由度的自动化检测系统搭建和叶片扫描检测。实验结果表明,合理的扫描规划高效地完成了整个叶片的扫描,并依托点云数据快速地实现了整个叶片三维逆向重构与检测。对比结构光学检测与三坐标的截面轮廓检测精度,该检测系统能够快速地获取检测模型并准确地完成整个叶片精度检测,提高了效率,降低了成本。     

大范围平动并联机器人运动学解耦与速度自适应规划

并联机器人是一种多支链、多关节、强耦合非线性系统,具有高速、高刚度和大负载等明显优势而被广泛应用到工业领域。然而,随着关节数量的增加导致该类机器人运动学解耦和高精度平稳控制的难度较大。为实现大范围平动3-RRRU并联机器人自动化轨迹跟踪和控制的平稳性,针对运动学解耦和速度自适应规划方法展开了系统、深入地研究。首先,应用DH法建立了机器人运动学模型,基于结构约束条件完成运动学解耦计算,并在S型控制策略中加入速度自适应修正机制,依据不同轨迹可自动计算并修正最大速度参数,实现自适应优化;其次,采用激光跟踪仪对机器人轨迹进行动态跟踪,对比分析了S型速度和梯型速度控制策略下的跟踪精度,梯型速度规划下其最大误差高达4.513 mm,是S型控制策略的3倍,且位置误差曲线出现多个尖峰值,说明因速度突变导致运动平稳性较差;最后,测试S型速度规划下采用自适应修正机制前、后机器人的平稳性以及轨迹跟踪精度。实验结果表明:当规划路径难以实现机器人加速到原预设最大速度时,在轨迹末端存在较大的惯性速度,产生位置尖峰误差为2.676 mm,是修正后最大误差的2.4倍,且伴随着明显的冲击效应。引入自适应修正机制后圆轨迹的起点和终点位置误差分别为0.722 mm和0.382 mm,二者相对位置偏差仅为0.34 mm,且末端定位误差相比修正前降低了一个数量级,有效解决了机器人存在惯性冲击效应的难题,大幅提高了机器人整体轨迹跟踪的精度和控制的平稳性。