一種逆向工程機器人系統的製作方法

2023-07-05 22:42:46 1

專利名稱：一種逆向工程機器人系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於先進位造技術領域。
背景技術：
逆向工程(Reverse Engineering)作為一項新的先進位造技術被提出是在上世紀八十年代末至九十年代初。當時首先由美國汽車龍頭—福特汽車公司倡導的汽車「2毫米工程」對傳統的製造業提出了前所未有的挑戰。它要求將質量控制從最終產品的檢驗和檢測，提前到產品的開發設計階段，其目的在於減小開發風險，降低開發成本，加快產品成功開發的周期。
隨著計算機技術的發展，三維造型技術已被製造業廣泛應用於產品及模具設計、方案評審、自動化加工製造及管理維護各個方面。在實際開發製造過程中，設計人員接收的技術資料可能是各種數據類型的三維模型，但很多時候，卻是實物模型。設計人員需要通過一定的途徑，將這些實物信息轉化為CAD模型，這就應用到了逆向工程技術(Reverse Engineering)。也就是利用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型的過程。
一般來說，在工業領域的實際應用中，逆向工程包括以下幾個內容(1)新零件的設計，主要用於產品的改型或彷型設計。
(2)已有零件的複製，再現原產品的設計意圖。
(3)損壞或磨損零件的還原。
(4)數位化模型的檢測，以及進行模型的比較。
逆向工程技術為快速設計和製造提供了很好的技術支持，它已經成為製造業信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。目前，在國際上，具有代表意義的逆向工程系統有英國雷尼紹公司的第二代高速掃描儀(CYCLON SERIES2)；德國GOM公司的ATOS可攜式掃描儀；日本羅蘭公司的PIX-30、PIX-4臺式掃描儀和福萊德公司的柔性可攜式三維坐標機。這些系統在某些應用領域能夠有效地提供用於模型重構的點雲數據。
以三維雷射檢測為依託的逆向工程裝備極大地推動了企業產品開發、提高設計水平和減少開發周期，取得了很好的經濟效益和社會效益。然而，上述裝備適用範圍是具有局限性的。它們存在下述問題。
1)前三種逆向工程系統只能被固定使用，被測對象是能夠被自由移動到檢測現場的物體。不能在加工、製造、質量檢測背景下應用於諸如輪船、汽車及飛機等大型加工或維修現場使用。對於複雜的待測工件，由於三維坐標機固有的特性，不能一次性完成掃描，需要多次掃描，並進行數據拼合。此外該系統形體笨拙且價格昂貴。這一切嚴重地阻礙了該類裝備的在製造加工和維修業的廣泛應用。
2)便攜三維坐標機雖能在現場使用，但要人工幹預，且該系統只能適用於較小的檢測對象，並不適用大型複雜的檢測對象。
3)使用上述逆向裝備只能測取工件的點雲信號，需要使用特殊的逆向工程軟體對其進行處理加工才能完成模型重構的整個過程。在現有的檢測模式下，難於實現數據檢測、識別、處理集成化和模型重構自動化。
4)上述裝備功能單一，不具備針對不同的應用背景進行再開發的可能性。
上述分析表明，具有開拓性、實用性和綜合性的逆向工程裝備在新產品的開發、舊零件的還原以及產品的檢測中已佔據了重要地位。由於現有裝備不能在加工現場完成不易搬動的大型工件的檢測任務。面對製造業的飛速發展，一種集成度高，靈活性強，適用於大型工件並能夠在加工現場使用的全自動化的逆向工程裝備的需求已迫在眉睫。

發明內容
本發明的目的就是提供一種能夠實現逆向工程中數據採集及模型重構的逆向工程機器人系統。
本發明的原理是，結合機器人技術及雷射掃描技術，打破常規逆向工程裝備的表面數據檢測模式，利用關節式機器人的六個自由度，一次性完成整個待測物體的掃描，極大的提高了掃描精度同時有效的縮短了掃描時間。
本發明的技術解決方案是，本系統由雷射測頭1、工業機器人2、主控計算機3、控制櫃4、變位機5和待測工件6組成，其中雷射測頭1通過數據電纜與工業機器人2連接，傳輸掃描數據，工業機器人2通過通訊電纜與控制櫃3相連，接受運動指令同時傳遞掃描數據，控制櫃3通過網口與主控計算機1相連，傳遞控制指令和掃描數據，主控計算機1主要完成運動路徑規劃、數據顯示和處理等核心任務。系統的基本工作流程如下用戶通過主控計算機輸入待測工件的尺寸範圍、材質等基本參數，系統自動進行掃描路徑規劃，然後控制機器人、變位機和雷射測頭進行測量。測量數據進行實時三維顯示，最終完成整個工件的測量任務。用戶也可以根據測量結果，通過交互幹預修改測量路徑，從而獲得滿意的測量結果。另外，該系統還可以完成帶有孔狀特徵的待測工件孔內部特徵的掃描。測量結束後系統自動保存測量結果，然後用戶可以有選擇性的在此基礎上進行點雲數據、曲線重建、曲面重建和模型驗證的處理。
測量時間測量精度測量時間由待測工件的表面複雜程度和掃描精度決定。標準測試物體的測量時間為30分鐘，空間解析度1mm。測量精度由雷射測頭決定，重複定位精度達1μm-10μm。
為實現上述目的，本系統工作的主要步驟包括a)輸入待測工件的基本幾何尺寸(包裹物體的最小包圍盒)及基本掃描條件(待測物體的材質、表面粗糙度)。
b)自動路徑規劃。
c)掃描+實時點雲數據三維顯示。
d)掃描數據的檢定+掃描路徑調整+局部二次掃描。
e)數據後處理(點雲處理、曲線重建、曲面重建、模型驗證)。
自動路徑規劃的步驟採取基於預測的路徑規劃方法該方法要首先根據已測出曲面上前十點用最小二乘擬合方法近似預測出Q點的坐標。然後計算出P點與Q點在X、Y、Z坐標的平移距離dx、dy、dz和繞X、Y、Z的旋轉角度α、β、γ。
將這些計算結果作為機器人腕部的調整變量，得出機器人的腕部位姿，通過機器人運動學的逆運算，得到機器人各關節變量，控制機器人到達新的位置並完成Q點的測量。
這種路徑規劃方法是實時在線完成的，只需要一次掃描就可以完成整個測量任務，速度較快。缺點是對於曲面形狀突變的地方無法準確測量。
自動路徑規劃的步驟採取基於掃描數據的路徑規劃方法
該方法將掃描過程分成兩個階段粗掃和精掃。首先固定測頭的姿態，採用階梯狀預測方法對測頭的位置進行調整，完成對待測工件表面的粗略測量過程。預測函數Δh＝(Mmax+Mmin)/2-PZ其中Mmax和Mmin分別是雷射測頭的最大和最小測量範圍，PZ是P點的Z坐標。
然後根據粗掃的結果估算各測量點的法向量。根據被測點的實際法向量和三維坐標值重新進行一次掃描，以糾正粗掃過程中的測量誤差，得到最終的測量結果。被測點的法向量估計函數如下n＝BECD實現點雲數據三維顯示的步驟a)獲取測頭深度數據d；b)根據測頭與機器人腕部的坐標變換矩陣A和機器人的腕部位姿矩陣B得到被測點相對於機器人基座的坐標；c)利用基於OpenGL的三維引擎實現點雲的三維繪製。
由於所有測量點的坐標都是基於機器人基座的，所以對待測工件的各面進行測量時測量數據可實現無縫彌合，不需要點雲的配準和融合，有效地提高了測量精度。
本發明所達到的有益效果是本發明利用機器人控制的靈活性，實現了快速高效的路徑規劃，使得整個系統具有靈活性和開發性好、適應性強、功能全、集成度高的特點。由於工業機器人具有極強的環境適應能力和抗噪聲能力，使得本系統完全可以在工業現場使用。系統以靈活主動及自動化的檢測模式打破現有的被動的或手動的檢測模式，以此把逆向工程裝備推向加工現場使其實時化。從而取得通過逆向工程推動加工設計自動化、加工質量監測自動化和貴重工件修復自動化的結果。作為一種新型的逆向工程裝備，該系統將在龐大的國際國內市場上具有強大的競爭力。該裝備將推動製造業自動化的發展。與此同時，目前已經成熟的機器人產品的市場將被拓寬。普及機器人應用的步伐將被加快。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進一步說明。
圖1是本發明的系統示意圖。
圖2是本發明的對測試物體前視掃描姿態圖。
圖3是本發明的對測試物體後視掃描姿態圖。
圖4是本發明的對帶孔部件孔內部的測量方法圖。
圖5是本發明的標準測試物體圖。
圖6是本發明的基於預測的路徑規劃方法圖。
圖7是本發明的基於掃描數據的路徑規劃方法粗掃規劃圖。
圖8是本發明的基於掃描數據的路徑規劃方法法向量計算圖。
圖9是本發明的流程圖。
圖10是本發明的具體實施方式
待測工件圖。
圖11是本發明的掃描結果圖。
圖12是本發明的掃描結果圖。
圖13是本發明的掃描結果圖。
圖14是本發明的掃描結果圖。
圖1中，1.是雷射測頭 2.是工業機器人 3.是主控計算機 4.是控制櫃 5.是變位機 6.是待測工件。
具體實施例方式
通過關節式機器人，採用非接觸式雷射掃描頭或雷射傳感器對複雜的未知曲面進行數據檢測，利用機器人的六個自由度，通過自適應路經規劃在掃描過程中對曲面進行跟蹤，儘可能的保證雷射測頭與被測表面距離恆定，雷射射入角垂直於被測點表面。在保證檢測精度的基礎上有效地克服檢測盲點問題和不能一次性完成掃描的問題。利用工業機器人的環境適應能力、抗噪聲能力和工作空間能力解決傳統設備難以適應工業現場的問題，通過一體化的軟體設計和系統流程，解決傳統系統難於實現數據檢測、識別、處理集成化和模型重構自動化。的問題。實踐證明本發明設計的系統具有快速性、高效性和可行性，具有極高的應用價值。
本發明主要包括以下三個部分(一)掃描路徑的規劃，主要是待測點的坐標和法向量的估計。
(二)掃描數據的坐標轉換和三維顯示。
(三)數據後處理，包括點、線、面。
下面結合上述兩部分，對一個發動機部件的掃描進行詳細的介紹步驟1輸入待測工件的基本參數尺寸11×20×15cm3，材質鈦合金表面粗糙度≤0.5％。
步驟2粗掃採用路徑規劃的第二種方法即基於掃描數據的路徑規劃方法。將掃描過程分成兩個階段粗掃和精掃。首先固定測頭的姿態，採用階梯狀預測方法對測頭的位置進行調整，完成對待測工件表面的粗略測量過程。預測函數Δh＝(Mmax+Mmin)/2-PZ＝(250-90)/2-Pz＝80-Pz其中250和90分別是雷射測頭的最大和最小測量範圍，PZ是P點的Z坐標。獲取待測工件的粗略外形特徵。
步驟3精掃根據粗掃的結果估算各測量點的法向量。被測點的法向量估計函數如下n＝BECD根據被測點的實際法向量和三維坐標值重新進行一次掃描，以糾正粗掃過程中的測量誤差，得到最終的測量結果。
運行結果圖10是本次掃描的發動機部件。圖11-圖13是實物與掃描結果的對比。其中圖11是俯視圖、圖12是左視圖、圖13是右視圖、圖14是正視圖。
權利要求
1.一種逆向工程機器人系統，其特徵在於，a.本系統由雷射測頭(1)、工業機器人(2)、主控計算機(3)、控制櫃(4)、變位機(5)和待測工件(6)組成，其中雷射測頭(1)通過數據電纜與工業機器人(2)連接，工業機器人(2)通過通訊電纜與控制櫃(4)相連，控制櫃(4)通過網口與主控計算機(3)相連，待測工件(6)固定在與系統連接的變位機(5)上；b.系統工作的步驟是①通過主控計算機(3)輸入待測工件(6)的幾何尺寸及掃描條件，②自動路徑規劃，③掃描+實時點雲數據三維顯示，④掃描數據的檢定+掃描路徑調整+局部二次掃描，⑤數據後處理。
2.根據權利要求1所述的一種逆向工程機器人系統，其特徵在於，自動路徑規劃的步驟採用基於預測的路徑規劃方法，首先根據已測出曲面上前十點用最小二乘擬合方法近似預測出Q點的坐標；然後計算出P點與Q點在X、Y、Z坐標的平移距離dx、dy、dz和繞X、Y、Z的旋轉角度α、β、γ；將這些計算結果作為機器人腕部的調整變量，得出機器人的腕部位姿，通過機器人運動學的逆運算，得到機器人各關節變量，控制機器人到達新的位置並完成Q點的測量。
3.根據權利要求1所述的一種逆向工程機器人系統，其特徵在於，自動路徑規劃的步驟採用基於掃描數據的路徑規劃方法，將掃描過程分成兩個階段粗掃和精掃；首先固定測頭的姿態，採用階梯狀預測方法對測頭的位置進行調整，完成對待測工件表面的粗略測量過程；預測函數Δh＝(Mmax+Mmin)/2-PZ，其中Mmax和Mmin分別是雷射測頭的最大和最小測量範圍，PZ是P點的Z坐標；然後根據粗掃的結果估算各測量點的法向量；根據被測點的實際法向量和三維坐標值重新進行一次掃描，以糾正粗掃過程中的測量誤差，得到最終的測量結果；被測點的法向量估計函數如下n＝BECD
4.根據權利要求1所述的一種逆向工程機器人系統，其特徵在於，實現點雲數據三維顯示的步驟是a.獲取測頭深度數據d；b.根據測頭與機器人腕部的坐標變換矩陣A和機器人的腕部位姿矩陣B得到被測點相對於機器人基座的坐標；c.利用基於OpenGL的三維引擎實現點雲的三維繪製。
全文摘要
一種逆向工程機器人系統屬於先進位造技術領域。系統由測頭、機器人、計算機、控制櫃和變位機組成，用戶輸入測量基本參數，系統自動進行掃描路徑規劃，控制機器人、變位機和測頭完成測量。系統利用機器人控制的靈活性實現自動一體化的路徑規劃。利用工業機器人的環境適應能力和抗噪聲能力滿足工業現場需求。以主動及自動化的檢測模式實現後處理自動化和可開發性。已經成為製造業信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。
文檔編號G06T17/40GK1730248SQ200510047079
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月20日 優先權日2005年8月20日
發明者馬孜, 胡英, 黃進, 李愛國 申請人:大連海事大學