一種用於表面缺陷檢測的機械手裝置的製作方法
2023-08-05 15:33:21 1
本實用新型屬於工業自動化領域，涉及視覺檢測機器人技術，特別是涉及一種能夠對複雜形狀物表面缺陷進行智能化檢測的機械手。
背景技術：
近年來，基於機器視覺的無損檢測技術被廣泛應用於表面缺陷檢測中，可以大大提高生產效率和生產的自動化程度，尤其是在一些不適合於人工作業的危險工作環境或人工視覺難以滿足要求的場合，往往需要採用機器視覺來代替人工視覺檢測。在視覺檢測領域，首先要保證圖像質量好、特徵明顯，獲得高質量的可處理圖像是進行智能處理與識別的關鍵，因此必須要設計一個合適的圖像採集裝置。目前往往是將數字相機安裝在一個固定的位置採集移動中的物體，或是將數字相機安裝於一個移動式的載體上，通過載體快速移動實現對被測物圖像的採集和存儲。
將該技術應用於橋梁、隧道等大型交通基礎設施的表面缺陷檢測時，由於被測物體積龐大，一般需要多臺相機同時拍攝才能獲得完整的圖像。更重要的是，這種被測物形狀較為複雜，以高速公路隧道為例，其斷面形狀為一個圓弧形曲面，而且不同隧道的斷面形狀及尺寸完全不同，這也限制了機器視覺在該領域中的推廣和應用。機器人是近年來興起的一門學科，具有多軸聯動、運動精度高、承載能力強、結構緊湊等優點，廣泛應用於位姿調整、運動模擬、系統仿真等領域，通過各運動分支協調擺動帶動運動平臺實現空間多自由度運動及定位功能。因此，將機器人技術引入基於視覺的無損檢測領域中，可以從根本上解決因拍攝參數不達標造成的圖像採集質量低、適應性差等問題。
技術實現要素：
為解決上述問題提出一種智能機械手裝置，利用機器人運動靈活、多軸聯動、工作空間大等優點，該裝置可根據被檢物形狀實時調整相機的空間位置和姿態，使其處於最佳拍攝位置處，實現對大型、複雜形狀物表面缺陷的智能化檢測。
一種用於表面缺陷檢測的機械手裝置，包括基座、工作平臺、三個結構相同的運動分支和數字相機等。外部形狀為圓形的工作平臺通過軸承、階梯軸等安裝於基座上，可實現繞其圓心的連續轉動；每個運動分支由一個移動副(P)、兩個轉動副(R)及連杆構成，其中移動副、轉動副軸線分別垂直於工作平臺安裝面及端面，在各運動副處均安裝有驅動電機及傳感器；用於採集圖像的數字相機安裝於分支末端處，相鄰運動分支的移動副夾角為45°。安裝於基座上的雷射掃描儀實時採集被測物三維輪廓數據，結合數字相機物距、焦距等硬體參數生成機器人運動軌跡，在各驅動作用下數字相機調整其空間位置與姿態，以獲得最佳的圖像質量。
本實用新型採用的技術方案如下：
一種用於表面缺陷檢測的機械手裝置，其特徵在於，由基座、工作平臺、三個結構相同的運動分支、數字相機和雷射掃描儀構成，其中：
具有圓形結構的工作平臺中心位置處布置有圓孔和鍵槽，通過軸承、階梯軸和鍵安裝於基座上，基座由一個水平布置的矩形平臺和兩個豎直布置的軸承座焊接而成；基座矩形平臺上安裝有雷射掃描儀，用於實時採集被測物三維輪廓數據，四周布置有地腳安裝孔，用於連接載體；基座軸承座一端安裝驅動裝置、另一端安裝有計數裝置，用於驅動工作平臺轉動，並記錄其轉角；
運動分支是一個具有空間三自由度運動(PRR)分支，由連杆、一個移動副和兩個轉動副構成，其中移動副軸線垂直於工作平臺安裝面，兩個轉動副軸線互相平行且均垂直於安裝平臺端面；三個結構相同的運動分支安裝於工作平臺表面，相鄰分支中移動副軸線夾角為45°；數字相機安裝於分支末端，在分支運動副處均安裝有驅動裝置和傳感器，在各驅動裝置作用下數字相機在工作平臺平面內的移動和轉動，實現精確定位和調姿。
作為優選，所述基座軸承座處的驅動裝置是電機，計數裝置是編碼器。
作為優選，運動分支中移動副的實現方式為伺服電動缸。
作為優選，運動分支中移動副的實現方式為絲槓、滑塊、導軌的組合方式。
作為優選，運動分支中轉動副由階梯軸、軸承、端蓋構成。
作為優選，移動副處安裝用於精確測量直線運動的光柵尺，轉動副處安裝有用於精確測量轉動運動的絕對值編碼器。
作為優選，數字相機安裝於分支末端，光軸沿運動分支轉動副處的連杆方向。
作為優選，當採用工業線陣數字相機時，控制器伺服周期小於20ms。
作為優選，當採用工業面陣數字相機時，控制器伺服周期小於100ms。
本實用新型創新提出了一種視覺檢測機器人裝置，適用於橋梁、隧道等複雜形狀物的表面缺陷檢測，具有環境適應性強、運動靈活、適用範圍廣等優點，改變了傳統依靠人工識別效率低、智能檢測手段適應性差等現狀，具有重要的應用價值。
附圖說明
圖1為本實用新型提供的用於表面缺陷檢測的機械手裝置的結構示意圖，附圖標記如下：
基座-1、工作平臺-2、運動分支-3、數字相機-4、軸承-5、階梯軸-6、鍵-7、矩形平臺-(1-1)、軸承座-(1-2)、移動副-(3-1)、轉動副一-(3-2)、轉動副二-(3-3)。
具體實施方式
下面結合具體的實施例對本實用新型所述的用於表面缺陷檢測的機械手裝置做進一步說明，但是本實用新型的保護範圍並不限於此。
本實用新型提供了一種智能機械手裝置，由基座、工作平臺、三個結構相同的運動分支、數字相機和雷射掃描儀構成，各部分組成及連接形式如下：
具有圓形結構的工作平臺中心位置處布置有圓孔及鍵槽，通過軸承、階梯軸、鍵等安裝於基座上，基座由一個水平布置的矩形平臺和兩個豎直布置的軸承座焊接而成。基座矩形平臺上安裝有雷射掃描儀，用於實時採集被測物三維輪廓數據，四周布置有地腳安裝孔，用於連接車輛等載體；基座軸承座一端安裝有電機等驅動裝置、另一端安裝有編碼器等計數裝置，用於驅動工作平臺轉動，並記錄其轉角。
運動分支是一個具有空間三自由度運動的PRR分支，由連杆、一個移動副和兩個轉動副構成，其中移動副軸線垂直於工作平臺安裝面，兩個轉動副軸線互相平行且均垂直於安裝平臺端面。三個結構相同的運動分支安裝於工作平臺表面，相鄰分支中移動副軸線夾角為45°。數字相機安裝於分支末端，在分支運動副處均安裝有驅動裝置和傳感器，在各驅動裝置作用下數字相機在工作平臺平面內的任意移動和轉動，實現精確定位及調姿。
運動分支中移動副的實現方式有兩種，第一種為伺服電動缸，第二種為絲槓、滑塊、導軌的組合方式；轉動副由階梯軸、軸承、端蓋等實現。
分支移動副處安裝可精確測量直線運動的光柵尺、轉動副處安裝有可精確測量轉動運動的絕對值編碼器。
數字相機固定安裝於所述運動分支末端，其光軸沿運動分支轉動副處的連杆方向。
當採用工業線陣數字相機時，控制器伺服周期應小於20ms；當採用工業面陣數字相機時，控制器伺服周期應小於100ms。
圖1示出了本實用新型優選實施例中一種用於表面缺陷檢測的機械手裝置示意圖。基座(1)由矩形平臺(1-1)和兩組軸承座(1-2)焊接而成，矩形平臺(1-1)採用合金鋼材料，尺寸為500×1000mm、厚度為50mm，四周布置有的地腳安裝孔；軸承座(1-2)厚度為85mm，其中心與矩形平臺之間的距離為525mm，兩組軸承座(1-2)之間的距離為200mm。
工作平臺(2)採用航空鋁合金材料，外部形狀為圓形，直徑為厚度為80mm，中心位置處開有直徑為的圓孔，鍵槽尺寸為22mm×5.4mm。工作平臺(2)通過軸承(5)、階梯軸(6)、鍵(7)與基座(1)連接，所選軸承(5)內徑為型號為UELP312帶座外球面球軸承，鍵(7)尺寸為22×14mm，階梯軸(6)直徑為階梯軸長度為320mm鍵槽截面尺寸為22mm×9mm，鍵槽長度為120mm。
運動分支(3)結構形式為PRR，可實現空間三自由度運動。移動副(3-1)由伺服電動缸實現，行程為±500mm，電動缸固定端安裝於工作平臺(2)上，其上安裝有高精度光柵尺，定位精度為0.1mm；轉動副(3-2、3-3)由階梯軸、軸承、端蓋等實現，其上安裝有絕對值編碼器，定位精度為0.01°。所述運動副處驅動均採用步進電機，相鄰分支中電動缸軸線夾角為45°。
雷射掃描儀角解析度0.25°、檢測範圍0～270°，安裝於基座(1)矩形平臺(1-1)上表面處，軸線平行於工作平臺(2)端面，中心點偏離工作平臺(2)端面的距離為210mm。
作為一種實施例，本實用新型採用工業線陣數字相機(4)，其安裝於運動分支(3)末端轉動副(3-3)處，所選控制器型號為西門子Simotion D445、伺服周期為4ms。
本實用新型創新提出了一種視覺檢測機器人裝置，適用於橋梁、隧道等複雜形狀物的表面缺陷檢測，具有環境適應性強、運動靈活、適用範圍廣等優點，改變了傳統依靠人工識別效率低、智能檢測手段適應性差等現狀，具有重要的應用價值。
可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本實用新型的原理而採用的示例性實施方式，然而本實用新型並不局限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本實用新型的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本實用新型的保護範圍。