用於白車身尺寸檢測的擺動式測量頭機器人在線測量系統的製作方法

2023-04-28 16:03:06

用於白車身尺寸檢測的擺動式測量頭機器人在線測量系統的製作方法
【專利摘要】用於白車身尺寸檢測的擺動式測量頭機器人在線測量系統，屬於光學測量、機械工程和車輛工程【技術領域】。包括兩個擺動式測量頭、兩臺六軸機器人、兩個機器人控制櫃和一個系統控制櫃。本發明基於線雷射掃描三維視覺測量技術，兩臺機器人各自攜帶擺動式測量頭運動到指定測量位置，線雷射投射器向白車身裝配特徵投射線雷射，單軸轉臺帶動線雷射投射器和單目攝像機擺動，實現掃描。單目攝像機採集到一組光刀圖像後，通過光刀點雲提取、三角測量原理、點雲整合和裝配特徵參數計算，實現對白車身裝配特徵的在線測量。本發明測量時擺動式測量頭位姿自由、受環境光照影響小、無機器人掃描誤差、穩定性高，為白車身尺寸檢測提供了實時可靠的測量數據。
【專利說明】用於白車身尺寸檢測的擺動式測量頭機器人在線測量系統【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於白車身尺寸檢測的擺動式測量頭機器人在線測量系統，特別是一種基於線雷射掃描三維視覺測量技術，採用擺動式測量頭，對白車身裝配特徵實現在線測量的測量系統。屬於光學測量、機械工程和車輛工程【技術領域】。
【背景技術】 [0002]轎車白車身的焊接製造過程由底板、側圍、總拼等多個分總成多層次構成。焊接過程中，工裝定位不穩定、焊接零件變形、衝壓零件尺寸偏差、設計公差累積以及焊接操作誤差等均可能造成白車身尺寸偏差，導致後續整車裝配困難，影響整車外觀及配合性能。因此必須運用白車身尺寸在線檢測系統，通過對白車身上的孔、槽、修邊、折邊等能反映出白車身焊裝誤差的特徵進行實時測量，控制焊裝誤差在各分總成間的累積並及時反饋校正，從而保障白車身焊接製造的質量。
[0003]現有的白車身尺寸在線檢測系統，按照其測量原理和方式，可以分為接觸式和非接觸式兩大類。
[0004]接觸式測量系統主要包括測量樣架、多關節測量機及三坐標測量機。其中測量樣架上的零件定位、夾緊及測量頭裝置只能針對固定車身零件，柔性差，往往只作為在線檢測系統補充設備；多關節測量機利用多自由度機械臂結構，採用人工操作移動測量頭對車身零件進行測量，柔性相對較高，但需要人工參與，測量速度較慢，很少用於在線檢測；三坐標測量機可實現編程測量，柔性高，但體積過於龐大，測量速度慢，對環境溫度及振動控制要求高，因此也很少應用於在線檢測。
[0005]非接觸式測量系統運用機器視覺技術，主要有檢測隧道系統和機器人系統兩大類。檢測隧道系統將一組傳感器按測點位置分布固定在支架上，實現對所有測點的同時測量，測量速度很快，但由於傳感器位置固定，難以適應多車型柔性生產線的檢測，且傳感器數量多，成本高。機器人測量系統將傳感器固定在機器人末端，構成一個可運動的檢測單元。相比之下，機器人測量系統柔性高、傳感器數量少，應用最為廣泛。在已有技術中，Perceptron公司運用二維影像結合雷射測距的方法,通過對測點拍攝一幅打光圖像及一幅光刀圖像，綜合計算測點位置參數。該方法中若光照量或光照角度不合適，拍攝特徵將缺失或偏移；若攝像機成像面與測點所在面的夾角過大，圖像投影成像變形將變大，例如圓孔特徵將變成橢圓，導致無法準確計算，甚至無法識別該圓孔特徵。吳斌在「結構光傳感器在柔性視覺測量系統中的應用研究」(光電子?雷射，2008，19 (10):1309-1311) —文中提出的測量方法僅需一幅與圓孔相交的光刀圖像，通過幾何代換近似求解圓孔位置參數。但該方法對攝像機位姿的要求更為嚴格，且數據量過少，僅限於圓孔及稜邊的測量。Perc印tron公司提出的Helix自動三維掃描方法，通過機器人小範圍局部運動帶動傳感器實現對測點的線雷射掃描測量。1.Kovac在其論文「Flexible Inspection Systems in the Body-1n-ffhiteManufacturing」 (Proceedings of Robot Sensing, Austria, May24_25, 2004:41-48)中提到上述方法中機器人運動的絕對精度較低，且小範圍運動軌跡難以精確控制，因此上述方法易在線雷射掃描過程中引入機器人運動誤差，不利於檢測系統的精度及穩定性。

【發明內容】

[0006]為克服已有技術中測量頭位姿約束大、受環境光照影響大、引入機器人運動誤差等缺陷和不足，本發明提出了一種全新的用於白車身尺寸檢測的擺動式測量頭機器人在線測量系統。採用線雷射掃描三維視覺測量技術，由測量頭自行擺動完成對白車身裝配特徵的掃描，實現對白車身裝配特徵快速、精密、穩定的在線測量。測量過程中測量頭位姿自由、受環境光照影響小、無機器人掃描誤差、穩定性高，為白車身尺寸檢測提供了實時可靠的測量數據。
[0007]本發明是通過下述技術方案實現的。本發明包括兩個擺動式測量頭、兩臺六軸機器人、兩個機器人控制櫃、一個系統控制櫃、兩個測量基座和一個白車身定位工裝基座。其中，兩個擺動式測量頭均由線雷射投射器、單目攝像機、單軸轉臺、限位塊、兩個光電限位器、安裝盒、外保護罩和連接塊組成。外保護罩是一個由底板、頂板、後板及兩塊側板構成的金屬殼體。安裝盒是一個安裝線雷射投射器和單目攝像機的多面體金屬盒，其前端在線雷射投射器和單目攝像機安裝處分別開有透光孔。線雷射投射器和單目攝像機分別通過支架與安裝盒的頂板螺栓固接。線雷射投射器的光平面與外保護罩的底板垂直，線雷射投射器的光平面與單目攝像機的光軸線之間的夾角為e。單軸轉臺的頂端通過連接塊與安裝盒的底板螺栓固接。單軸轉臺的底部固定在外保護罩的底板上。單軸轉臺的轉動部分可在平行於外保護罩底板的平面內繞轉動部分軸線作360度勻速轉動。限位塊穿過連接塊，固定在安裝盒底板的螺孔中。
[0008]兩個測量基座分別置於白車身定位工裝基座的兩側。兩臺六軸機器人分別固定在兩個測量基座上，並分別由兩個機器人控制櫃獨立控制。兩個擺動式測量頭的外保護罩後板分別與兩臺六軸機器人末端螺栓固接。兩臺六軸機器人分別與各自的機器人控制櫃電連接
[0009]系統控制櫃包括可編程控制器PLC、工控機、DIO模塊、交換機、A電機驅動器和B電機驅動器。工控機通過串口與PLC電連接。工控機通過網線與交換機電連接，交換機通過網線分別與兩個擺動式測量頭中的單目攝像機電連接。PLC通過A電機驅動器和B電機驅動器分別與兩個擺動式測量頭中的單軸轉臺電連接。PLC通過CCLINK網絡模塊與總控電連接。總控分別通過兩個機器人控制櫃與DIO模塊電連接。
[0010]兩個擺動式測量頭各自測量時，對應的單目攝像機開啟，自動設定曝光、增益、圖像採集數量等拍攝參數，並等待拍攝觸發信號。線雷射投射器向白車身裝配特徵投射線雷射，在裝配特徵表面形成經裝配特徵形貌調製的線雷射光刀。單軸轉臺逆時針擺動，限位塊觸發一號光電限位器後，向單目攝像機發送拍攝觸發信號。單目攝像機接收到拍攝觸發信號後，等時間間隔地採集一組光刀圖像，圖像數量根據待測特徵大小而變化，在20?35幅之間。圖像採集完成後，單軸轉臺反向擺回，限位塊觸發二號光電限位器後，單軸轉臺再次逆時針擺動回到零位。單目攝像機採集的一組光刀圖像經光刀點雲提取、三角測量原理、點雲整合和裝配特徵參數計算，實現對白車身裝配特徵的在線測量。
[0011]兩臺六軸機器人在測量時分別獨立執行各自機器人控制櫃中儲存的程序命令，攜帶各自擺動式測量頭運動到指定測量位置。[0012]測量過程中系統控制流程如下:PLC通過CCLINK網絡模塊接收總控發出的車型流水號信息，再通過串口傳遞到工控機。同時，工控機通過DIO模塊接收到總控發出的準備就緒信號後，工控機通過DIO模塊分別發送開始走位信號給兩個機器人控制櫃，分別獨立控制兩臺六軸機器人開始走位。兩臺六軸機器人各自運動到指定測量位置後，反饋對應的走位到位信號至工控機，工控機再通過DIO模塊分別發送對應的開始擺動信號給PLC，由PLC向對應的電機驅動器發送擺動信號，驅動對應的單軸轉臺擺動。同時，工控機通過交換機控制對應單目攝像機的開啟及拍攝參數的設置，並將對應單目攝像機所拍攝的圖像通過交換機傳回工控機處理。擺動過程中，當限位塊觸發二號光電限位器時，PLC向對應的電機驅動器發送回零信號，控制對應單軸轉臺擺動至零位。同時，PLC通過DIO模塊反饋擺動到位信號至工控機，工控機通過DIO模塊控制對應的六軸機器人走向下一個測量位置。所有裝配特徵測量完成後，兩臺六軸機器人均復位到原點，兩個機器人控制櫃均反饋復位到位信號至工控機，並反饋測量結束信號至總控，整個測量過程結束。
[0013]本發明的有益效果:
[0014]本發明採用線雷射掃描三維視覺測量技術，能對白車身上圓孔、螺紋孔、複合孔槽、修邊及折邊等裝配特徵進行在線的非接觸式測量；作為一種線雷射掃描測量技術，能在
1.5秒內完成一個裝配特徵的測量，可獲得30點以上的光刀點雲數據，數據量大，測量結果基本不受環境光照及測量頭測量位姿的影響，穩定性高；採用在測量頭擺動過程中由光電限位器觸發單目攝像機拍攝圖像的圖像採集方式，不引入機器人運動誤差，單個裝配特徵的測量重複精度在0.01mm以內，極差在0.03mm以內；採用兩臺機器人聯動的測量方式，互不幹預，能在54秒內完成覆蓋整臺白車身範圍共26個裝配特徵的測量並輸出測量結果，實現了對白車身裝配特徵實時、精密、穩定的在線測量，為白車身尺寸檢測提供了實時可靠的測量數據。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1本發明擺動式測量頭機器人在線測量系統俯視示意圖
[0016]圖2本發明擺動式測量頭內部結構示意圖
[0017]圖3本發明擺動式測量頭外保護罩結構示意圖
[0018]圖4本發明擺動式測量頭剖面俯視示意圖
[0019]圖5本發明測量系統控制原理示意圖
[0020]圖中I第一擺動式測量頭、2第二擺動式測量頭、3第一六軸機器人、4第二六軸機器人、5第一機器人控制櫃、6第二機器人控制櫃、7系統控制櫃、8第一測量基座、9第二測量基座、10白車身定位工裝基座、11線雷射投射器、12單目攝像機、13單軸轉臺、14限位塊、15一號光電限位器、16 二號光電限位器、17安裝盒、18外保護罩、19連接塊
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明的具體實施做進一步描述。
[0022]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，本發明包括第一擺動式測量頭1、第二擺動式測量頭2、第一六軸機器人3、第二六軸機器人4、第一機器人控制櫃5、第二機器人控制櫃6、系統控制櫃7、第一測量基座8、第二測量基座9和白車身定位工裝基座10。其中，第一擺動式測量頭I和第二擺動式測量頭2均由線雷射投射器11、單目攝像機12、單軸轉臺13、限位塊14、一號光電限位器15、二號光電限位器16、安裝盒17、外保護罩18和連接塊19組成。外保護罩18是一個由底板、頂板、後板及兩塊側板構成的金屬殼體。安裝盒17是一個安裝線雷射投射器11和單目攝像機12的多面體金屬盒，其前端在線雷射投射器11和單目攝像機12安裝處分別開有透光孔。線雷射投射器11和單目攝像機12分別通過支架與安裝盒17的頂板螺栓固接。線雷射投射器11的光平面與外保護罩18的底板垂直，線雷射投射器11的光平面與單目攝像機12的光軸線之間的夾角0為40-50度。單軸轉臺13採用絲路咖KRE04360型號，其解析度為0.008度，耐負載3kg。單軸轉臺13的頂端通過連接塊19與安裝盒17的底板螺栓固接。單軸轉臺13的底部固定在外保護罩18的底板上。單軸轉臺13的轉動部分可在平行於外保護罩18底板的平面O-XY內繞轉動部分軸線Z軸作360度勻速轉動。限位塊14為一根長25-28mm的鐵螺柱，穿過連接塊19，固定在安裝盒17底板的螺孔中。單目攝像機12均採用型號為Basler acA1300_30gm的工業相機,配以焦距為16mm的相機鏡頭。線雷射投射器11均採用型號為Thorlabs DL3148-025的雷射二極體，配以型號為Thorlabs LJ1227L2的平凸柱透鏡。
[0023]第一六軸機器人3固定在第一測量基座8上，由第一機器人控制櫃5控制；第二六軸機器人4固定在第二測量基座9上，由第二機器人控制櫃6控制。第一測量基座8和第二測量基座9分別位於白車身定位工裝基座10的兩側。第一擺動式測量頭I和第二擺動式測量頭2均通過各自的外保護罩18後板分別與第一六軸機器人3的末端和第二六軸機器人4的末端螺栓固定連接。第一六軸機器人3與第一機器人控制櫃5電連接,第二六軸機器人4與第二機器人控制櫃6電連接。
[0024]系統控制櫃7包括可編程控制器PLC、工控機、DIO模塊、交換機、A電機驅動器和B電機驅動器。工控機通過串口與PLC電連接。工控機通過網線與交換機電連接，交換機通過網線分別與第一擺動式測量頭I及第二擺動式測量頭2中的兩個單目攝像機12電連接。PLC通過A電機驅動器和B電機驅動器分別與第一擺動式測量頭I和第二擺動式測量頭2中的單軸轉臺13電連接。PLC通過CCLINK網絡模塊與總控電連接。總控分別通過第一機器人控制櫃5和第二機器人控制櫃6與DIO模塊電連接。
[0025]測量時，待測的白車身固定在白車身定位工裝基座10上。第一擺動式測量頭I或第二擺動式測量頭2中對應的單目攝像機12開啟，自動設定曝光、增益、圖像採集數量等拍攝參數，並等待拍攝觸發信號。線雷射投射器11向白車身裝配特徵投射線雷射，在裝配特徵表面形成經裝配特徵形貌調製的線雷射光刀。單軸轉臺13逆時針擺動，限位塊14觸發一號光電限位器15後，向單目攝像機12發送拍攝觸發信號。單目攝像機12接收到拍攝觸發信號後，等時間間隔地採集一組光刀圖像，圖像數量根據待測特徵大小而變化，在20?35幅之間。圖像採集完成後，單軸轉臺13反向擺回，限位塊14觸發二號光電限位器16後，單軸轉臺13再次逆時針擺動回到零位。單目攝像機12採集的一組光刀圖像經光刀點雲提取、三角測量原理、點雲整合和裝配特徵參數計算，實現對白車身裝配特徵的在線測量。
[0026]第一六軸機器人3和第二六軸機器人4在測量時各自獨立執行第一機器人控制櫃5和第二機器人控制櫃6中儲存的程序命令，攜帶第一擺動式測量頭I和第二擺動式測量頭2運動到指定測量位置。
[0027]測量過程中系統控制流程如下:PLC通過CCLINK網絡模塊接收總控發出的車型流水號信息，再通過串口傳遞到工控機。同時，工控機通過DIO模塊接收到總控發出的準備就緒信號後，工控機通過DIO模塊分別發送開始走位信號給第一機器人控制櫃5和第二機器人控制櫃6,分別獨立控制第一六軸機器人3和第二六軸機器人4開始走位。第一六軸機器人3或第二六軸機器人4運動到指定測量位置後，反饋對應的走位到位信號至工控機，工控機再通過DIO模塊分別發送對應的開始擺動信號給PLC，由PLC向對應的電機驅動器發送擺動信號，驅動對應的單軸轉臺13擺動。同時，工控機通過交換機控制對應單目攝像機12的開啟及拍攝參數的設置，並將對應單目攝像機12所拍攝的圖像通過交換機傳回工控機處理。擺動過程中，當限位塊14觸發二號光電限位器16時，PLC向對應的電機驅動器發送回零信號，控制對應單軸轉臺13擺動至零位。同時，PLC通過DIO模塊反饋擺動到位信號至工控機，工控機通過DIO模塊控制對應的六軸機器人走向下一個測量位置。所有裝配特徵測量完成後，第一六軸機器人3和第二六軸機器人4均復位到原點，第一機器人控制櫃5和第二機器人控制櫃6均反饋復位到位信號至工控機，並反饋測量結束信號至總控，整個測量過程結束。
【權利要求】
1.一種用於白車身尺寸檢測的擺動式測量頭機器人在線測量系統，包括第一擺動式測量頭(I)、第二擺動式測量頭(2)、第一六軸機器人(3)、第二六軸機器人(4)、第一機器人控制櫃(5)、第二機器人控制櫃(6)、系統控制櫃(7)、第一測量基座(8)、第二測量基座(9)和白車身定位工裝基座(10)，其特徵在於:第一擺動式測量頭(I)和第二擺動式測量頭(2)均由線雷射投射器(11)、單目攝像機(12)、單軸轉臺(13)、限位塊(14)、一號光電限位器(15 )、二號光電限位器(16 )、安裝盒(17)、外保護罩(18 )和連接塊(19 )組成；其中，外保護罩(18)是一個由底板、頂板、後板及兩塊側板構成的金屬殼體；安裝盒(17)是一個安裝線雷射投射器(11)和單目攝像機(12 )的多面體金屬盒，其前端在線雷射投射器(11)和單目攝像機(12 )安裝處分別開有透光孔；線雷射投射器(11)和單目攝像機(12)分別通過支架與安裝盒(17)的頂板螺栓固接；線雷射投射器(11)的光平面與外保護罩(18)的底板垂直，線雷射投射器(11)的光平面與單目攝像機(12)的光軸線之間的夾角為0 ;單軸轉臺(13)的頂端通過連接塊(19)與安裝盒(17)的底板螺栓固接；單軸轉臺(13)的底部固定在外保護罩(18)的底板上；限位塊(14)穿過連接塊(19)，固定在安裝盒底板的螺孔中；第一六軸機器人(3)固定在第一測量基座(8)上；第二六軸機器人(4)固定在第二測量基座(9)上；第一測量基座(8)和第二測量基座(9)分別位於白車身定位工裝基座(10)的兩側；第一擺動式測量頭(I)和第二擺動式測量頭(2)均通過各自的外保護罩(18)的後板分別與第一六軸機器人(3)的末端和第二六軸機器人(4)的末端螺栓固定連接；第一六軸機器人(3)與第一機器人控制櫃(5)電連接，第二六軸機器人(4)與第二機器人控制櫃(6)電連接；系統控制櫃(7)包括可編程控制器PLC、工控機、DIO模塊、交換機、A電機驅動器和B電機驅動器；工控機通過串口與PLC電連接；工控機通過網線與交換機電連接，交換機通過網線分別與第一擺動式測量頭(I)及第二擺動式測量頭(2)中的兩個單目攝像機(12)電連接；PLC通過A電機驅動器和B電機驅動器分別與第一擺動式測量頭(I)和第二擺動式測量頭(2)中的單軸轉臺(13)電連接；PLC通過CCLINK網絡模塊與總控電連接；總控分別通過第一機器人控制櫃(5)和第二機器人控制櫃(6)與DIO模塊電連接。
2.根據權利要求1所述的用於白車身尺寸檢測的擺動式測量頭機器人在線測量系統，其特徵是所述的單目攝像機(12)是採用型號為Basler acA1300_30gm的工業相機，配以焦距為16mm的相機鏡頭；線雷射投射器(11)是採用型號為Thorlabs DL3148-025的雷射二極體，配以型號為Thorlabs LJ1227L2的平凸柱透鏡。
3.根據權利要求1所述的用於白車身尺寸檢測的擺動式測量頭機器人在線測量系統，其特徵是所述的線雷射投射器(Ii)的光平面與單目攝像機(12)的光軸線之間的夾角e為40-50 度。
4.根據權利要求1所述的用於白車身尺寸檢測的擺動式測量頭機器人在線測量系統，其特徵是所述的單軸轉臺(13)採用絲路咖KRE04360型號，其解析度為0.008度，耐負載3kg ;單軸轉臺(13)的轉動部分在平行於外保護罩18底板的平面內繞轉動部分軸線作360度勻速轉動。
5.根據權利要求1所述的用於白車身尺寸檢測的擺動式測量頭機器人在線測量系統，其特徵是所述的限位塊(14)是長為25-28mm的鐵螺柱。
【文檔編號】G01B11/00GK103673876SQ201310560319
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月12日 優先權日:2013年11月12日
【發明者】習俊通, 李凌旻, 賈廷崗 申請人:上海交通大學