本發(fā)明涉及一種毛坯件的激光測(cè)量系統(tǒng)及其檢測(cè)方法，尤其涉及一種適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量系統(tǒng)及其加工定位方法，可優(yōu)選實(shí)施在鈦合金毛坯件上。
背景技術(shù)：
：由于鈦合金優(yōu)良的綜合性能，在航空航天工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。鈦板材料由于其塑形成形能力差等問題，一般采用熱沖壓成形工藝。考慮到鈦板成形后取件變形的問題，在其熱成形過程中不能用孔或槽等特征來定位，是一種無壓邊力的自由狀態(tài)成形，即，在成形過程中，毛坯處于完全自由的拉伸狀態(tài)。由此造成的問題是，毛坯件成形后不能確定其在毛坯中的具體位置。目前通常的解決辦法是，首先制造一種完全吻合毛坯件型面的“靠?！保▏?guó)外稱“inspectionfixture”），工人將成形后的毛坯大致貼合在“靠?！鄙希ㄟ^按壓、敲擊等人工辦法來判斷是否存在“空谷”，如有，則繼續(xù)調(diào)整毛坯位置，直至操作人員判斷已基本貼合。然后，通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在定位好的毛坯上鉆定位孔，從而確定了定位孔與毛坯件在毛坯中的相對(duì)位置關(guān)系，并通過鉆好的定位孔，將相對(duì)位置關(guān)系傳遞至下一制造工序。這種方法不但需要一比一來定制毛坯件靠模工裝，而且檢測(cè)過程耗時(shí)耗工，效率低下，最大的問題是測(cè)量的精度非常差，檢測(cè)過程中存在人工的、主觀的判斷，由此造成的毛坯件定位和測(cè)量偏差，不但影響毛坯件成品率，還會(huì)增加裝配難度，并降低了毛坯件的疲勞壽命，出現(xiàn)一系列質(zhì)量問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量系統(tǒng)及其加工定位方法。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量系統(tǒng)，包括有導(dǎo)軌，其中：所述的導(dǎo)軌上安裝有柔性支架，在柔性支架外圍設(shè)置有機(jī)器人設(shè)備，所述機(jī)器人設(shè)備的檢測(cè)端頭上設(shè)備上安裝有激光傳感器，所述機(jī)器人設(shè)備與激光傳感器的通訊端口上連接有工控機(jī)，所述機(jī)器人設(shè)備對(duì)自身設(shè)備運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的毛坯件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所述的柔性支架和激光傳感器由工控機(jī)控制，再由工控機(jī)和PLC組件完成時(shí)實(shí)時(shí)通訊，通過激光傳感器采集被測(cè)毛坯件表面數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析得到檢測(cè)結(jié)果。上述的適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量系統(tǒng)，其中：所述的柔性支架，包括有通用底板，所述的通用底板上設(shè)置有承載組件，所述的承載組件包括有可伸縮支桿，所述可伸縮支桿頭部設(shè)置有真空吸附頭。進(jìn)一步地，上述的適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量系統(tǒng)，其中：所述的柔性支架外圍還設(shè)置有安全組件，所述安全組件包括安全光柵與安全門，所述安全光柵用于檢測(cè)人員闖入，所述安全門主用于檢修。再進(jìn)一步地，上述的適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量系統(tǒng)，其中：所述的導(dǎo)軌、機(jī)器人設(shè)備、激光傳感器、工控機(jī)采用以太網(wǎng)方式互聯(lián)通訊。適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量加工定位方法，其特征在于包括以下步驟：步驟①，進(jìn)行初始化。步驟②，工控機(jī)內(nèi)PLC組件確認(rèn)準(zhǔn)備就緒后，導(dǎo)入機(jī)器人軌跡程序，開始啟動(dòng)掃描工作。步驟③，在掃描完成后，機(jī)器人回到初始工作原點(diǎn)，工控機(jī)通過坐標(biāo)變換矩陣進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。步驟④，導(dǎo)軌將毛坯件連同柔性支架一起運(yùn)送到下一個(gè)制造工位進(jìn)行加工，坐標(biāo)變換矩陣將作為下一個(gè)加工工序的輸入條件導(dǎo)入。上述的適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量加工定位方法，其中：步驟①所述的初始化中，導(dǎo)入所需測(cè)量的毛坯件數(shù)模，調(diào)整柔性支架的位置和高度，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)毛坯件的定位，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的清空和歸零，等待檢測(cè)系統(tǒng)的自檢工作。進(jìn)一步地，上述的適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量加工定位方法，其中：若所述毛坯件為首次被檢測(cè)毛坯件，應(yīng)先導(dǎo)入毛坯件的CAD數(shù)模，計(jì)算并設(shè)置柔性支架上的支桿位置和高度，隨后用柔性支架定位好毛坯件，然后進(jìn)行機(jī)器人的示教編程，確保毛坯件的全部數(shù)據(jù)能夠有效的被采集到，在測(cè)量數(shù)據(jù)確認(rèn)無誤后，柔性支架的初始化信息和機(jī)器人的軌跡程序?qū)⒔壎ǖ皆撁骷喜⒋鎯?chǔ)在工控機(jī)內(nèi)。更進(jìn)一步地，上述的適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量加工定位方法，其中：步驟③所述的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程為，首先，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與毛坯件CAD數(shù)模進(jìn)行匹配定位，得到最佳的對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸出坐標(biāo)變換矩陣；之后，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)和理論CAD數(shù)模的偏差比對(duì)，進(jìn)行分析，形成測(cè)量分析報(bào)告；如果毛坯件尺寸超差，則報(bào)警通知現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人員處理，所述的超差為超過形位公差正負(fù)0.5mm；如果毛坯件實(shí)際尺寸在公差范圍之內(nèi)，則可根據(jù)預(yù)設(shè)模版出具標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量報(bào)告。更進(jìn)一步地，上述的適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量加工定位方法，其中：步驟③所述的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中，首先，計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲面上每一個(gè)點(diǎn)的法向量屬性、曲率屬性；然后在這些屬性的基礎(chǔ)上，構(gòu)造點(diǎn)的特征描述函數(shù)；通過特征描述函數(shù)來尋找點(diǎn)云與理論數(shù)模之間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)，既分別尋找理論數(shù)模上的一個(gè)點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)云上的一個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)點(diǎn)對(duì)，若實(shí)際點(diǎn)云與理論數(shù)模完全一致，則疊放在一起，這兩個(gè)點(diǎn)將完全重合；通過多組對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)完成實(shí)際點(diǎn)云與理論數(shù)模的配準(zhǔn)；最后運(yùn)用迭代最近點(diǎn)算法進(jìn)行精確配準(zhǔn)，配準(zhǔn)的迭代過程停止后，計(jì)算配準(zhǔn)誤差，并分析毛坯件的尺寸質(zhì)量，進(jìn)行坐標(biāo)變換求解。再進(jìn)一步地，上述的適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量加工定位方法，其中：所述的步驟④完成后，柔性支架用于后續(xù)激光切割的加工，與毛坯件在同一工裝下測(cè)量和加工。本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：利用柔性支架對(duì)不同毛坯進(jìn)行了吸附定位，進(jìn)一步減少了對(duì)固定工裝的依賴性。通過機(jī)器人離線編程完成對(duì)毛坯的掃描，可將系統(tǒng)用于多種不同毛坯件的測(cè)量和定位工作。同時(shí)，通過理論數(shù)模與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的比對(duì)完成匹配定位，計(jì)算出的理論位置與實(shí)際位置的差值，即變換矩陣，連同通用柔性支架一起傳遞到激光切割機(jī)處，可利用該支架和變換矩陣完成對(duì)毛坯件的切割加工。并且，在定位匹配后，還可以通過對(duì)點(diǎn)云與理論數(shù)模的比對(duì)，全面分析毛坯件的成形質(zhì)量。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了測(cè)量和定位匹配過程的數(shù)字化、自動(dòng)化，系統(tǒng)還具備高柔性的特點(diǎn)，能夠適用于不同毛坯件的測(cè)量和定位。再者，有效消除了由于人工測(cè)量帶來的偏差，而且無需定制每個(gè)毛坯件的“靠模”，降低了成本。對(duì)于一個(gè)1.2mX0.8m的空間曲面毛坯件，系統(tǒng)的測(cè)量精度可以達(dá)到0.2mm，全過程效率為50s左右，精度相比以往做法提高了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，綜合效率是原有的10倍以上，效果非常顯著。附圖說明圖1是適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)造示意圖。圖2是柔性支架構(gòu)造及使用示意圖。圖3是色差云圖示意圖。圖4是適用于無特征空間曲面毛坯件的激光測(cè)量加工定位方法實(shí)施流程示意圖。圖中各附圖標(biāo)記的含義如下：1導(dǎo)軌2柔性支架3機(jī)器人設(shè)備4激光傳感器5工控機(jī)6可伸縮支桿7真空吸附頭8毛坯件9安全光柵10安全門11PLC組件12激光切割機(jī)具體實(shí)施方式如圖1～4所示的適用于無特征空間曲面毛坯件8的激光測(cè)量系統(tǒng)，其包括有用于傳輸?shù)膶?dǎo)軌1，尤其以直線導(dǎo)軌1為優(yōu)選方案，其與眾不同在于：為了對(duì)需要進(jìn)行測(cè)量的鈦合金毛坯件8進(jìn)行有效定位，在導(dǎo)軌1上安裝有柔性支架2。同時(shí)，考慮到自動(dòng)化的高精度測(cè)量，在柔性支架2外圍設(shè)置有機(jī)器人設(shè)備3，該機(jī)器人設(shè)備3的檢測(cè)端頭上設(shè)備上安裝有激光傳感器4。為了便于控制，采用機(jī)器人設(shè)備3與激光傳感器4的通訊端口上連接有工控機(jī)5，令機(jī)器人設(shè)備3對(duì)自身設(shè)備運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的毛坯件8進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。并且，柔性支架2和激光傳感器4由工控機(jī)5控制，再由工控機(jī)5和PLC組件11完成時(shí)實(shí)時(shí)通訊，通過激光傳感器4采集被測(cè)毛坯件8表面數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析得到檢測(cè)結(jié)果。由PLC組件11完成對(duì)機(jī)器人設(shè)備3、導(dǎo)軌1，以及后續(xù)可能安裝的安防系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)然，為了便于針對(duì)不同的毛坯件8進(jìn)行高精度測(cè)量，需要激光傳感器4針對(duì)每個(gè)產(chǎn)品都要進(jìn)行示教編程，完成毛坯全尺寸的掃描軌跡規(guī)劃，保證掃描數(shù)據(jù)的可靠性。同時(shí)，激光傳感器4，通過主動(dòng)式的結(jié)構(gòu)光原理，對(duì)環(huán)境因素不敏感，測(cè)量精度可達(dá)到0.05mm，采樣頻率可達(dá)到1000Hz，可以滿足各方面的測(cè)量要求。就本發(fā)明一較佳的實(shí)施方式來看，所采用的柔性支架2包括有通用底板，該通用底板上設(shè)置有承載組件。同時(shí)，為了進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，承載組件包括有可伸縮支桿6，在可伸縮支桿6頭部設(shè)置有真空吸附頭7。這樣，可實(shí)現(xiàn)三自由度的調(diào)整，完成對(duì)不同鈦板毛坯件的吸附定位，并能同時(shí)完成測(cè)量和激光切割等過程中的毛坯件8固定。進(jìn)一步來看，考慮到實(shí)施期間的安全性，在柔性支架2外圍還設(shè)置有安全組件。具體來說，安全組件包括安全光柵9與安全門10，該安全光柵9用于檢測(cè)人員闖入，而安全門10主用于檢修。同時(shí)?？紤]到各個(gè)設(shè)備之間的控制通訊需要，導(dǎo)軌1、機(jī)器人設(shè)備3、激光傳感器4、工控機(jī)5采用以太網(wǎng)方式互聯(lián)通訊。亦可以方便整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)充拓展。為了更好的利用上述提供的系統(tǒng)，現(xiàn)提供一種適用于無特征空間曲面毛坯件8的激光測(cè)量方法，其特包括以下步驟：首先，進(jìn)行初始化。在初始化的過程中，導(dǎo)入所需測(cè)量的毛坯件8數(shù)模，便于后續(xù)檢測(cè)比對(duì)。與此同時(shí)，對(duì)柔性支架2的位置和高度進(jìn)行調(diào)整，配合后續(xù)需要承載的毛坯件8規(guī)格。之后，吸附定位待測(cè)毛坯件8的即可。再者，為了提高測(cè)量精確，需要完成測(cè)量數(shù)據(jù)的清空和歸零，等待檢測(cè)系統(tǒng)的自檢工作。并且，結(jié)合實(shí)際實(shí)施來看，若毛坯件8為首次被檢測(cè)毛坯件8，應(yīng)先導(dǎo)入毛坯件8的CAD數(shù)模，計(jì)算并設(shè)置柔性支架2上的支桿位置和高度，隨后用柔性支架2定位好毛坯件8。然后對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教編程，確保毛坯件8的全部數(shù)據(jù)能夠有效的被采集到。在測(cè)量數(shù)據(jù)確認(rèn)無誤后，柔性支架2的初始化信息和機(jī)器人的軌跡程序?qū)⒔壎ǖ皆撁骷?上并存儲(chǔ)在工控機(jī)5內(nèi)，便于后續(xù)的調(diào)取使用。待工控機(jī)5內(nèi)PLC組件11確認(rèn)準(zhǔn)備就緒后，導(dǎo)入機(jī)器人軌跡程序，開始啟動(dòng)掃描工作。接著，待掃描完成后，機(jī)器人回到初始工作原點(diǎn)，工控機(jī)5通過坐標(biāo)變換矩陣進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明采用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程為：首先，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與毛坯件8CAD數(shù)模進(jìn)行匹配定位，得到最佳的對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸出坐標(biāo)變換矩陣。之后，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)和理論CAD數(shù)模的偏差比對(duì)，進(jìn)行色差云圖分析，如圖3所示。具體來說，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理中，首先，計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)曲面上每一個(gè)點(diǎn)的法向量屬性、曲率屬性等一些簡(jiǎn)單的具有歐式不變性的屬性。然后在這些簡(jiǎn)單屬性的基礎(chǔ)上，構(gòu)造點(diǎn)的特征描述函數(shù)。在本發(fā)明的實(shí)際實(shí)施時(shí)，該特征描述函數(shù)以能用最簡(jiǎn)單的方式獨(dú)一無二地表達(dá)每一個(gè)點(diǎn)為最終目標(biāo)。之后，通過特征描述函數(shù)來尋找點(diǎn)云與理論數(shù)模之間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)，既分別尋找理論數(shù)模上的一個(gè)點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)云上的一個(gè)點(diǎn)組成一個(gè)點(diǎn)對(duì)，若實(shí)際點(diǎn)云與理論數(shù)模完全一致，則疊放在一起，這兩個(gè)點(diǎn)將完全重合。隨后，通過多組對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)完成實(shí)際點(diǎn)云與理論數(shù)模的配準(zhǔn)。在此期間，由于實(shí)際點(diǎn)云存在制造誤差及掃描誤差，此時(shí)配準(zhǔn)僅為粗配準(zhǔn)。最后，運(yùn)用迭代最近點(diǎn)算法（ICP）進(jìn)行精確配準(zhǔn)。在配準(zhǔn)的迭代過程停止后，計(jì)算配準(zhǔn)誤差，并分析毛坯件的尺寸質(zhì)量，進(jìn)行坐標(biāo)變換求解。換句話說，為了提高分析的準(zhǔn)確性，采用基于局部幾何特征的曲面識(shí)別配準(zhǔn)方法。由此，可通過自由曲面上任意點(diǎn)的法線、曲率及其周圍相鄰的法線曲率等信息，描述了該局部的特性，這一特性具有歐式不變性。通過選擇具有多尺度的局部幾何特征點(diǎn)，建立模型與測(cè)量點(diǎn)云的對(duì)應(yīng)性。同時(shí)，通過Ransac濾除錯(cuò)誤對(duì)應(yīng)點(diǎn)，選擇具有最大概率的匹配結(jié)果。進(jìn)而，使用非線性最小二乘優(yōu)化對(duì)整個(gè)點(diǎn)云進(jìn)行姿態(tài)微調(diào)，確定最優(yōu)解。相比而言，傳統(tǒng)的ICP方法不僅會(huì)收斂于局部解，無法確定最優(yōu)解，且計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)。然后，形成質(zhì)量分析報(bào)告，供品管部門進(jìn)行根源問題分析，進(jìn)行質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)。如果毛坯件8尺寸超差，則報(bào)警通知現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人員處理，該超差為超過形位公差正負(fù)0.5mm。這樣，則該潛在質(zhì)量問題毛坯件8將不被運(yùn)輸?shù)较乱粋€(gè)工位進(jìn)行加工，而需人工干預(yù)來判斷處理。如果毛坯件8實(shí)際尺寸在公差范圍之內(nèi)，則可根據(jù)預(yù)設(shè)模版出具標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量報(bào)告。這樣，在采用點(diǎn)云采集后，可在工控機(jī)5內(nèi)進(jìn)行圖像的最優(yōu)匹配，找到現(xiàn)有定位狀態(tài)與理論狀態(tài)的差值。同時(shí)，能夠輸出坐標(biāo)變換矩陣，供下一激光切割工序使用，可以利用該矩陣調(diào)整加工程序。由此，無需對(duì)毛坯件8重新安裝定位，減少了工裝環(huán)節(jié)，進(jìn)一步降低了加工誤差。最終，通過導(dǎo)軌1將毛坯件連同柔性支架2一起運(yùn)送到下一個(gè)制造工位進(jìn)行加工，而坐標(biāo)變換矩陣將作為下一個(gè)加工工序的輸入條件導(dǎo)入。在此期間，柔性支架2能用于后續(xù)激光切割的加工，與毛坯件在同一工裝下測(cè)量和加工，進(jìn)一步提高了制造精度。通過上述的文字表述可以看出，采用本發(fā)明后，利用柔性支架對(duì)不同毛坯進(jìn)行了吸附定位，進(jìn)一步減少了對(duì)固定工裝的依賴性。通過機(jī)器人離線編程完成對(duì)毛坯的掃描，可將系統(tǒng)用于多種不同毛坯件的測(cè)量和定位工作。同時(shí)，通過理論數(shù)模與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的比對(duì)完成匹配定位，計(jì)算出的理論位置與實(shí)際位置的差值，即變換矩陣，連同通用柔性支架一起傳遞到激光切割機(jī)12處，可利用該支架和變換矩陣完成對(duì)毛坯件的切割加工。并且，在定位匹配后，還可以通過對(duì)點(diǎn)云與理論數(shù)模的比對(duì)，全面分析毛坯件的成形質(zhì)量。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了測(cè)量和定位匹配過程的數(shù)字化、自動(dòng)化，系統(tǒng)還具備高柔性的特點(diǎn)，能夠適用于不同毛坯件的測(cè)量和定位。再者，有效消除了由于人工測(cè)量帶來的偏差，而且無需定制每個(gè)毛坯件的“靠?！?，降低了成本。對(duì)于一個(gè)1.2mX0.8m的空間曲面毛坯件，系統(tǒng)的測(cè)量精度可以達(dá)到0.2mm，全過程效率為50s左右，精度相比以往做法提高了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，綜合效率是原有的10倍以上，效果非常顯著。這些實(shí)施例僅是應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)方案的典型范例，凡采取等同替換或者等效變換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3