專利名稱：一種激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光加工技術(shù)，具體為一種激光再制造零件三維形貌在線檢測裝 置，主要用于大型貴重裝備的再制造修復(fù)。
背景技術(shù)：
我國有大量大型貴重裝備和進(jìn)口高精尖昂貴設(shè)備由于磨損、腐蝕或其他原因不能 使用。但是大型零件不適宜搬運(yùn)，需要現(xiàn)場修復(fù)。目前主要是利用智能激光再制造機(jī)器人 對大型貴重零件現(xiàn)場加工修復(fù)?，F(xiàn)場加工修復(fù)要求對大型貴重零件即時(shí)進(jìn)行掃描，重建其 三維模型，以便生成磨損區(qū)域的加工路徑，并由加工軌跡點(diǎn)和法向參數(shù)來控制機(jī)器人的末 端姿態(tài)。市場上已有對零件進(jìn)行三維非接觸掃描的掃描儀，如美國Perceptron公司的 ScanworksV3三維激光掃描系統(tǒng)；加拿大Creaform公司的Handyscan3DEXA/REV scan手持 式三維數(shù)字掃描及測量系統(tǒng)。現(xiàn)有掃描或檢測設(shè)備存在的主要問題包括①體積太大，且結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，不便于與機(jī)器人耦合；②掃描儀僅提供生成的點(diǎn)云或三角網(wǎng)格面文件，且點(diǎn)云數(shù)據(jù) 不隸屬于機(jī)器人坐標(biāo)系，三維模型重構(gòu)需要導(dǎo)入到另外分離的逆向軟件中進(jìn)行，機(jī)器人無 法直接使用，十分不便；③掃描功能和重建功能分離，不能用于在線檢測和加工，不能自動(dòng) 實(shí)現(xiàn)磨損區(qū)域特征的識別，智能化程度較低；④價(jià)格高，修復(fù)成本高，不利推廣實(shí)施。
實(shí)用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型擬解決的技術(shù)問題是提供一種激光再制造零 件三維形貌在線檢測裝置。該檢測裝置將三維掃描模塊和三維模型重構(gòu)模塊集成在一起， 可實(shí)現(xiàn)三維模型的檢測、反求過程的自動(dòng)化，以及機(jī)器人加工路徑的自動(dòng)生成，具有結(jié)構(gòu)簡 單，精度高，成本低，操作容易等特點(diǎn)，特別適用于大型貴重零件的激光機(jī)器人再制造。本實(shí)用新型解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，設(shè)計(jì)一種激光再制造零件三維形貌 在線檢測裝置，其特征在于它包括硬件部分和軟件部分，硬件部分主要包括上、下兩塊平 板，兩塊平板之間通過支撐螺柱連接；兩塊平板之間的中心安裝有一個(gè)結(jié)構(gòu)光發(fā)射器，兩端 對稱安裝有工業(yè)相機(jī)；兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)的基線相隔150-250mm，且按0_45度擺放，工業(yè)相機(jī)上 通過CS接口安裝有工業(yè)鏡頭，工業(yè)鏡頭到加工工件之間的工作距離為300-400mm ；兩臺(tái)工 業(yè)相機(jī)的輸出信號接口分別通過USB線連接到PC機(jī)；所述的結(jié)構(gòu)光發(fā)射器的尾部安裝有小 風(fēng)扇；在上或下平板上設(shè)計(jì)有用于與機(jī)器人連接的螺紋孔；所述軟件部分主要包括集成在 一起的三維掃描系統(tǒng)和三維模型重構(gòu)系統(tǒng)兩個(gè)模塊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型由于采用了統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，避免了數(shù)據(jù)丟失現(xiàn) 象，實(shí)現(xiàn)了受損零件再制造過程的自動(dòng)化，因此特別適用于大型貴重零件的再制造，大大降 低了人為因素對加工質(zhì)量的影響，并在保證質(zhì)量的前提下，降低了后續(xù)處理時(shí)間。
圖1為本實(shí)用新型激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置的前視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置的軟件整體結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本實(shí)用新型激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置的三維掃描系統(tǒng)模塊 結(jié)構(gòu)框圖；圖5為本實(shí)用新型激光再制造零件三維形貌檢測裝置的三維模型重構(gòu)系統(tǒng)模塊 結(jié)構(gòu)框圖；圖6為本實(shí)用新型激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置加工修復(fù)一種實(shí)施例 (大型葉片)的形狀結(jié)構(gòu)照片圖；圖7為本實(shí)用新型激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置加工修復(fù)一種實(shí)施例 (大型葉片)工作過程中的三維點(diǎn)云圖；圖8為本實(shí)用新型激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置加工修復(fù)一種實(shí)施例 工作過程中的三角網(wǎng)格圖(圖8(a))和局部細(xì)節(jié)圖(圖8(b))。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步敘述本實(shí)用新型本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置(以下簡稱檢測裝置， 參見圖1-8)包括硬件部分和軟件部分。硬件部分主要包括上、下兩塊平板8和9，平板8和 9可以為矩形或弧形，實(shí)施例為弧形平板(參見圖1)，兩塊平板8和9之間通過支撐螺柱7 連接；兩塊平板8和9之間的中心安裝有一個(gè)結(jié)構(gòu)光發(fā)射器5，兩塊平板8和9之間的兩端 對稱安裝有工業(yè)相機(jī)1，實(shí)施例的工業(yè)相機(jī)1為CMOS工業(yè)相機(jī)，通過內(nèi)六角螺釘固定在下平 板9上；上、下平板8、9之間的間距稍大于工業(yè)相機(jī)1的高度；兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)1的基線之間 相隔150-250mm，且按0-45度擺放，基線距離越大，測量精度越高，但會(huì)增大裝置體積。兩 臺(tái)相機(jī)1的具體基線距離，擺放角度視該掃描儀工作距離而定，實(shí)施例采用的基線距離為 192mm,擺放角度為30度，且工業(yè)相機(jī)1與上平板8之間留有2_4mm的間隙。工業(yè)相機(jī)1上 通過CS接口安裝有工業(yè)鏡頭3，實(shí)施例的工業(yè)鏡頭3為固定焦距工業(yè)鏡頭，工業(yè)鏡頭3到加 工工件之間的工作距離為300-400mm ；兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)1的輸出信號接口分別通過USB線連 接到PC機(jī)；所述的結(jié)構(gòu)光發(fā)射器5的尾部安裝有小風(fēng)扇6，以為結(jié)構(gòu)光發(fā)射器5降溫；在上 或下平板8或9 (實(shí)施例為下弧形平板9)上設(shè)計(jì)有用于與機(jī)器人連接的螺紋孔91，實(shí)施例 為8個(gè)連接螺紋孔91。實(shí)施例所述的平板8、9設(shè)計(jì)為弧形，在兩塊弧形平板8、9之間的兩端徑向安裝所 述的工業(yè)相機(jī)1，即工業(yè)相機(jī)1的基線與弧形平板8、9的半徑重合，且兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)1的基 線擺放角度為30度。為了降低自然光對工業(yè)相機(jī)1采集圖像的影響，本實(shí)用新型檢測裝置的進(jìn)一步特 征是在所述的工業(yè)鏡頭1上套裝有環(huán)形PCB板11，PCB板11固定在下(弧形)平板9上， PCB板11上環(huán)形均布有4-16個(gè)LED補(bǔ)光燈2，實(shí)施例的LED補(bǔ)光燈為8個(gè)。本實(shí)用新型檢測裝置軟件主要包括三維掃描系統(tǒng)(參見圖4)和三維模型重構(gòu)系 統(tǒng)(參見圖幻兩個(gè)模塊(參見圖幻。三維掃描系統(tǒng)模塊完成圖像的掃描采集，包括提取特征點(diǎn)，配準(zhǔn)特征點(diǎn)，三維重建算法，得到工件的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維模型重構(gòu)系統(tǒng)模塊根據(jù) 采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和提取到的機(jī)器人末端位姿數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系，根 據(jù)三角剖分算法計(jì)算現(xiàn)點(diǎn)云網(wǎng)格化，根據(jù)相鄰三角網(wǎng)格法向夾角判斷出缺陷邊緣，識別出 缺陷部分，重建缺陷的三維模型。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)所述的軟件框圖和檢測裝置功能要 求不難寫出具體程序。本實(shí)用新型檢測裝置對三維掃描模塊和三維模型重構(gòu)模塊進(jìn)行了集成，內(nèi)部采用 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述形式，避免了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)的丟失問題；同時(shí)，該實(shí)用新型能夠自動(dòng)獲取點(diǎn)云 數(shù)據(jù)、并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、匹配；自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接；自動(dòng)地提取磨損區(qū)域的特 征，并生成該區(qū)域的加工路徑；能夠自動(dòng)生成受損零件的三維模型以及磨損區(qū)域特征信號的 提取，同時(shí)自動(dòng)對曲面的損壞深度進(jìn)行感知、判斷，并以此來控制機(jī)器人末端姿態(tài)，同時(shí)，該檢 測裝置結(jié)構(gòu)簡單，界面友好，操作容易，大大降低了對操作者的要求，便于工業(yè)化實(shí)施推廣。本實(shí)用新型檢測裝置的工作原理和過程是由CMOS工業(yè)攝像機(jī)對受損大型貴重 零件進(jìn)行現(xiàn)場三維掃描，所得數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)定、匹配和拼接后，輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)，傳輸給三維模 型重構(gòu)模塊，根據(jù)用戶選擇的加工精度，經(jīng)噪聲去除、數(shù)據(jù)壓縮、邊界識別、數(shù)據(jù)分割、曲面 擬合、加工路徑生成等部分，自動(dòng)生成磨損區(qū)域的加工路徑和機(jī)器人末端姿態(tài)，并以此來引 導(dǎo)激光再制造機(jī)器人直接進(jìn)行現(xiàn)場加工。具體說，工作時(shí)，結(jié)構(gòu)光發(fā)射器5向物體表面投射 出結(jié)構(gòu)光條紋，左右兩個(gè)相機(jī)1采集加工零件的圖像，經(jīng)過濾波，提取條紋中心，配準(zhǔn)算法 和三維重建算法，得到結(jié)構(gòu)光條紋的三維坐標(biāo)；結(jié)構(gòu)光的三維坐標(biāo)反應(yīng)出的是物體表面的 三維數(shù)據(jù)信息，不斷改變結(jié)構(gòu)光的位置，可得到物體表面的三維數(shù)據(jù)，得到物體表面的點(diǎn)云 數(shù)據(jù)后，通過三角剖分算法生成三角面，再根據(jù)相鄰三角面的法向夾角判斷出缺陷部分。本實(shí)用新型檢測裝置主要用于大型貴重裝備的激光再制造加工。例如，利用本實(shí) 用新型裝置對大型葉片(參見圖6)進(jìn)行激光再制造首先機(jī)器人攜帶COMS攝像機(jī)對破損 的大型葉片進(jìn)行掃描；然后進(jìn)行濾波、標(biāo)定以及數(shù)據(jù)匹配，生成葉片三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)(參見圖 7)；其次對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲去除，數(shù)據(jù)壓縮、三角網(wǎng)格化處理(參見圖8)；最后進(jìn)行邊界 識別，數(shù)據(jù)分割，提取出磨損區(qū)域，并進(jìn)行特征識別，自動(dòng)判斷磨損程度，同時(shí)生成加工路徑 以及機(jī)器人末端姿態(tài)。本實(shí)用新型未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求1.一種激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置，其特征在于硬件部分主要包括上、 下兩塊平板，兩塊平板之間通過支撐螺柱連接；兩塊平板之間的中心安裝有一個(gè)結(jié)構(gòu)光發(fā) 射器，兩端對稱安裝有工業(yè)相機(jī)；兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)的基線之間相隔150-250mm，且按0_45度 擺放，工業(yè)相機(jī)上通過CS接口安裝有工業(yè)鏡頭，工業(yè)鏡頭到加工工件之間的工作距離為 300-400mm ；兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)的輸出信號接口分別通過USB線連接到PC機(jī)；所述的結(jié)構(gòu)光發(fā) 射器的尾部安裝有小風(fēng)扇；在上或下平板上設(shè)計(jì)有用于與機(jī)器人連接的螺紋孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置，其特征在于在所述 的工業(yè)鏡頭上套裝有環(huán)形PCB板，PCB板固定在下平板上，PCB板上環(huán)形均布有4-16個(gè)LED 補(bǔ)光燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置，其特征在于所述工 業(yè)相機(jī)為CMOS工業(yè)相機(jī)，兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)的基線之間相隔192mm，擺放角度為30度，且工業(yè)相 機(jī)與上平板之間留有2-4mm的間隙；所述的工業(yè)鏡頭為固定焦距工業(yè)鏡頭；所述結(jié)構(gòu)光發(fā) 射器通過連接板固定在下平板上；所述的LED補(bǔ)光燈為8個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置，其特征在于 所述的平板為弧形，在兩塊平板之間的兩端徑向安裝所述的工業(yè)相機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種激光再制造零件三維形貌在線檢測裝置，其特征在于它包括硬件部分和軟件部分，硬件部分主要包括上、下兩塊平板，兩板之間用支撐螺柱連接；兩板之間的中心安裝有一個(gè)結(jié)構(gòu)光發(fā)射器，兩端對稱安裝有工業(yè)相機(jī)；兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)的基線之間相隔150-250mm，且按0-45度擺放，工業(yè)相機(jī)上安裝有工業(yè)鏡頭，工業(yè)鏡頭到加工工件之間的工作距離為300-400mm；兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)的輸出信號接口分別通過USB線連接到PC機(jī)；所述結(jié)構(gòu)光發(fā)射器的尾部安裝有小風(fēng)扇；在上或下平板上設(shè)計(jì)有用于與機(jī)器人連接的螺紋孔；所述軟件部分主要包括集成在一起的三維掃描系統(tǒng)和三維模型重構(gòu)系統(tǒng)兩個(gè)模塊。
文檔編號G01B11/24GK201828247SQ20102019992
公開日2011年5月11日 申請日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者劉美麗, 張海明, 方艷, 楊洗陳, 高貴 申請人:天津工業(yè)大學(xué)