激光掃描裝配間隙尺寸高精度檢測系統的設計與實現

摘 要：

鑒于傳統測量方法效率低下，無法滿足工件裝配間隙尺寸自動測量的高精度、高速度要求，探討了一種激光掃描裝配間隙尺寸高精度檢測系統的設計與實現，設計了系統的機械結構和控制系統的總體方案，研究分析了高精度激光掃描檢測精度、參數選擇和誤差補償技術的影響因素。

0 引言

傳統的裝配間隙尺寸人工檢測方法，通常采用量規、鋼尺、卡尺、測微儀等手工工具，采用讀數法、刀口光隙法、平晶干涉法對檢測對象進行檢測，從而獲取工件的幾何量信息[1]。但傳統的方法存在基準不穩定、讀數不準確、測量精度依賴于檢測者個人經驗等問題。同時，傳統檢測方法多采用直接接觸法，容易劃傷工件表面，不能用于本項目涉及的產品尺寸檢測[2-4]。

從20世紀80年代開始，西方航空發達國家逐步開始采用三坐標測量機、激光跟蹤儀、iGPS、激光雷達、柔性測量臂等測量設備取代傳統模擬量檢測工具或工裝，使用關鍵特征點檢測代替傳統形位檢查的方式，實施數字化檢測[5-8]。這些設備測量范圍大、精度高（測量誤差小于0.05 mm）、柔性好，其測量過程與高性能數值計算和可視化圖形技術相結合，能夠快速、精確、直觀、立體地呈現測量結果。

目前，在工件精密測量方面，通常采用基于機器視覺和激光測量的檢測方法[6]。激光掃描檢測，因其高速、非接觸、高精度測量等特點，特別適用于檢測熱、軟、運動和振動物體，因此可廣泛應用于核電、航空航天等領域精密加工的在線檢測和質量控制，具有廣闊的應用前景[7-10]。

本文利用激光掃描儀與工業機械臂搭建裝配間隙尺寸自動檢測系統，提出一種誤差修正新方法，以實現裝配間隙高精度測量。

1裝配間隙尺寸激光掃描檢測系統

本檢測系統可實現裝配間隙尺寸及平面度檢測，平面度的測量通過激光測距實現。在測量過程中，檢測精度會受到環境因素、數據采集和數據處理過程的影響。根據激光測距原理（即R=0.5ct）可知，測量時激光在傳播過程中的環境因素，如其他干擾光源、空氣溫度/濕度及粉塵等情況，都會對激光的傳播速度帶來影響。另一方面，激光測距的時間間隔是由激光脈沖經過光電傳感器轉換的電信號形成的，參考脈沖和回波脈沖之間時間間隔的計算，由時標振蕩器、門電路和計數顯示器來完成[11-12]，傳感器靈敏度及信號處理的延遲均會對檢測造成誤差。

但由于設備使用的環境相對良好以及電子測量儀器精度的提升，上述方面對測量精度的影響可以忽略不計[13-16]。數據采集過程中容易受到儀器電噪聲的影響，這是因為采集儀器中有源模塊帶來的內部干擾，但本項目采用的儀器具有較好的抗干擾能力，儀器電噪聲較少，在實際應用中可以忽略。

整個檢測系統主要由旋轉平臺、控制系統、數據分析系統以及系統集成等四部分組成。檢測模塊配合三組移動機構（旋轉移動、檢測模塊前后伸縮移動、檢測模塊上下升降移動）實現對間隙內部的平面區域、外部凸臺區域進行平面度檢測。檢測方法：采用激光位移傳感器，利用激光三角定位法連續進行距離檢測，通過判定平面各個位置到傳感器的距離，判定其表面平面度情況。

如圖1所示，檢測機構由一組外表面平面度檢測裝置和一組間隙尺寸檢測裝置組成，用于實現產品的平面度及裝配間隙檢測；外圍設備為操作及控制臺，實現人機交互、傳感器/電機的自動化控制、數據的采集處理及分析導出等功能。系統整體性能指標要求如表1所示。

2 裝配間隙尺寸高精度激光掃描檢測裝置設計

2.1 機械運動裝置

2.1.1 旋轉平臺

旋轉平臺為檢測系統的基礎平臺，主要用于安裝和固定相關儀器設備，同時實現檢測過程中的相關運動，具體包括：產品的高精度旋轉，檢測儀器沿裝配間隙寬度、深度以及產品長度方向的移動。旋轉平臺主要包括旋轉系統和移動系統，兩部分系統分別包含相應的機械機構和運動驅動設備。

圖2所示為旋轉平臺，包括自動化運動機構、平臺、底座，其中自動化運動機構包含旋轉、升降系統；旋轉系統用于帶動產品沿中心軸線旋轉，升降系統用于帶動線激光輪廓儀上下移動掃描，檢測外表面平面度；旋轉機構旋轉定位精度為±0.5°，升降系統定位精度為±0.01 mm；旋轉機構及升降系統速度可調。

2.1.2 支撐平臺

如圖3所示，支撐平臺主要由旋轉模組、工件徑向定位盤、軸向定位塊、機架等組成，機架上方為一塊精加工平臺，作為檢測系統的基礎平臺，主要用于固定旋轉模組、工件定位臺，同時實現待測工件的360°高精密回轉控制，控制精度為±0.5°。

（1）高強度304不銹鋼矩形管焊接框架，頂面支撐板需焊接后整體二次加工，確保產品支撐面的精度。

（2）工件定位：徑向定位利用定位盤上的錐形凸臺，與工件上的錐形凹孔配合，達到徑向限位，且比較利于安裝；軸向定位通過壓塊，對工件底座側面凹槽進行壓緊定位。

（3）旋轉模組保護罩：用于防止吊裝工件時碰傷旋轉模組。

（4）伺服旋轉模組；高回轉精度、伺服電機控制、實線精準平穩定位。

2.1.3 直線運動模塊

如圖4所示，直線運動模塊由安裝固定板、X軸直線模組、Z軸直線模組等機構組成，X軸直線模組安裝于Z軸直線模組之上，用于固定和驅動兩個激光位移傳感器，系統由伺服電機控制，實現精準定位，其精度可達±0.01 mm。

（1）安裝固定板與支撐工作臺頂面垂直，確?；_安裝后的相對位置精度；

（2）直線模組行程為X軸300mm、Z軸1 300 mm，控制精度為±0.01 mm，可實現產品的全域檢測；

（3）安裝完成后，仍然無法保證Z軸直線模組與旋轉平臺百分百垂直，因此還需對其做標定，確認二者的位置關系。

2.1.4 試件檢測方法

（1）凸臺檢測：凸臺檢測由一個線性激光位移傳感器完成，如圖5所示，線性激光位移傳感器安裝于X軸直線模組之上，由其帶動傳感器分別檢測同一側面的兩個凸臺，Z軸直線模組驅動其對部件軸向移動掃描，最后得到兩個凸臺面的全部尺寸。

（2）間隙檢測：間隙檢測由一個點激光位移傳感器完成，點激光位移傳感器安裝于多自由度（最多4自由度，根據實際調節需要快速增減調節云臺）微動平臺上，整個機構則固定在Z軸直線模組之上。

如圖6所示，利用光線反射原理，制作一個微小的棱鏡組合，棱鏡組合的兩個反向45°面為鏡面，棱鏡呈上下關系，將棱鏡組合放入間隙，點激光射在45°面上反射到間隙的一面，便得到距離1，再上下移動棱鏡，使點激光射到一個反向安裝的棱鏡之上，便得到距離2，由此得到間隙寬度。

2.2 控制系統

控制系統如圖7所示，其主要實現旋轉平臺相關運動的控制?？刂葡到y以光柵檢測技術和可編程DSP的控制器為核心，記憶檢測位置，控制檢測傳感器自動移動或旋轉至指定檢測位置，并觸發傳感器進行下一步的檢測工作；對機械裝置傳動誤差進行實時監測；分別建立直線運動和旋轉運動誤差模型，將誤差模型導入傳動控制系統，實現對傳動誤差的補償。

在本檢測系統中，電控系統放置于操作臺柜體內部?？刂撇捎?a href="http://www.qd573.com/tags/西門子/" target="_blank">西門子PLC，控制端口預留多個冗余端口；設備電氣整體可靠接地、接零；自動化設計有完善的保護和開放的程序接口；設備有自動保護裝置，在安裝工件、工件不到位時設備不能啟動。

2.3 數據采集

數據采集部分主要包括三部分，分別為線激光輪廓掃描儀、點激光位移傳感器及其光學配套部分、整個裝置軟硬件整合。線激光輪廓掃描儀主要用于裝配間隙結構和尺寸的識別和檢測，點激光位移傳感器及其光學配套部分主要用于裝配間隙一定深度上寬度尺寸的精確測量。兩個傳感器均搭載有伺服運動機構，可配合控制系統伺服移動。

其參數選型如下：

（1）線激光輪廓掃描儀：米銥LLT2600-25；

（2）點激光位移傳感器：米銥ILD1420-10（001）。

具體指標參數如表2所示。

3 激光掃描檢測工藝及誤差補償

3.1 高精度激光掃描檢測工藝

裝配間隙尺寸高精度激光掃描檢測系統對組件進行檢測的整體工藝流程如圖8所示，檢測通過用戶發起，將檢測數據構成凸臺及其與平面位置關系后結束。

測量過程中定義的數據為：

（1）三維平面：定義描述三維平面的數據結構，能夠用于描述零件上凸臺的位置信息。

（2）三維直線：定義描述三維直線的數據結構，可以用于描述間隙的位置信息及凸臺邊界的位置信息。

（3）標定數據：分為位置標定和間隙標定，位置標定描述了線激光器和點激光器的位置關系，用于修正點、線激光器相對位置造成的偏差；間隙標定描述了間隙寬度和點激光器測量數據的線性關系，用于計算實際測量中間隙的寬度。

數據處理模塊包括對點、線激光器采集到的數據的處理邏輯，主要分為下面幾個部分：

（1）平面擬合：處理線激光器采集到的數據，得到凸臺的位置信息，包含對采集數據的轉換、篩選及擬合。

（2）直線擬合：處理點激光器采集到的數據，得到間隙上某一條線的位置信息，同時也用于對凸臺邊緣的求取。

（3）邊緣凸臺計算：獲取凸臺的邊緣，用于計算不同凸臺之間的相對距離。

（4）平面角度計算：計算不同平面之間的相對位置關系，用于檢測零件裝配是否合格。

（5）平面與直線角度計算：計算平面與直線之間的相對位置關系，用于檢測零件裝配是否合格。

（6）數據可視化：將點、線激光器采集到的深度信息轉換為人便于觀察的形式。

（7）平面度計算：用于計算凸臺的平面度。

整體掃查工藝過程如下：

（1）由用戶啟動測量裝置，開始對零件進行數據采集，最終由程序獲得的數據包含點激光器和線激光器的深度信息，以及采集時點激光器、線激光器和零件的位置信息；

（2）隨后程序開始對這些數據進行處理，首先是利用線激光器的數據獲取零件上8個凸臺在三維空間中的位置信息以及平面度，然后利用點激光器采集的數據計算裝配間隙的寬度以及位于間隙不同高度上的直線的描述方程；

（3）計算凸臺與凸臺、凸臺與間隙之間的位置關系，并將其顯示在界面中。

3.2 誤差補償

系統誤差來源于機械誤差和信號處理誤差，補償方法分別如下：

（1）加工和裝配導致的機械誤差修正方法：機械零件的加工誤差和裝配誤差導致傳感器與被測面可能有一定的角度偏差，因此，在裝配完成后，還需利用已知尺寸的標定板進行標定。

（2）信號處理誤差修正方法：對于平面的擬合建模，如果采用應用最為廣泛的最小二乘法進行擬合，雖然目標明確，優化會顯得十分容易，但是其對異常值十分敏感，不易得到最優的擬合結果，魯棒性很差，如圖9所示。

為此，本項目引入基于隨機抽樣一致（RANSAC）算法，結合最小二乘法進行平面擬合。具體方法如下：

由Di=（zi-zi'）2得到每個點到平面的距離之后，設定一個δ值（擬合點到平面的距離），若Di≤δ，則判定該擬合點處于擬合區域內，然后給該平面打分，得出該平面得分。當擬合出所有平面后，找出得分最高的平面，即最優擬合平面。如果存在得分相同的平面，可以通過其累計誤差最小來判斷找出最優擬合平面，如圖10所示。

根據空間坐標擬合工件的空間平面后，可以重繪工件的三維模型，進而判斷出工件表面的平整度以及角的垂直度。

在軟件系統中進行擬合時，為避免少數誤差點對擬合的平面造成過大的影響，需要迭代進行多次擬合，并在每次擬合中根據點到上一次擬合得到的平面的距離，求出不同點在擬合過程中需要設置的權重，確保距離更遠的點得到更小的權重，從而減少誤差點對擬合的平面的影響。

4 結論

文提出了一種基于點激光和線激光掃描的裝配間隙尺寸檢測方法，主要結論如下：

（1）利用激光掃描儀和工業機械臂搭建了檢測與定位系統，實現人機交互、傳感器/電機的自動化控制，以及數據的采集處理、分析導出等功能。

（2）利用激光三角定位法，實現了連續距離檢測，同時通過判定平面各個位置到傳感器距離，得到了其表面平面度情況。

（3）基于隨機抽樣一致（RANSAC）算法，結合最小二乘法得到了工件的最優擬合空間平面，實際測試如果存在得分相同的平面，即通過其累計誤差最小來判斷找出最優擬合平面。

本文方法對裝配間隙尺寸的高精度檢測與定位效果相比傳統方法更優，能滿足生產制造中大部件的裝配需求，具有較高的工程應用價值。

審核編輯：湯梓紅