专利名称：一种激光再制造零件三维形貌在线检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及激光加工技术，具体为一种激光再制造零件三维形貌在线检测装 置，主要用于大型贵重装备的再制造修复。
背景技术：
我国有大量大型贵重装备和进口高精尖昂贵设备由于磨损、腐蚀或其他原因不能 使用。但是大型零件不适宜搬运，需要现场修复。目前主要是利用智能激光再制造机器人 对大型贵重零件现场加工修复。现场加工修复要求对大型贵重零件即时进行扫描，重建其 三维模型，以便生成磨损区域的加工路径，并由加工轨迹点和法向参数来控制机器人的末 端姿态。市场上已有对零件进行三维非接触扫描的扫描仪，如美国Perceptron公司的 ScanworksV3三维激光扫描系统；加拿大Creaform公司的Handyscan3DEXA/REV scan手持 式三维数字扫描及测量系统。现有扫描或检测设备存在的主要问题包括①体积太大，且结 构复杂，不便于与机器人耦合；②扫描仪仅提供生成的点云或三角网格面文件，且点云数据 不隶属于机器人坐标系，三维模型重构需要导入到另外分离的逆向软件中进行，机器人无 法直接使用，十分不便；③扫描功能和重建功能分离，不能用于在线检测和加工，不能自动 实现磨损区域特征的识别，智能化程度较低；④价格高，修复成本高，不利推广实施。
实用新型内容针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是提供一种激光再制造零 件三维形貌在线检测装置。该检测装置将三维扫描模块和三维模型重构模块集成在一起， 可实现三维模型的检测、反求过程的自动化，以及机器人加工路径的自动生成，具有结构简 单，精度高，成本低，操作容易等特点，特别适用于大型贵重零件的激光机器人再制造。本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，设计一种激光再制造零件三维形貌 在线检测装置，其特征在于它包括硬件部分和软件部分，硬件部分主要包括上、下两块平 板，两块平板之间通过支撑螺柱连接；两块平板之间的中心安装有一个结构光发射器，两端 对称安装有工业相机；两台工业相机的基线相隔150-250mm，且按0_45度摆放，工业相机上 通过CS接口安装有工业镜头，工业镜头到加工工件之间的工作距离为300-400mm ；两台工 业相机的输出信号接口分别通过USB线连接到PC机；所述的结构光发射器的尾部安装有小 风扇；在上或下平板上设计有用于与机器人连接的螺纹孔；所述软件部分主要包括集成在 一起的三维扫描系统和三维模型重构系统两个模块。与现有技术相比，本实用新型由于采用了统一数据处理系统，避免了数据丢失现 象，实现了受损零件再制造过程的自动化，因此特别适用于大型贵重零件的再制造，大大降 低了人为因素对加工质量的影响，并在保证质量的前提下，降低了后续处理时间。
图1为本实用新型激光再制造零件三维形貌在线检测装置的俯视结构示意图；图2为本实用新型激光再制造零件三维形貌在线检测装置的前视结构示意图；图3为本实用新型激光再制造零件三维形貌在线检测装置的软件整体结构框图；图4为本实用新型激光再制造零件三维形貌在线检测装置的三维扫描系统模块 结构框图；图5为本实用新型激光再制造零件三维形貌检测装置的三维模型重构系统模块 结构框图；图6为本实用新型激光再制造零件三维形貌在线检测装置加工修复一种实施例 (大型叶片)的形状结构照片图；图7为本实用新型激光再制造零件三维形貌在线检测装置加工修复一种实施例 (大型叶片)工作过程中的三维点云图；图8为本实用新型激光再制造零件三维形貌在线检测装置加工修复一种实施例 工作过程中的三角网格图(图8(a))和局部细节图(图8(b))。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本实用新型本实用新型设计的激光再制造零件三维形貌在线检测装置(以下简称检测装置， 参见图1-8)包括硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括上、下两块平板8和9，平板8和 9可以为矩形或弧形，实施例为弧形平板(参见图1)，两块平板8和9之间通过支撑螺柱7 连接；两块平板8和9之间的中心安装有一个结构光发射器5，两块平板8和9之间的两端 对称安装有工业相机1，实施例的工业相机1为CMOS工业相机，通过内六角螺钉固定在下平 板9上；上、下平板8、9之间的间距稍大于工业相机1的高度；两台工业相机1的基线之间 相隔150-250mm，且按0-45度摆放，基线距离越大，测量精度越高，但会增大装置体积。两 台相机1的具体基线距离，摆放角度视该扫描仪工作距离而定，实施例采用的基线距离为 192mm,摆放角度为30度，且工业相机1与上平板8之间留有2_4mm的间隙。工业相机1上 通过CS接口安装有工业镜头3，实施例的工业镜头3为固定焦距工业镜头，工业镜头3到加 工工件之间的工作距离为300-400mm ；两台工业相机1的输出信号接口分别通过USB线连 接到PC机；所述的结构光发射器5的尾部安装有小风扇6，以为结构光发射器5降温；在上 或下平板8或9 (实施例为下弧形平板9)上设计有用于与机器人连接的螺纹孔91，实施例 为8个连接螺纹孔91。实施例所述的平板8、9设计为弧形，在两块弧形平板8、9之间的两端径向安装所 述的工业相机1，即工业相机1的基线与弧形平板8、9的半径重合，且两台工业相机1的基 线摆放角度为30度。为了降低自然光对工业相机1采集图像的影响，本实用新型检测装置的进一步特 征是在所述的工业镜头1上套装有环形PCB板11，PCB板11固定在下(弧形)平板9上， PCB板11上环形均布有4-16个LED补光灯2，实施例的LED补光灯为8个。本实用新型检测装置软件主要包括三维扫描系统(参见图4)和三维模型重构系 统(参见图幻两个模块(参见图幻。三维扫描系统模块完成图像的扫描采集，包括提取特征点，配准特征点，三维重建算法，得到工件的三维点云数据。三维模型重构系统模块根据 采集到的三维点云数据和提取到的机器人末端位姿数据，将点云转换到机器人坐标系，根 据三角剖分算法计算现点云网格化，根据相邻三角网格法向夹角判断出缺陷边缘，识别出 缺陷部分，重建缺陷的三维模型。本领域技术人员根据所述的软件框图和检测装置功能要 求不难写出具体程序。本实用新型检测装置对三维扫描模块和三维模型重构模块进行了集成，内部采用 统一的数据描述形式，避免了数据转换时的丢失问题；同时，该实用新型能够自动获取点云 数据、并实现点云数据滤波、匹配；自动实现多视点云数据拼接；自动地提取磨损区域的特 征，并生成该区域的加工路径；能够自动生成受损零件的三维模型以及磨损区域特征信号的 提取，同时自动对曲面的损坏深度进行感知、判断，并以此来控制机器人末端姿态，同时，该检 测装置结构简单，界面友好，操作容易，大大降低了对操作者的要求，便于工业化实施推广。本实用新型检测装置的工作原理和过程是由CMOS工业摄像机对受损大型贵重 零件进行现场三维扫描，所得数据经过标定、匹配和拼接后，输出点云数据，传输给三维模 型重构模块，根据用户选择的加工精度，经噪声去除、数据压缩、边界识别、数据分割、曲面 拟合、加工路径生成等部分，自动生成磨损区域的加工路径和机器人末端姿态，并以此来引 导激光再制造机器人直接进行现场加工。具体说，工作时，结构光发射器5向物体表面投射 出结构光条纹，左右两个相机1采集加工零件的图像，经过滤波，提取条纹中心，配准算法 和三维重建算法，得到结构光条纹的三维坐标；结构光的三维坐标反应出的是物体表面的 三维数据信息，不断改变结构光的位置，可得到物体表面的三维数据，得到物体表面的点云 数据后，通过三角剖分算法生成三角面，再根据相邻三角面的法向夹角判断出缺陷部分。本实用新型检测装置主要用于大型贵重装备的激光再制造加工。例如，利用本实 用新型装置对大型叶片(参见图6)进行激光再制造首先机器人携带COMS摄像机对破损 的大型叶片进行扫描；然后进行滤波、标定以及数据匹配，生成叶片三维点云数据(参见图 7)；其次对点云数据进行噪声去除，数据压缩、三角网格化处理(参见图8)；最后进行边界 识别，数据分割，提取出磨损区域，并进行特征识别，自动判断磨损程度，同时生成加工路径 以及机器人末端姿态。本实用新型未述及之处适用于现有技术。
权利要求1.一种激光再制造零件三维形貌在线检测装置，其特征在于硬件部分主要包括上、 下两块平板，两块平板之间通过支撑螺柱连接；两块平板之间的中心安装有一个结构光发 射器，两端对称安装有工业相机；两台工业相机的基线之间相隔150-250mm，且按0_45度 摆放，工业相机上通过CS接口安装有工业镜头，工业镜头到加工工件之间的工作距离为 300-400mm ；两台工业相机的输出信号接口分别通过USB线连接到PC机；所述的结构光发 射器的尾部安装有小风扇；在上或下平板上设计有用于与机器人连接的螺纹孔。
2.根据权利要求1所述的激光再制造零件三维形貌在线检测装置，其特征在于在所述 的工业镜头上套装有环形PCB板，PCB板固定在下平板上，PCB板上环形均布有4-16个LED 补光灯。
3.根据权利要求1所述的激光再制造零件三维形貌在线检测装置，其特征在于所述工 业相机为CMOS工业相机，两台工业相机的基线之间相隔192mm，摆放角度为30度，且工业相 机与上平板之间留有2-4mm的间隙；所述的工业镜头为固定焦距工业镜头；所述结构光发 射器通过连接板固定在下平板上；所述的LED补光灯为8个。
4.根据权利要求1、2或3所述的激光再制造零件三维形貌在线检测装置，其特征在于 所述的平板为弧形，在两块平板之间的两端径向安装所述的工业相机。
专利摘要本实用新型公开一种激光再制造零件三维形貌在线检测装置，其特征在于它包括硬件部分和软件部分，硬件部分主要包括上、下两块平板，两板之间用支撑螺柱连接；两板之间的中心安装有一个结构光发射器，两端对称安装有工业相机；两台工业相机的基线之间相隔150-250mm，且按0-45度摆放，工业相机上安装有工业镜头，工业镜头到加工工件之间的工作距离为300-400mm；两台工业相机的输出信号接口分别通过USB线连接到PC机；所述结构光发射器的尾部安装有小风扇；在上或下平板上设计有用于与机器人连接的螺纹孔；所述软件部分主要包括集成在一起的三维扫描系统和三维模型重构系统两个模块。
文档编号G01B11/24GK201828247SQ20102019992
公开日2011年5月11日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者刘美丽, 张海明, 方艳, 杨洗陈, 高贵 申请人:天津工业大学