[发明专利]一种发动机外形轮廓自动扫描检测系统及方法

权利要求书

1.一种发动机外形轮廓自动扫描检测系统，其特征在于：包括多目视觉测量系统、具有空间定位装置的线激光扫描仪、六轴机械臂、具有多个空间定位目标的发动机支撑平台、控制与数据分析软件；

通过“线激光扫描仪”获取发动机外形轮廓局部区域的三维形貌数据；通过六轴机械臂，实现发动机外形轮廓大范围自动化扫描；通过高精度升降平台与多目视觉测量系统，实现“线激光扫描仪”采集形貌数据的全局拼接；通过多目视觉测量系统对“发动机支撑平台”进行跟踪与空间位姿解算，实时解算被测发动机当前位姿与规划机械臂路径时的位姿差异，实现六轴机械臂的测量路径的自动补偿，降低传统手持式扫描仪扫描测量时连续拼接导致的拼接累计误差，提高检测精度。

2.如权利要求1所述的一种发动机外形轮廓自动扫描检测系统，其特征在于：所述的多目视觉测量系统采用碳纤维材料作为结构主体，内置有用于建立水平基准的高精度双轴倾角传感器；图像采集部分为四套高精度面阵黑白工业相机与工业镜头，两两一组，组成两个双目视觉测量子系统，工业镜头前装有滤光片，用于滤除被测目标点之外的环境光干扰；多目视觉测量系统通过对空间定位装置上的空间定位目标的冗余测量，实现“线激光扫描仪”与“发动机支撑平台”实时姿态测量。

3.如权利要求1所述的一种发动机外形轮廓自动扫描检测系统，其特征在于：所述高精度升降平台采用碳纤维材料作为结构主体，具备四级高精度螺栓升降与自锁机构，用于实现多目视觉测量系统中两个双目视觉测量子系统间的位置关系精确调整；高精度升降平台具有三个可调整支撑底座，保证升降平台与其上的多目视觉测量系统的长时间稳定；所述高精度升降平台用于调整多目视觉测量系统的视野范围，实现不同尺寸发动机的外形轮廓测量。

4.如权利要求1所述的一种发动机外形轮廓自动扫描检测系统，其特征在于：所述“线激光扫描仪”扫描主体结构外侧安装有空间定位装置，每个空间定位装置上具有16个空间定位目标；每个空间定位目标采用碳纤维材料作为结构主体，布有六个用于多目视觉测量系统观测的圆形目标与一个用于激光跟踪仪靶球定位的定位孔，通过利用激光跟踪仪测量该定位孔，实现对六个圆形目标确定的空间坐标赋值；该空间定位装置能够被多目视觉测量系统所识别并进行位姿计算，空间定位装置坐标系与扫描主体结构坐标系的相对关系，经过高精度标定；“线激光扫描仪”能够实现局部区域的点云数据扫描，并将扫描得到点云数据通过空间定位装置与扫描主体结构的位置关系，转换到多目视觉测量系统坐标系中。

5.如权利要求1所述的一种发动机外形轮廓自动扫描检测系统，其特征在于：所述六轴机械臂末端具有高刚度、高承载能力的法兰盘，通过法兰盘将具有空间定位装置的线激光扫描仪固定在六轴机械臂的末端，通过多目视觉测量系统计算出六轴机械臂基座标系与多目视觉测量系统坐标系的相对关系，结合控制与数据分析软件计算出六轴机械臂末端工具坐标系相对于多目视觉测量系统坐标系的相对关系。

6.如权利要求1所述的一种发动机外形轮廓自动扫描检测系统，其特征在于：所述“发动机支撑平台”具备40个空间定位目标，该空间定位目标的空间坐标采用激光跟踪仪进行位置标定。

7.如权利要求1所述的一种发动机外形轮廓自动扫描检测系统，其特征在于：所述控制与数据分析软件用于对机械臂末端的移动轨迹进行补偿；在发动机支撑平台与六轴机械臂的相对位置关系，与六轴机械臂路径规划时的相对位置关系不一致时，通过计算“发动机支撑平台”的实际位置与规划路径的时的理论位置偏差，对机械臂末端的移动轨迹进行补偿，实现发动机外形轮廓的柔性非接触式测量。

8.一种发动机外形轮廓自动扫描检测方法，基于如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述一种发动机外形轮廓自动扫描检测系统实现，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：根据被测发动机的尺寸，调整高精度升降平台，确定多目视觉测量系统的视野范围；对多目视觉测量系统相机间的相对位置关系进行标定，以其中一台相机的坐标系，建立多目视觉测量系统坐标系(cs-dual)；

步骤二：将棋盘格标定板放置在六轴机械臂末端，通过机械臂移动多个已知的空间位置，实现相对位置关系^cs-dualP_{cs-robot_base}的标定；该相对位置关系^cs-dualP_{cs-robot_base}是多目视觉测量系统坐标系(cs-dual)与六轴机械臂的基坐标系(cs-robot_base)的相对位置关系；

步骤三：利用多目视觉测量系统，对“线激光扫描仪”内部的相对位置关系^cs-set1P_cs-scan进行标定；所述内部的相对位置关系^cs-set1P_cs-scan是扫描主体结构坐标系(cs-scan)与空间定位装置坐标系(cs-set1)的相对位置关系；

步骤四：将“线激光扫描仪”安装在六轴机械臂末端；

步骤五：利用激光跟踪仪对“发动机支撑平台”上的多个空间定位目标进行空间坐标测量，建立发动机支撑平台坐标系(cs-holder)；

步骤六：将步骤二得到的相对位置关系^cs-dualP_{cs-robot_base}、发动机数字模型、“发动机支撑平台”数字模型、搭载“线激光扫描仪”的六轴机械臂数字模型导入机械臂路径设计软件中；通过机械臂路径设计软件，对机械臂末端的运行轨迹进行设计，设计时保证“线激光扫描仪”距离发动机表面保持一定距离，该距离为“线激光扫描仪”的景深距离；机械臂末端的运行轨迹即为六轴机械臂的测量路径；

步骤七：将六轴机械臂的测量路径导入控制与数据分析软件中，启动六轴机械臂，开始对发动机外形轮廓进行扫描测量；测量过程中，获得每一时刻多目视觉测量系统坐标系(cs-dual)相对于发动机支撑平台坐标系(cs-holder)的相对位置关系^cs-holderP_cs-dual，利用^cs-holderP_cs-dual，计算“发动机支撑平台”坐标系(cs-holder)与六轴机械臂基座标系(cs-robot_base)的相对位置关系^{cs-robot_base}P_cs-holder；

步骤八：多目视觉测量系统通过测量线激光扫描仪上的空间定位装置，将线激光扫描仪扫描得到的点云数据对齐到发动机支撑平台坐标系中；

步骤8.1：获得扫描主体结构得到一系列点云坐标表示点云数据在线扫描主体结构坐标系(cs-scan)中的坐标，计算这些点云在“线激光扫描仪”的空间定位装置坐标系(cs-set1)下的坐标

步骤8.2：计算“线激光扫描仪”的空间定位装置坐标系(cs-set1)相对于多目视觉测量系统坐标系(cs-dual)的相对位置关系^cs-dualP_cs-set1；

步骤8.3：计算当前姿态下，多目视觉测量系统坐标系(cs-dual)相对于发动机支撑平台坐标系(cs-holder)的相对位置关系^cs-holderP_cs-dual；

步骤8.4：计算这些点云在发动机支撑平台坐标系(cs-set1)下的坐标

步骤九：计算六轴机械臂末端运动到下一位置的补偿路径；

计算六轴机械臂的补偿路径计算公式如下：

其中^cs-holderp_cs-dual为多目视觉测量系统坐标系(cs-dual)相对于发动机支撑平台坐标系(cs-holder)的实际相对位置关系，为发动机支撑平台坐标系(cs-holder)与六轴机械臂基座标系(cs-robot_base)的理论相对位置关系，控制与数据分析软件将计算得到的补偿后路径传递给六轴机械臂，控制机械臂末端按补偿后的路径移动；

步骤十：重复步骤七至步骤九，直至完成六轴机械臂全部的规划路径，完成发动机外形轮廓的全部关键部位扫描，期间可根据规划流程，通过发动机支撑平台移动发动机至不同位置，实现发动机的全部主体关键部位测量；

步骤十一：完成发动机主体关键部位全部扫描测量后，六轴机械臂搭载线激光扫描仪对发动机支撑平台的上的定位目标进行扫描；

步骤十二：利用定位目标的扫描数据，进行坐标最小二乘拟合，实现发动机测量数据与数学模型的拟合；

步骤十三：利用拟合后发动机测量数据与数学模型，计算发动机实际外形轮廓测量数据与发动机数字模型的偏差；计算时，对每个测量数据点向理论数模上做垂直投影，得到该测量数据点在发动机数字模型上的投影点，该投影点与测量数据点间的距离即为该测量位置的偏差值，所述偏差值通过控制软件自动解算得到，能够避免传统手持式扫描仪扫描测量时连续拼接导致的拼接累计误差，提高检测精度与检测效率。