文／韓利亞，李中偉，鐘凱·華中科技大學(xué)

曲軸的自動(dòng)化光學(xué)三維測(cè)量

文／韓利亞，李中偉，鐘凱·華中科技大學(xué)

曲軸是汽車工業(yè)的重要零件，其精度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的好壞有重要的影響，因此，曲軸的精度檢測(cè)具有重要的意義。傳統(tǒng)的依賴人工進(jìn)行的精度檢測(cè)已經(jīng)無法滿足曲軸自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，業(yè)界迫切需要一種自動(dòng)、準(zhǔn)確、快速的曲軸三維測(cè)量方法。采用轉(zhuǎn)臺(tái)變位機(jī)構(gòu)和工業(yè)機(jī)器人，并借助結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量設(shè)備，對(duì)曲軸進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量，是一種行之有效的方法。

曲軸是汽車工業(yè)的重要零部件，其加工精度直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的好壞。目前，曲軸的生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，但在很多工廠中，曲軸的尺寸檢測(cè)還完全依賴人工進(jìn)行，而且這些測(cè)量往往采用接觸式方法，測(cè)量效率低，已無法滿足實(shí)際生產(chǎn)中的需要。

在接觸式測(cè)量方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)電一體化改造，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，是提高效率的一種方法。但由于接觸式測(cè)量方法本身的局限，這種提高程度有限，并且能夠獲取的曲軸尺寸參數(shù)僅限于一些局部，不能對(duì)曲軸整體三維形貌進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

因此，基于機(jī)器視覺原理的非接觸式光學(xué)測(cè)量方法被開發(fā)出來，并在曲軸測(cè)量中得到了一些應(yīng)用。但機(jī)器視覺方法由于方法本身的復(fù)雜性，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，從而限制了該種測(cè)量方式的推廣應(yīng)用。并且由于依賴人工操作，在測(cè)量的效率上相較于接觸式測(cè)量方法，并沒有顯著的提升。

為此，我們提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于結(jié)構(gòu)光的自動(dòng)化曲軸三維測(cè)量方法。將工業(yè)機(jī)器人、轉(zhuǎn)臺(tái)、結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量設(shè)備有機(jī)結(jié)合，通過轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)待測(cè)曲軸進(jìn)行變位，并通過工業(yè)機(jī)器人改變測(cè)量視角，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸完整三維形貌的自動(dòng)化測(cè)量。并通過計(jì)算優(yōu)化，使測(cè)量數(shù)據(jù)可以在變位和改變視角的間隙完成計(jì)算分析，從而實(shí)現(xiàn)連貫的自動(dòng)化曲軸測(cè)量。

曲軸自動(dòng)化三維測(cè)量系統(tǒng)

曲軸自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量裝置采用面結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理，由投影機(jī)和相機(jī)組成。能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行非接觸式的三維形貌測(cè)量。單次測(cè)量的范圍為兩個(gè)相機(jī)視野重合的部分。如圖1所示。

曲軸自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臺(tái)變位機(jī)構(gòu)、工業(yè)機(jī)器人和結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量裝置組成，如圖2所示。通過轉(zhuǎn)臺(tái)變位機(jī)構(gòu)改變曲軸的朝向，通過工業(yè)機(jī)器人改變測(cè)量裝置的視角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸工件的完整測(cè)量。

圖2 曲軸自動(dòng)化三維測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

曲軸自動(dòng)化三維測(cè)量實(shí)驗(yàn)

曲軸自動(dòng)化測(cè)量實(shí)驗(yàn)流程

由轉(zhuǎn)臺(tái)變位機(jī)構(gòu)、工業(yè)機(jī)器人組成了一個(gè)7自由度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，每一個(gè)測(cè)量位置可以用7個(gè)參數(shù)唯一表示。

曲軸自動(dòng)化測(cè)量分為示教階段和復(fù)現(xiàn)階段。在示教階段，通過人工調(diào)整測(cè)量方位，并記錄相應(yīng)參數(shù)，形成一個(gè)路徑圖。每個(gè)路徑點(diǎn)包含了測(cè)量裝置的空間坐標(biāo)，空間姿態(tài)以及變位機(jī)構(gòu)的角度。

每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)所拍攝到的圖像中，由標(biāo)志點(diǎn)組成的空間拓?fù)鋱D形標(biāo)記了該圖像在全部標(biāo)志點(diǎn)構(gòu)成的點(diǎn)云中的唯一方位，由這個(gè)方位可以將拍攝獲得的三維數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)空間中進(jìn)行定位，不同測(cè)量點(diǎn)獲取的三維數(shù)據(jù)由此可以拼接為一個(gè)整體，從而獲取完整的三維數(shù)據(jù)。

編制好路徑圖之后，啟動(dòng)自動(dòng)測(cè)量，進(jìn)入復(fù)現(xiàn)階段，轉(zhuǎn)臺(tái)啟動(dòng)并變位到第一路徑點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度，同時(shí)機(jī)器人移動(dòng)到第一個(gè)測(cè)量位姿態(tài)，并啟動(dòng)一次測(cè)量。第一次測(cè)量完成后，轉(zhuǎn)臺(tái)和機(jī)器人按照路徑圖移向第二個(gè)路徑點(diǎn)，移動(dòng)的同時(shí)，第一次測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)在后臺(tái)完成解析計(jì)算，并將三維點(diǎn)云顯示在視圖中。隨后，測(cè)量系統(tǒng)依路徑圖完成全部位置的測(cè)量，獲取被測(cè)曲軸的完整三維數(shù)據(jù)。如圖3所示。

圖3 完整的曲軸三維數(shù)據(jù)

圖4 3D比較結(jié)果

圖5 2D比較結(jié)果

曲軸自動(dòng)化測(cè)量結(jié)果及分析

對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行去噪后，可以得到平滑的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將此點(diǎn)云數(shù)據(jù)與曲軸的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)齊，并以色譜圖顯示點(diǎn)云對(duì)于設(shè)計(jì)模型的偏差，可以得到3D比較結(jié)果，如圖4所示。不同的顏色代表了不同點(diǎn)相對(duì)設(shè)計(jì)模型的偏離程度，關(guān)注點(diǎn)的3D比較結(jié)果可以進(jìn)行量化的顯示。

3D對(duì)比的結(jié)果可以從不同的視角進(jìn)行觀察，并選取不同的關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行量化的查看，并呈現(xiàn)在檢測(cè)報(bào)告中。同時(shí)，感興趣的二維截面也可以進(jìn)行剖解，并形成2D比較視圖，能夠獲取主軸徑、連桿軸徑等關(guān)鍵尺寸的信息，從而對(duì)曲軸加工過程進(jìn)行量化分析，如圖5所示。

結(jié)論

⑴對(duì)曲軸進(jìn)行光學(xué)三維形貌檢測(cè)能夠提升曲軸的制造精度，對(duì)汽車工業(yè)具有重要意義；采用面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)可以對(duì)曲軸進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、全面的三維形貌檢測(cè)。

⑵曲軸的自動(dòng)化光學(xué)測(cè)量采用面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的方案，能夠替代傳統(tǒng)測(cè)量方式對(duì)曲軸尺寸信息的獲取，具有比傳統(tǒng)的接觸和非接觸式測(cè)量方案更高的效率，是一種行之有效的曲軸自動(dòng)化檢測(cè)手段，對(duì)于提升曲軸制造的效率具有重要作用。