高 瑞， 馬 寧， 楊春光， 邊 東， 裴雨霞， 孫茗妍

（1.特種車輛設(shè)計制造集成技術(shù)全國重點實驗室， 內(nèi)蒙古包頭014030； 2.內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司， 內(nèi)蒙古包頭014030）

0 引言

實測數(shù)據(jù)是虛擬裝配的基礎(chǔ)。 三維激光跟蹤掃描技術(shù)能快速得到目標(biāo)量、高精度的三維點云數(shù)據(jù)，是獲取裝配仿真之前的較優(yōu)選擇。近年來，國外已有學(xué)者將測量技術(shù)應(yīng)用于裝配式結(jié)構(gòu)件的三維尺寸校核中。 Bosche 等[1]人使用三維激光掃描儀對水泥混凝土墻面的平整度進行了評價， 并在此基礎(chǔ)上提取了圓柱體混凝土構(gòu)件的幾何尺寸。Kim 等[2]利用點云數(shù)據(jù)的邊緣檢測與角點提取算法得到了裝配式橋面板的幾何尺寸， 并進一步獲取了裝配式橋面板的空間位置，精度可達2mm。Yoon 等[3]通過三維激光掃描儀， 識別了裝配式橋面板及水泥混凝土梁間連接件的幾何尺寸與位置， 并分析了裝配過程中的尺寸不匹配情況。 上述研究結(jié)果證明了三維激光掃描技術(shù)在結(jié)構(gòu)件三維尺寸檢測中的可行性和有效性， 但其試驗結(jié)果多基于室內(nèi)試驗，未使用工程現(xiàn)場的實測點云數(shù)據(jù)，且并未進一步考慮預(yù)制構(gòu)件的虛擬裝配過程。 數(shù)字化測量、虛擬裝配仿真、 公差分析等為代表的數(shù)字化手段是當(dāng)前制造業(yè)的熱點[4-5]。

本文使用三維激光掃描儀獲取了結(jié)構(gòu)件零部件裝配樣件的實測點云[6-7]，通過采樣、去噪、數(shù)據(jù)處理等預(yù)處理技術(shù)與特征提取算法，然后提出了虛擬裝配仿真方法，并通過裝配仿真報告給出了裝配時的公差優(yōu)化方案，對干涉的零件進行提示，提前進行處理或更換，進而保證一次裝配成功率，為保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量和提高裝配效率提供支撐。

Metra SCAN 可實現(xiàn)計量級測量和檢測， 可對尺寸在0.2～10m 之間的零部件進行幾何尺寸和任意形狀表面檢測，不受零部件材料類型、顏色和反射屬性的局限，可與支持動態(tài)參考、 自動對齊和持續(xù)參數(shù)監(jiān)測的C-Track 光學(xué)跟蹤器配合使用， 可在實驗室和車間環(huán)境中實現(xiàn)最為精確的測量。 也可與Handy PROBE 配合使用， 借助3D掃描和便攜式光學(xué)CMM 的雙重優(yōu)勢簡化檢測過程。

HandyPROBE 是便攜式手持激光掃描儀，具有最高的測量速率和精度，適用于0.1～4m 的較小零部件，不受復(fù)雜程度、材質(zhì)或顏色的影響。 在所有工作條件或環(huán)境下，均可提供一致且可重復(fù)的結(jié)果，精度可達到計量級測量。

1 結(jié)構(gòu)件三維數(shù)據(jù)獲取

本系統(tǒng)方案采用光學(xué)CMM 測量技術(shù)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的三維數(shù)據(jù)，包括機器人系統(tǒng)和CMM 掃描測量系統(tǒng)。 其中CMM 掃描系統(tǒng)與機器人第六軸手臂連接固定，通過機器人位置和姿態(tài)地調(diào)整來實現(xiàn)對于結(jié)構(gòu)件的各個位置進行整體掃描，得到裝配體的實際數(shù)模。

系統(tǒng)根據(jù)掃描所獲得的三維模型與理論模型進行對比，從而判斷部件是否合格。 測量系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 測量系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 機器人掃面設(shè)置界面

圖3 輸出數(shù)據(jù)界面圖

圖4 計算調(diào)整量流程圖

機器人觸發(fā)掃描IO 接口通過機器人觸發(fā)開始三維掃描或者停止三維掃描，同時輸出符合條件的DMO 數(shù)據(jù)格式自動執(zhí)行并快速導(dǎo)出。

2 仿真方法研究

虛擬裝配系統(tǒng)能夠接收來自測量系統(tǒng)中板件數(shù)據(jù)，并且對板件進行有效編號管理， 按照設(shè)定測量順序自動將數(shù)據(jù)記錄到系統(tǒng)中，同時與板件正確關(guān)聯(lián)，另外系統(tǒng)能夠?qū)νN零件多批次測量設(shè)定規(guī)則。

獲得數(shù)據(jù)之后， 首先將實測點自動匹配到最合適的地方，匹配規(guī)則為將設(shè)計點和實測點盡可能相互對應(yīng)，距離最短，方法如下：

2.1 將實測模型進行繞軸旋轉(zhuǎn)

基礎(chǔ)方法——基準(zhǔn)面重合：

分三步進行計算，分別為基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)面：

將目標(biāo)點定義為A0（x01，y01，z01），B0（x02，y02，z02），C0（x03，y03，z03），將移動點定義為A1（x11，y11，z11），B1（x11，y11，z11），C1（x11，y11，z11）。 其中A0為基準(zhǔn)點，A0A1為基準(zhǔn)線

（1）將兩個基準(zhǔn)點重合，計算得到平移矩陣

將A0移動到坐標(biāo)原點

根據(jù)余弦定理，計算出旋轉(zhuǎn)角β：

其中a=B0B1，b=A0B1，c=A1B0；

將旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角帶入公式（1）計算出矩陣M3。

（3）將基準(zhǔn)點移動回原來的位置，計算矩陣M5。

（4）最終的變換矩陣M6=M5×M4×M3×M2×M1。

（5）計算需要重合的面的法向量。

向量r1、r0重合參考【步驟2】

向量a=（x1，y1，z1），b=（x2，y2，z2）

a×b=（y1z2-y2z1，z1x2-z2x1，x1y2-x2y1）

（6） 得到面重合的最終變換矩陣。

計算調(diào)整量部分的流程步驟：

步驟一：獲得所有搭載快，設(shè)計點、實測點以及相應(yīng)公差數(shù)據(jù)規(guī)格等。

步驟二：計算調(diào)整量范圍，每個搭載塊計算和前一個搭載快對應(yīng)公差兩個點之間的向量v （指向前一個搭載快），用實際距離減去公差范圍的平均值，得到對于該一組公差，應(yīng)當(dāng)移動的距離，用向量q 表示。

步驟三：對每一組公差，都求得一份應(yīng)當(dāng)移動的合適距離q。 圖中v/|v|表示單位化的向量。

步驟四： 再將所有計算得到的向量q 加和平均得到一個平均化的向量。 該向量同時表示需要位移的方向和距離。

步驟五：輸出該向量代表的矩陣，結(jié)束。

2.2 根據(jù)公差得到實際位移的方向和距離：

（1） 獲得與公差的相對應(yīng)的兩個點D1j，D2j，（j=1，2，3…，n）。 D1表示已裝好的，D2表示當(dāng)前正要裝的。

（2）為每一組對應(yīng)公差計算其需移動方向和距離，用dj向量表示。 有

dj=OD1j-OD2j

（3）其中，實際移動的距離應(yīng)該為：

（4）則每一組公差對應(yīng)的dj實為：

（5）最后將各個dj實合并得到最終需要位移的方向和距離d：

在虛擬環(huán)境下輸出符合公差要求的仿真報告（見圖5），確保裝配的零件的間隙的最優(yōu)化。 可以在虛擬環(huán)境下根據(jù)工藝要求進行調(diào)整與更換零部件，同時進行統(tǒng)計分析。

圖5 虛擬裝配仿真報告

3 結(jié)束語

采用基于跟蹤儀的三維激光自動掃描對待裝零件進行位姿跟蹤掃描，通過獲取測量數(shù)據(jù)，并在虛擬環(huán)境下基于測量數(shù)據(jù)進行實際裝配之前模擬裝配，通過計算相關(guān)參數(shù)來評價裝配之后能否達到設(shè)計要求，在實際裝配之前完成公差分析與優(yōu)化， 保證結(jié)構(gòu)件實際裝配能夠順利進行，能夠提前感知現(xiàn)場裝配過程中可能存在的裝配干涉問題，一定程度上提高了裝配效率，降低零部件返修率。