基于面激光传感器的机器人工件装配及形位公差检测系统及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种公差检测系统及检测方法，尤其涉及一种基于面激光传感器的机 器人工件装配及形位公差检测系统及检测方法。
【背景技术】
[0002] 在汽车行业中，汽车部件的检测已经越来越普及，其检测要求一般是多样性的，t匕 如错漏装的检测以及关键点形位公差的检测通常希望一起完成。机器人携带视觉传感器的 检测方式以其非接触、自动化的特点被普遍采用。但是错漏装检测和形位公差检测属于不 同类型的检测，在视觉检测领域，对错漏装的检测通常通过平面图像处理的方法进行错漏、 漏装的判别，而对形位公差的检测则通过工件三维点云数据的处理和计算进行。
[0003]目前主流的检测方式都不能很好的处理这种复杂的检测要求，诸如：机器人携带 工业相机的方式，由于相机不能得到三维数据，仅能进行错漏装的检测，对关键点的形位公 差无能为力。机器人携带线激光器的方式，能有效检测形位公差，却很难检测装配正确与 否。机器人同时携带线激光器和工业相机的方式能够同时进行形位公差和错漏装的检测， 但是机器人末端携带两个传感器更容易带来干涉，传感器变位时会造成检测精度的损失， 且线激光器依靠机器人提供第三轴坐标的方式使手眼标定非常复杂并且会造成所采集数 据的精度损失。
[0004] 同时，双目视觉的检测方式往往需要依靠外部设备(如激光跟踪仪)，或者在被测 物体表面贴标记点，来完成系统的全局标定，前者会增加系统对应用场合的限制，后者会给 检测造成不便，且双目视觉的检测方式成本会很高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于面激光传 感器的机器人工件装配及形位公差检测系统及检测方法。由于面激光传感器可在静止状态 下一次性获取测量范围内物体表面三维数据(可用于形位公差检测）及图像灰度数据(可用 于错漏装检测)，系统能同时实现装配及形位公差的检测。同时面激光传感器可独立获取三 维数据的特点也使得系统精度较高，且相比于双目视觉的检测方式，不需要外部设备的辅 助，也不需要额外的标记点，实现简单，成本低。
[0006] 本发明的目的通过以下技术方案来实现： 上述的基于面激光传感器的机器人工件装配及形位公差检测系统，其中：所述定位组 件的外围设置有相互通讯的面激光传感器、机器人设备、工控机，所述面激光传感器安装在 机器人设备末端，由机器人设备携带对机器人设备运动范围内的被测位置采集工件表面三 维数据，所述面激光传感器在采集工件表面三维数据的同时还采集灰度图像数据，采集所 得的工件表面三维数据用于工件关键点形位公差检测，采集所得的灰度图像数据用于工件 错漏装检测；所述工控机同时连接面激光传感器、机器人控制柜，用于控制检测过程及处理 检测数据，所述工控机根据检测计划启动检测过程，控制机器人本体运动到工件被测位置， 通过面激光传感器采集被测工件表面三维数据及灰度图像数据，对采集到的数据进行处理 和分析得到检测结果。
[0007] 进一步地，上述的基于面激光传感器的机器人工件装配及形位公差检测系统，其 中：所述的工控机内设置有通信及控制模块，所述的通信及控制模块的数据处理端口上连 接有数据处理组件，所述数据处理组件的辅助通讯端口上连接有显示存储及统计分析模 块；所述机器人设备包括机器人本体，所述机器人本体上连接有机器人控制柜，所述机器人 控制柜连接有机器人示教器，所述机器人本体用于带动面激光传感器以到达工件被检测位 置，所述机器人控制柜用于机器人本体的伺服控制，所述机器人控制柜和工控机连接用于 传输机器人位置数据，所述机器人示教器用于机器人编程调试。
[0008] 更进一步地，上述的基于面激光传感器的机器人工件装配及形位公差检测系统， 其中：所述通信及控制模块用于完成和面激光传感器、机器人控制柜的通信，通过面激光传 感器采集灰度图像数据和三维位置数据，并记录面激光传感器拍摄时机器人的位置和姿态 信息，所述通信及控制模块同时实现整个检测过程的协调控制，根据检测计划，依次控制机 器人本体到达被测位置，在机器人本体到达被测位置后触发面激光传感器采集被测位置数 据；所述数据处理组件包括相互通讯的标定模块、坐标转换模块、计算模块，所述标定模块 计算面激光传感器坐标系相对于机器人本体末端工具坐标系的旋转平移矩阵，完成被测部 件基准的建立；所述坐标转换模块根据标定模块所求得旋转和平移矩阵、机器人本体位置 和姿态信息、基准坐标对面激光传感器采集到的三维位置数据进行坐标变换，将其从面激 光传感器坐标系下变换到被测部件坐标系下；所述计算模块包括二维图像处理模块和三维 图形处理模块，所述二维图像处理模块通过特征识别进行错漏装的检测，所述三维图形处 理模块通过点云计算得到形位公差信息；所述显示存储及统计分析模块用于对检测结果进 行统计分析，并将检测结果上传至企业数据库并通过显示器实时直观显示测量结果。
[0009] 更进一步地，上述的基于面激光传感器的机器人工件装配及形位公差检测系统， 其中：所述的通信及控制模块上设置有PLC接口。
[0010] 更进一步地，上述的基于面激光传感器的机器人工件装配及形位公差检测系统， 其中：所述显示存储及统计分析模块能给用户提供检测报表。
[0011] 再进一步地，上述的基于面激光传感器的机器人工件装配及形位公差检测系统， 其中：所述的安全组件还包括有安全围栏。
[0012] 基于面激光传感器的机器人工件装配及形位公差检测方法，其特征在于包括以下 步骤：步骤①，进行系统标定，确定面激光传感器坐标系和机器人末端工具坐标系的相对关 系； 步骤②，机器人本体带动面激光传感器至被测工件基准位置，面激光传感器拍摄基准 数据，工控机根据所采集数据建立工件基准； 步骤③，通过工控机控制机器人运动到第一个被测位置，面激光传感器采集被测工件 表面的三维数据及灰度图像，工控机同时根据机器人当前的位置和姿态信息，将采集得到 的三维数据变换到工件基准坐标系下； 步骤④，在第一个位置扫描完成之后，工控机控制机器人扫描第二个被测位置，并继续 将采集得到的三维数据变换到工件基准坐标系下，以此循环，直至完成所有检测数据采集 任务； 步骤⑤，完成检测数据采集后，工控机对工件基准坐标系下的数据进行处理，计算关键 点的各种形位公差，工控机还对灰度图像数据进行处理，通过特征提取、识别的方法进行错 漏装的检测，给出装配是否合格的结果； 步骤⑥，数据处理完成后，检测结果将被上传至数据库存储，并生成图形化的统计报 表。
[0013] 上述的基于面激光传感器的机器人工件装配及形位公差检测方法，其中：所述的 步骤①中，首先，机器人本体带动面激光传感器，使被测位置在面激光传感器视野范围内， 对固定在三维空间中的标准球进行拍摄，根据所得到的三维位置数据拟合得到球心在面 激光传感器坐标系下的坐标值_，则有表达式①:：
，表达 式①中，_为球心在机器人世界坐标系下的坐标值，il、ii表示此次测量中机器人末端 工具坐标系相对于机器人世界坐标系的旋转和平移矩阵，:_:、，表示面激光传感器坐标系 相对于机器人末端工具坐标系的旋转和平移矩阵，通过此时机器人位置信息得到； 之后，机器人本体在工具坐标系下做平移运动，保证标准球仍在面激光传感器的视野范围 内，记录机器人位置姿态，并再次进行拍摄、拟