复杂曲面机器人自动化研抛加工试验

为提高复杂曲面工件光整加工的效率和表面质量,搭建了以KUKA 30-3机器人为基体的自动化研抛平台并对复杂曲面工件进行了研抛加工试验。基于机器人工具坐标测量原理,针对本试验工件进行刀具坐标测量,利用CAD/CAM进行轨迹规划,采用一定倾角的弹性抛光盘进行研抛加工。试验结果表明,采用"XYZ-4点"方法确定刀具坐标系原点和采用ABC世界坐标法确定刀具坐标系姿态,实现了加工过程中研抛刀具沿研抛轨迹的精确走刀。CAD/CAM轨迹与姿态规划的自动生成代替了传统复杂、费时的示教方法,实现了加工过程的主动柔顺性,而弹性抛光盘的采用实现了被动柔顺性。采用该试验平台和方法实现了复杂曲面工件自动、高效、低成本的研抛加工。     

基于八叉树的复杂曲面测量路径规划

针对异形天线罩复杂曲面的测量加工一体化加工方法中,存在测量复杂曲面时测杆与工件易发生干涉,使得数控编程困难的问题,提出了一种复杂曲面测量路径规划方法。该方法将机床测量系统离散为点云数据,通过点云的空间坐标变换来模拟数控测量时测杆与工件的位置关系,同时引入八叉树算法为点云增加拓扑关系,并检测测杆点云与工件点云之间是否发生干涉。最终将无干涉测量状态下的测量系统信息输出为G代码,通过Vericut软件进行轨迹仿真。文中对8 504个测量点进行测量路径规划,结果表明,测量路径均可以避开干涉位置进行有效地测量。该碰撞检测算法可以在满足测量要求的前提下准确地实现复杂曲面的测量路径规划,为复杂曲面的测量方法提供理论指导。     

4+2自由度叶片抛磨专用机器人轨迹规划方法研究

砂带抛磨作为复杂曲面叶片精密加工的最后一道工序,其加工质量直接影响叶片的服役性能和寿命。传统6自由度机器人多关节串联具有明显的弱刚性,在末端夹持大型叶片时抗变形能力欠佳。为此,文章自主设计研发了4+2自由度叶片抛磨专用机器人系统,并开展复杂曲面叶片抛磨轨迹规划方法研究。首先基于D-H法建立该机器人运动学模型,进行机器人运动学的正、逆解的求解;其次给出了综合考虑抛磨工具与工件曲率的干涉、刀路轨迹行距和轨迹点密度对残留高度的影响规律的轨迹规划方法,建立了2个单元的协同运动模型保证叶片的加工实现;最后通过叶片抛磨轨迹数控程序验证了所获得的抛磨轨迹的正确性。     

三维复杂尺寸检测的研究与应用

为提高复杂曲面工件的检测水平,采用XJTUOM三维光学面扫描系统,获取叶轮和水泵外壳的点云数据,结合Geomagic Qualify把点云数据和CAD模型进行3D对比分析,实现了叶轮的全尺寸比对和水泵外壳的关键尺寸测量.试验结果表明:叶轮98%以上的点云偏差在±0.2mm之间,水泵外壳指定位置的尺寸偏差也都在±0.2mm之间.该方法可快速、可视化地实现工件尺寸的检测,极大缩短产品的检测和开发周期.     

基于结构光的叶片自动检测系统研发

针对三坐标检测叶片型面时成本高、检测轮廓有限,以及光学扫描检测时难以快速、自动、完整扫描的问题,设计了基于结构光扫描仪的叶片自动化检测系统。PCI运动控制卡作为上位运动控制器,带细分的步进电机作为动力元件,完成了三自由度的自动化检测系统搭建和叶片扫描检测。实验结果表明,合理的扫描规划高效地完成了整个叶片的扫描,并依托点云数据快速地实现了整个叶片三维逆向重构与检测。对比结构光学检测与三坐标的截面轮廓检测精度,该检测系统能够快速地获取检测模型并准确地完成整个叶片精度检测,提高了效率,降低了成本。     

基于改进OMP算法的喷涂机器人轨迹规划研究

为实现CAD模型未知情况下的喷涂机器人自动轨迹规划,提出了一种基于工件三维点云直接生成喷涂轨迹的方法,并使用改进的正交匹配追踪(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)算法进行轨迹优化.首先,将理想涂层厚度函数视作原始信号,通过引入信赖域反射算法解决了投影系数的约束问题,应用OMP算法进行涂层厚度重建,并求出每条喷涂轨迹的位置和喷枪速率.然后,对预处理后的点云模型应用轨迹生成算法得到工件表面的喷涂轨迹,通过坐标变换和姿态解算生成机器人喷涂轨迹.最后,对扫描获取的待喷涂曲面使用上述方法进行仿真.仿真结果显示,重建涂层厚度误差为4.28％,满足均匀性要求,喷涂时间显著缩短,表明所提出的轨迹规划和优化方法是可行的.     

涡轮叶片的曲面重构及误差分析

由于涡轮叶片多为扭曲的变截面曲面,形状复杂,传统测量方法难以满足要求。提出采用激光扫描测头搭载在多自由度机械手上的方式,获得叶片型面几何数据,并利用逆向工程软件Imageware,对叶片曲面点云重构得到CAD模型,以便于叶片各参数的分析检测。实验表明,该方法可对叶片作一般性的精度检测与分析。     

鞋底曲面数据提取与喷胶轨迹的自动生成方法

为快速有效地提取鞋底曲面信息和生成喷胶轨迹,提出一种基于线结构光扫描鞋底曲面的方法。利用线结构光三维测量原理,扫描套在鞋楦上的鞋帮底面,获得表示鞋底曲面信息的点云数据。用B样条曲线拟合出一系列的三维扫描线,生成封闭的鞋底轮廓线,计算鞋底轮廓线在鞋底曲面的偏置曲线得到喷胶轨迹。构建线结构光扫描鞋帮底面的试验装置,计算其在x、y和z轴方向上的测量误差分别为0.094、0、0.015 mm,满足系统精度要求。最后将生成的喷胶轨迹通过坐标变换应用于Stäubli机器人自动喷胶系统,验证了方法的有效性和可行性。     

整体叶轮的叶片旋转不对称性误差计算

叶轮在制造过程中会受到各种因素的影响,以至叶轮中的叶片会产生旋转不对称的误差。在获得整体叶轮的测量点云数据后,以叶轮中的圆柱面和叶片曲面为基准将点云数据与理论模型进行配准,作为基准位置,然后将每个叶片的点云数据与相邻理论模型中的叶片数据进行配准,通过此配准计算出旋转轴与理论轴的夹角误差、旋转过的角度与理论叶片之间角度的误差、旋转过的叶片与此位置上的理论模型轮廓度的误差。通过此方法可计算出旋转不对称性的误差。     

叶片复杂曲面的机器人抛磨工艺规划

为了实现复杂曲面工件的智能抛磨加工,对叶片复杂曲面进行机器人抛磨工艺规划。对抛磨点位置规划算法和基于最大接触原则的抛磨姿态规划算法进行了研究。首先,通过平行截面法获得抛磨路径割线,以非均匀有理B样条(NURBS)曲线描述。接着,提取曲线特征参数,根据设定的阈值进行抛磨点规划,再基于抛磨轮与工件的最大接触原则进行抛磨点姿态规划,从而得到完整的抛磨路径。然后,将工件位姿从工件坐标系转换到TCP坐标系。最后,搭建了柔性抛磨系统仿真平台生成机器人控制程序。实验结果表明,此方法规划的路径可用于叶片复杂曲面的机器人抛磨加工。分别用本文规划所得路径和CAM软件规划所得路径对叶片进行抛磨加工,测得表面粗糙度分别为0.695~0.930μm和2.803~3.243μm。本文提出的抛磨位姿规划方法可用于复杂曲面工件的抛磨路径规划,使工具和工件保持最大接触,从而避免了位姿不合理所产生的过抛和欠抛。     

叶片型面在线自动测量方法

为了实现叶片型面的在线自动测量,提出了一种基于机器视觉技术和机器人相结合的叶片型面测量方法。通过机器人带动叶片回转,由扫描仪获取不同视角下叶片型面的点云数据,根据旋转拼接原理将点云数据拼接到一起,完成叶片型面的测量。阐述采用机器人进行旋转拼接的原理,提出一种自动标定机器人法兰盘回转轴线的方法,利用该方法可在线完成扫描仪与机器人法兰盘之间位置关系的标定。试验表明,该方法简单有效,拼接后的叶片表面光滑,无分层现象,可实现叶片型面的在线自动测量。     

大型回转件自动超声波探伤轨迹规划及仿真分析

针对目前大型回转件主要依靠传统手工探伤的种种缺陷,开展了自动化超声波探伤的轨迹规划与探伤系统运动规律的研究,并进行探头扫查轨迹运动仿真。阐述了自动化探伤模拟手工探伤的工艺原理,分析了工件、探头的运动规律,规划了探头扫查轨迹,整个自动化探伤工艺符合无损探伤国家标准,并将探伤效率提高了5.46倍;联合MATLAB和ADAMS软件对探头扫查轨迹进行仿真,仿真结果验证了轨迹规划的正确性。     

基于改进凸包算法的叶片型面特征参数提取

针对叶片离散测量点云数据,提出了基于改进凸包算法的叶片型面特征参数（如弦线、前后缘半径等）提取方法,并利用主成份分析法准确提取叶片截平面的法矢,开发了基于MATLAB环境的某型号航空发动机叶片特征参数提取软件模块,实现了叶片型面的快速特征提取与精密检测。     

基于传感器融合里程计的相机与激光雷达自动重标定方法

智能驾驶车辆行驶环境复杂多样,不可避免地导致传感器相对位姿发生变化,此时需要进行重新标定。针对智能驾驶车辆的相机和激光雷达发生漂移后的重标定问题,提出一种基于传感器融合里程计的自动重标定方法。基于点云投影和图像配准原理建立基准点云和观测图像之间的3D-2D点对,利用N点透视投影得到平移尺度不准的相机运动;通过融合估计的激光雷达运动来恢复准确尺度的相机运动,并将基准点云根据相机运动转换到观测位置下,与观测点云通过点云配准求解变换矩阵,使用时域均值滤波得到最终的外参矩阵。基于智能驾驶车辆试验平台进行室内外实车试验。结果表明所提出的基于传感器融合里程计的方法无需设置标定板,不受环境和数据特征限制,能够实现相机和激光雷达的精确重标定,对传感器漂移具有较高的鲁棒性。     

A fast automatic method to measure the recession of a blade edge due to wear

A method is described to measure the recession of a blade edge. The experimental set-up includes an industrial microscope to project the blade edge and its specular image onto a photodiode array. The distance between a point on the edge and its specular image is twice the blade recession due to wear. A scan is performed over the whole blade and the data are stored and processed with a microcomputer. This particular detection technique allows a fast non-contact automatic inspection independent of the irregularities in the microscope stage translation.     

基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划

为了使巡检机器人在电力系统中避开障碍物,顺利完成电力巡检工作,提出基于改进人工势场法的电力巡检机器人自动避障轨迹规划方法。构建了电力巡检机器人的被控对象模型,分析电力巡检机器人的避障运动学,根据分析结果采用栅格法获取环境参数,实现环境建模,获取电力巡检机器人工作环境信息;引入改进人工势场法,叠加斥力势场和引力势场获得合力势场,判断环境中的障碍物并规划避障路线,完成电力巡检机器人自动避障轨迹的规划。实验结果表明,所提方法的避障准确率高、规划效果好、规划效率高。     

Toward autonomous mining: design and development of an unmanned electric shovel via point cloud-based optimal trajectory planning

With the proposal of intelligent mines, unmanned mining has become a research hotspot in recent years. In the field of autonomous excavation, environmental perception and excavation trajectory planning are two key issues because they have considerable influences on operation performance. In this study, an unmanned electric shovel (UES) is developed, and key robotization processes consisting of environment modeling and optimal excavation trajectory planning are presented. Initially, the point cloud of the material surface is collected and reconstructed by polynomial response surface (PRS) method. Then, by establishing the dynamical model of the UES, a point to point (PTP) excavation trajectory planning method is developed to improve both the mining efficiency and fill factor and to reduce the energy consumption. Based on optimal trajectory command, the UES performs autonomous excavation. The experimental results show that the proposed surface reconstruction method can accurately represent the material surface. On the basis of reconstructed surface, the PTP trajectory planning method rapidly obtains a reasonable mining trajectory with high fill factor and mining efficiency. Compared with the common excavation trajectory planning approaches, the proposed method tends to be more capable in terms of mining time and energy consumption, ensuring high-performance excavation of the UES in practical mining environment.     

用于提琴琴弦三维振动测量的高速摄影系统

分析了琴弦的亥姆霍兹运动,设计了一个基于高速摄影的非接触式光学测量系统,用于测量真实小提琴上琴弦的振动。通过特殊的光路设计和在琴弦上设置标定点,以7 000 frame/s的速度和336×480的图像分辨率拍摄了拉弦和拨弦时琴弦上标定点的三维振动形态。采用圆形霍夫变换图像处理算法、奇异值分解算法和自动批处理,对记录的大量序列图像进行处理,提取了弦振动的位移和轨迹等数据。实验结果表明,该测量系统能够精确跟踪小提琴琴弦的振动状态和包络轨迹,振动位移曲线的图像处理精确度达到0.03 mm。该系统为进一步研究提琴琴弦的振动机理和建立精确的琴弦振动理论模型提供了一种有效的实验方法。     

点云数据的二次曲面几何测量方法

基于点云的几何测量方法是非接触式测量的重要方法。针对点云数据,提出了一种基于待定系数的二次曲面的几何测量方法,建立了求解不同二次曲面（球面、柱面和圆锥面）的统一框架。根据二次曲面方程与不同类型二次曲面几何量的关系,给出了球面、柱面和圆锥面的具体几何参数的求解方法。实验证明,该方法能在短时间内精确地测量所需的几何值,方法切实可行。     

复合材料曲面构件缺陷超声三维成像方法

针对目前复合材料曲面结构缺陷检测技术存在的检测结果不直观、效率低等问题,提出一种基于超声相控阵的缺陷三 维成像方法。 使用三维激光扫描仪获取曲面的点云模型,通过平行截面法规划检测路径,然后使用相控阵轮式探头采集超声图 像数据。 利用均匀三次 B 样条函数拟合检测路径与曲面,根据扫查步长和图像序列关系计算超声图像数据点的空间位置以生 成超声点云集。 最后利用体素化降采样方法对超声检测结果进行重建,实现复合材料内部缺陷的三维成像。 实验结果表明,本 文方法的缺陷成像结果与 CT 检测结果的平均误差为 1. 14 mm,能够快速准确地重建缺陷的位置、形状与尺寸信息,实现复合材 料曲面样件内部缺陷的精确表征。