一种法兰零件智能对接方法及系统技术方案

本发明专利技术属于智能装配技术领域，并具体公开了一种法兰零件智能对接方法及系统，其包括步骤：S1、获取待对接法兰零件的点云图像，从点云图像中分离出两个法兰端面，进而分离得到两个法兰圆柱面；S2、将两个法兰端面进行拟合，并拟合法兰端面边界圆，进而得到法兰端面圆心坐标和法矢量初值；S3、将两个法兰圆柱面投影至已拟合的法兰端面上，并对法兰圆柱面进行去噪，将投影、去噪后的法兰圆柱面进行拟合，进而计算得到最终圆心坐标和法矢量；S4、根据最终圆心坐标和法矢量，移动待对接法兰零件，完成法兰零件智能对接。本发明专利技术可实现法兰类零部件空间位置和姿态的高精度识别定位和快速调整，极大提高了对接装配工作的效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种法兰零件智能对接方法及系统
本专利技术属于智能装配
，更具体地，涉及一种法兰零件智能对接方法及系统。
技术介绍
船舶大型推进轴系的对接装配是船舶建造的重要环节之一，对于最终安装质量具有重要影响。近年来，对船舶大型推进轴系也有了更高的装配精度和装配自动化、智能化的要求。引入视觉测量系统可以高精度测量船舶轴系对接法兰的空间相对位置和姿态，引入伺服控制系统可以高精度快速调整船舶轴系的空间位置和姿态，进而可以满足更高精度的装配需求。目前船舶轴系的对接装配过程普遍采用人工吊装的方式，借用龙门吊来辅助人工精确定位，再通过百分表测量当前轴系的偏移曲折值，然后人工调整调节螺栓来精确控制轴系位置和姿态，以使轴系达到符合要求的安装精度。这种安装方式作业周期长，费时费力，存在安全隐患。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种法兰零件智能对接方法及系统，其目的在于，以法兰圆柱面在拟合平面上的投影圆拟合之后的圆心来描述准确的法兰位置，实现法兰零件空间位置和姿态的高精度识别定位和快速调整，提高对接装配工作的效率和精度。为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提出了一种法兰零件智能对接方法，包括如下步骤：S1、获取待对接法兰零件的点云图像，从点云图像中分离出两个法兰端面，进而分离得到两个法兰圆柱面；S2、将两个法兰端面进行拟合，并拟合法兰端面边界圆，进而得到法兰端面圆心坐标和法矢量初值；S3、根据法兰端面法矢量初值，将两个法兰圆柱面投影至已拟合的法兰端面上；根据法兰圆柱面与法兰端面圆心坐标的距离，对法兰圆柱面进行去噪；将投影、去噪后的法兰圆柱面进行拟合，进而计算得到最终圆心坐标和法矢量；S4、根据最终圆心坐标和法矢量，移动待对接法兰零件，完成法兰零件智能对接。作为进一步优选的，获取待对接法兰零件的点云图像具体为：通过机械臂带动激光三维扫描仪对待对接法兰零件进行扫描，得到法兰零件的点云图像。作为进一步优选的，激光三维扫描仪的扫描路径根据如下步骤确定：(1)建立扫描路径规划目标函数PI(dj,βj)：其中，表示路径点pk(dkj,βkj)与路径点pk+1(d(k+1)j,β(k+1)j)连线的长度，n为扫描路径上点的总个数；(2)确定约束条件：其中，i＝1,2；dj(djx,djy,djz)为机械臂末端位置，βj(βjx,βjy,βjz)为机械臂末端姿态，Dmax、Dmin分别为激光三维扫描仪最远有效扫描范围和最近有效扫描范围，t为法兰零件厚度，R、r分别为法兰零件的直径和轴径，sl为激光三维扫描仪最远有效扫描范围下的成像边长；(3)根据约束条件，对扫描路径规划目标函数进行求解，得到激光三维扫描仪的扫描路径。作为进一步优选的，所述步骤S1中，根据曲率一致性从点云图像中分离出两个法兰端面，再根据与法兰端面的空间距离关系分离出两个法兰圆柱面。作为进一步优选的，获取待对接法兰零件的点云图像后，先根据点云的空间邻近度和曲率相似度对点云图像数据进行去噪处理，然后再进行法兰端面分离。按照本专利技术的另一方面，提供了一种用于实现上述法兰零件智能对接方法的系统，包括图像采集装置、图像处理装置和运动控制装置，其中：所述图像采集装置用于采集待对接法兰零件的点云图像；所述图像处理装置包括点云去噪模块、平面曲面分离模块、平面拟合模块和曲面拟合模块，其中，所述点云去噪模块用于对点云图像数据进行去噪处理，所述平面曲面分离模块用于从去噪后的点云图像中分离出法兰端面和法兰圆柱面，所述平面拟合模块用于对法兰端面进行拟合，所述曲面拟合模块用于将法兰圆柱面投影到拟合的法兰端面上，并拟合投影后的法兰圆柱面，得到最终圆心坐标和法矢量；所述运动控制装置用于根据最终圆心坐标和法矢量，移动待对接法兰零件至目标位置。作为进一步优选的，所述运动控制装置包括控制模块、六通道伺服驱动器和两套并联的三轴运动机构，其中，所述控制模块用于将最终圆心坐标和法矢量转化成所述三轴运动机构的运动量，并基于该运动量生成位置速度控制信号；所述六通道伺服驱动器用于根据位置速度控制信号控制所述三轴运动机构带动法兰零件运动至目标位置。作为进一步优选的，所述运动控制装置还包括锁定模块，所述锁定模块设置在所述三轴运动机构的伺服电机中，用于在完成对接后，防止因外力导致伺服电机中电动缸的活塞杆缩回；所述运动控制装置采用绝对式编码器。作为进一步优选的，所述图像采集装置包括激光三维扫描仪，该激光三维扫描仪通过机械臂带动或直接手动操作。作为进一步优选的，还包括手动测量对接装置，该手动测量对接装置包括两组百分表，每组百分表按180°对称安装在待对接法兰零件上。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术针对法兰零件结构特性，由于端面边界圆的样本数量少，并且存在倒角，扫描时存在较大误差，所以不以端面边界圆圆心来描述对接法兰的位置，而以法兰圆柱面在拟合平面上的投影圆拟合之后的圆心来描述准确的法兰位置；本专利技术可以实现法兰零件空间位置和姿态的高精度识别定位和快速调整，极大地提高了对接装配工作的效率和精度，可以广泛应用于船舶、航空航天、管道运输等领域。2.本专利技术采用无接触式视觉测量方式。基于双目视觉成像原理，通过所述手持式激光三维扫描仪对所述法兰零件进行扫描成像，准确测量所述法兰零件的空间位置和姿态，解决了目前人工测量精度差的问题。3.本专利技术采用多约束路径规划技术。基于运动学分析方法，进行多约束路径规划，求解最优扫描路径，扫描时间可控制在7分钟内，解决了目前人工测量效率低的问题。4.本专利技术采用多种工作模式以适用不同的工作环境和要求。系统具备自动扫描对接、手动扫描对接和手动测量对接三种功能：自动扫描对接功能可自动实现所述法兰零件的对接装配工作；手动扫描对接功能可用于当狭小工作环境下无法布置所述六轴机械臂时，实现所述法兰零件的对接装配工作；手动测量对接功能可用于当前工作环境无法使用所述手持式激光三维扫描仪或目标对象为不带法兰的圆柱形零部件的工作情境。5.本专利技术采用伺服驱动控制方式。所述运动控制装置采用伺服驱动控制方式，控制所述三轴运动机构运动，控制精度可达0.01mm，解决了目前人工吊装定位精度差、效率低的问题。附图说明图1为本专利技术实施例法兰零件智能对接系统结构示意图；图2为本专利技术实施例法兰零件智能对接系统结构右视图；图3为本专利技术实施例手动测量功能结构示意图；图4为本专利技术实施例手动测量功能结构前视图；图5为本专利技术实施例中各装置连接示意图；图6为本专利技术实施例中图像采集装置模块示意图；图7为本专利技术实施例中图像处理装置模块示意图；图8为本专利技术实施例中运动控制装置模块示意图；图9为本专利技术实施例法兰零件智能对接方法流程图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种法兰零件智能对接方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、获取待对接法兰零件的点云图像，从点云图像中分离出两个法兰端面，进而分离得到两个法兰圆柱面；/nS2、将两个法兰端面进行拟合，并拟合法兰端面边界圆，进而得到法兰端面圆心坐标和法矢量初值；/nS3、根据法兰端面法矢量初值，将两个法兰圆柱面投影至已拟合的法兰端面上；根据法兰圆柱面与法兰端面圆心坐标的距离，对法兰圆柱面进行去噪；将投影、去噪后的法兰圆柱面进行拟合，进而计算得到最终圆心坐标和法矢量；/nS4、根据最终圆心坐标和法矢量，移动待对接法兰零件，完成法兰零件智能对接。/n

【技术特征摘要】
1.一种法兰零件智能对接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取待对接法兰零件的点云图像，从点云图像中分离出两个法兰端面，进而分离得到两个法兰圆柱面；
S2、将两个法兰端面进行拟合，并拟合法兰端面边界圆，进而得到法兰端面圆心坐标和法矢量初值；
S3、根据法兰端面法矢量初值，将两个法兰圆柱面投影至已拟合的法兰端面上；根据法兰圆柱面与法兰端面圆心坐标的距离，对法兰圆柱面进行去噪；将投影、去噪后的法兰圆柱面进行拟合，进而计算得到最终圆心坐标和法矢量；
S4、根据最终圆心坐标和法矢量，移动待对接法兰零件，完成法兰零件智能对接。


2.如权利要求1所述的法兰零件智能对接方法，其特征在于，获取待对接法兰零件的点云图像具体为：通过机械臂带动激光三维扫描仪对待对接法兰零件进行扫描，得到法兰零件的点云图像。


3.如权利要求2所述的法兰零件智能对接方法，其特征在于，激光三维扫描仪的扫描路径根据如下步骤确定：
(1)建立扫描路径规划目标函数PI(dj,βj)：



其中，表示路径点pk(dkj,βkj)与路径点pk+1(d(k+1)j,β(k+1)j)连线的长度，n为扫描路径上点的总个数；
(2)确定约束条件：






其中，i＝1,2；dj(djx,djy,djz)为机械臂末端位置，βj(βjx,βjy,βjz)为机械臂末端姿态，Dmax、Dmin分别为激光三维扫描仪最远有效扫描范围和最近有效扫描范围，t为法兰零件厚度，R、r分别为法兰零件的直径和轴径，sl为激光三维扫描仪最远有效扫描范围下的成像边长；
(3)根据约束条件，对扫描路径规划目标函数进行求解，得到激光三维扫描仪的扫描路径。


4.如权利要求1所述的法兰零件智能对接方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据曲率一致性从点云图像中分离出两个法兰端面，再根据与法兰端面的空间距离关系分离出两个法兰圆柱面。

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【专利技术属性】
技术研发人员：李维嘉，雷盼，李天匀，刘法佑，孙在军，刘成权，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42