基于工業機器人系統的產品三維掃描檢測分析*

鄭進輝，余小圃，羅有旺

（佛山市佛威精密機器有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

產品在生產的過程中，需要經過檢測合格后才能出廠，而有些產品如發動機的零件在加工前也需要檢測合格后才能進入加工工序，這種有三維精度要求的產品檢測，也叫做全尺寸檢測[1-2]，它區別于傳統的檢具檢測[3]（只能對安裝位、一部分的外觀型面）、三坐標檢測[4]（零件上多個三維點位的檢測）、視覺檢測[5]（采用攝像頭拍張照，識別特征的檢測方式）等方式，這些傳統的方式只能檢測產品的局部特征，無法對產品的所有特征進行檢測，從而導致產品的一致性無法完全保證；并且檢測的方式存在一定的不足，除了視覺檢測方式外，其他幾種方式需要大量的人力，而夾具檢測的方式是每個產品需要一個甚至多個夾具協同才行，無法適用于跨產品使用，存在一定的資源浪費；而采用三維掃描儀進行產品檢測，不僅可以檢測出產品的所有特征和外觀，而且適用很多產品的檢測，基本上能滿足市面上的所有檢測需求。三維掃描檢測方式是一種新型的檢測手段，可以提高產品的檢測精度和效率。

在工業機器人[6-7]的基礎上，可以令兩者進行協同工作，實現智能化的產品檢測方式。兩者的協同方式簡單來說就是把三維掃描系統看作是工業機器人的末端執行器，兩者之間的運動方式相互獨立且不能同步進行，當工業機器人進行運動軌跡動作時，三維掃描儀系統是不進行動作的。由于掃描儀進行掃描時需要1～5 s，期間工業機器人也是需要保持相對靜止，這種方式適用于固定式三維掃描儀。當三維掃描儀系統是手持式三維掃描儀時，工業機器人和手持式掃描儀可以同步進行工作。工業機器人和三維掃描儀協同工作，一方面可以使產品檢測的方式轉型為自動化檢測流水線，可以應對大規模的對精度要求較高的產品，以保證相關產品的一致性；另一方面可以將單一的工業機器人和三維掃描儀協同系統快速地轉移到不同的檢測產品線上，只需要重新編輯運動方式即可。在此基礎上，還可以運用其協同系統[8]，進行人工交互工作的模擬跟蹤以及其他場合的使用（大小相近的產品進行批量的三維掃描）。

綜上所述，本文研究的基于工業機器人系統的產品三維掃描檢測，希望可以有效解決大批量產品的高精度質量檢測，大幅度提高檢測效率效率和減少檢測成本，為產品的高品質生產提供有力保障。同時該系統擁有可擴展功能，解決此類問題有利于促進制造業檢測生產線的轉型升級優化，使產品檢測的方式逐步向自動化檢測方式過渡。

1 工業機器人及三維掃描儀選型

1.1 工業機器人的選型

以優傲機器人UR16e為例，如圖1所示，其有效載重約16 kg，可以普遍適用于各種類型的工作中，為生產線的運作提供有力支持。作為協同合作機器人領域中的一員，UR16e機器人可快速地集成到現有的流水線中去。UR16e機器人可以進行中等物料搬運和機床協助，精準處理多零件的搬運，其16 kg的有效載重，有利于降低中等零件搬運的相關損耗、損傷和待機時間。UR16e機器人雖外形簡潔，功能卻很強大，具備了900 mm的工作半徑，是小面積操作空間生產線很好的選擇，在生產線中布置多個機器人，可同時開展多項任務，大大提升了生產的效率。此外，能夠輕松地將其從一條生產線轉移至另外的一條生產線中去。其機器人系統相關參數如表1所示。

表1 UR16e相關參數

圖1 UR16e外觀

1.2 UR16e的編程方式

優傲機器人的操作相對其他工業機器人來說比較簡單，它擁有了更加簡潔的編程。其最顯著的優點之一是普通工程師可以快速的地學會如何去編程UR16e機器人，并且在合適的時間和地點實現自動化。UR16e機器人可模仿人類手臂的活動方式，這是比較人性化的，將機器人用于不同生產線時，只要把機器人挪到到流水線的位置就可以重新編程。假設要機器人反復工作，只需把程序的內容在UR16e機器人中一鍵設計成循環使用即可，跟使用現在的智能手機一樣簡單，不需要非常豐富的機器人專業知識就可以使用UR16e機器人。UR16e機器人還可以進行離線獨立操作，使用示教器（圖2）就可以離線編程，包含了基座、肩部、肘部、手腕1、手腕2、手腕3六個電機的獨立驅動，實現不同方向的控制。UR16e機器人還可以在Polyscope軟件（圖3）里面進行編譯，可以進行三維運動的虛擬仿真，只需要給機器人一些工作時的空間點位以及相關避障位置即可，軟件會自動算出最佳的運動軌跡，無需人員的干涉。

圖2 示教器

圖3 Polyscope軟件

1.3 三維掃描儀選型

以天遠三維OKIO 5M固定式掃描儀為例，其外觀如圖4所示，OKIO 5M工業級適用于大多數領域中，其相關參數如表2所示。OKIO 5M的鏡頭組（400/200/100/定制）可以根據產品的大小進行選配，同時也可以根據產品的細節特征要求進行選配安裝，操作比較簡潔，使用方式跟大多數三維掃描儀一樣，可以采用標定點或者產品細節特征進行多幅面掃描數據的三維定位；三維定位精度的控制也是比較穩定和自動化。

表2 OKIO 5M相關參數

圖4 OKIO 5M外觀

2 UR16e機器人與OKIO 5M協同方式

2.1 機器人與掃描儀安裝平臺

以優傲機器人的UR16e機器人和天遠三維科技的OKIO 5M三維掃描儀為例，得益于其強大的系統算法和硬件設施，這兩種設備的運作都是非常穩定的。兩者的協同工作方式可以稱作“RobotScan機器人智能三維檢測系統”，是工業機器檢測系統中的一員，大多數的三維掃描儀系統都是可以嫁接到工業機器人系統中進行協同工作的。RobotScan機器人智能三維檢測系統的交互工作臺外觀如圖5所示，兩者的安裝比較便捷，開發了一個E0505工作臺，將電腦主機、機器人控制系統、掃描儀控制系統放置于工作臺內部，將電腦顯示器加裝機械臂外置出來，機器人底座固定在工作臺上平面上，三維掃描加裝在機器人手部位置即可，同時工作臺加裝一個轉軸的工作圓盤，供掃描的產品放置以實現360°的旋轉功能；而工作臺底部加裝了輪子，便可實現隨時拖動到不同的工作環境中去。

圖5 RobotScan機器人智能三維檢測系統

2.2 機器人與掃描儀交互方式

在E0505工作臺上，將相關得硬件放到相應得位置，UR16e機器人得末端執行器采用一個轉接結構件，一面與末端執行器相固定，另一面與OKIO 5M系統底部得地盤相固定，顯示器以及轉盤相應放置。調試成功后進行相關產品的掃描軌跡對機器人進行示教或者編程；在RobotScan機器人的智能三維掃描檢測系統里，可以實現單一產品的批量化掃描實現全自動化的三維掃描流水線；在機器人運動軌跡編輯時，一方面要注意在示教過程中，需保證其運動工作中，掃描儀的主線纜不能因運動而造成纏繞或者反復接觸機器人，因為這樣會影響到主線纜的使用期限；機器人運動時掃描儀也隨之運動，要保證掃描儀不能與工作臺、機器人以及顯示屏或工件產生碰撞的情況。另一方面是由于掃描儀掃描時，相機與產品間存在一定的焦距問題，必須保證每次掃描時，掃描儀相對于產品間保持在合適的范圍內，才能保證每次的掃描數據有效。根據掃描儀掃描時的單幅面耗時（小于1.5 s）計算機器人的運動后停止的時間差，不斷測試后得到一個較為完整的運動軌跡和掃描時長，從而以此數據來計算RobotScan機器人系統智能三維掃描檢測系統的工作效率。除了采用示教器操作的方式外，還可以在Polyscope軟件進行運動軌跡的編輯，從而實現三維模擬掃描的情況，來比對與示教器編輯運動軌跡的差距；提高運動軌跡編輯的效率，還能提前預知掃描過程中存在的機器干涉情況，從而構成一個完整的工業機器人三維掃描檢測系統——Robot Scan機器人系統智能三維掃描檢測系統。

3 應用領域分析

3.1 多三維掃描儀系統的協同工作

在自動化機器人領域[9-10]中，集成化的三維掃描應用在今后的產品質量檢測中發揮不可代替的作用。大到汽車制造領域的主體框架檢測以及自動化流水線的分類挑選，小到一個零件的識別分類等。三維掃描儀系統憑借自身的高效率以及高品質的數據獲取能力，在加工制造、工藝品設計領域都有普遍的使用，而兩者相互協助是機器視覺范圍一直在測試并突破的一項很切實的目標，將三維掃描儀系統與機器人自動化系統相互協同，實現了產品三維數據的自動化采集和笛卡爾坐標系上任意三維點位的識別和計算。協同式的三維掃描儀系統支持與機器人系統進行多種協同合作方式，并依據相關協議進行開發定制。具有了設備的輕量化，同時根據機器人系統的負載情況、對三維掃描儀系統進行協同合作開發，使三維掃描儀系統實現全自動掃描方式；一鍵自動生成機器人系統程序等特點，普遍應用于工業化流水線的三維掃描檢測中。如多臺機器人三維掃描的交互協作（圖6），主要的應用領域有汽車主體車框架的檢測，一方面能夠嚴格檢驗出主體車框架的生產誤差，可以進行全尺寸的三維檢測，提高質量檢測的高效性；另一方面由于抽檢數量眾多，不適于人工的重復檢測，并且檢測環節枯燥乏味且技術含量不高的情況下，現大多數企業會選擇采用機器定崗工作的方式，可大大降低人工成本，并且提高對人工成本的利用率；多臺機器人三維掃描車體的方式正穩定發展中。

圖6 多三維掃描儀系統的協同工作

3.2 批量化質量檢測

產品的質量控制與零件的生產環節緊緊的聯系在一起，高效的檢測才能保證縮短客戶產品的質量檢測環節。對于批量化產品的質量檢測中，大多數公司都希望能高效率去實現產品的質量檢測環節，并且能實現三維數據自動化的檢測流程[11]。而天遠三維的E0505機器人自動化系統的三維掃描儀系統，可快速地幫助生產企業將三維掃描和機器人自動化系統的強大優勢，快捷地使用在質檢生產線中，使其質量檢測的方式變得簡單和高效。Robot Scan機器人智能三維檢測系統能夠快速過渡到工廠自動化流水線中，具備了以下特點：批量生產線上檢測，每天可檢測數百零部件、可對0.5～3 m的零部件進行線上檢測，在掃描儀對產品掃描完成后，將其三維掃描數據導入至Geomagic Control X里面去，可以對產品進行一個全尺寸檢測的方式，其中包括三維點偏差（類似三坐標的檢測方式）、相關面的平行度、圓柱度、垂直度、截面曲線偏差等尺寸的檢測，如圖7所示。

圖7 批量化質量檢測

3.3 模擬計量室

產品三維掃描數據采集中，全部零件的中心控制站和三維掃描排布軟件。在軟件仿真中可以模擬出實際掃描環境的全部功能。如圖8所示，在模擬的計量室內開展相關實操之前，可以對全部機器人運作進行模擬和檢測，以保證實際工作的安全性[12]。在開展實際產品生產線中，都會運用模擬計量室進行全方位的三維模擬仿真，可以提前了解生產時設備的工作狀態，并且具備了以下特點。

圖8 模擬計量室

（1）加強了流水線性能。采用高效的3D掃描儀，能夠獲取到明亮的表面以及反光強且變化快的產品物體表面的三維數據。

（2）自動校準。校準過程即時、可靠；光學的反射元件可以對相關部件進行校準和自動化的檢測；模擬的計量實驗室可以將多個C-TRACK部件進行全部聯網（C-LINK?的功能）后，便可創建一個模擬的計量實驗室，來達到一個全方面覆蓋測量區的目標。

（3）動態的實時參考。結合C-TRACK?的動態參照模擬的方式，可以將笛卡爾坐標系準確地“瞄準”在待測零件上，從而使整個產品掃描過程中都維持零件的校準狀態。

（4）高精度的三維測量。在實際的生產車間中各種因素（不穩定、有振幅、溫度變化等）下，設備需要保持高達0.064 mm的掃描三維精度，而該精度則取決于光學元件CMM掃描儀，跟機器人系統沒有關系。

（5）光學和跟蹤器。配備了高質量的光學設備和特殊照明元件，可以不間斷地跟蹤光學元件反射靶，達到實時的可靠檢測和跟蹤零部件。

4 結束語

本文研究結果表明，基于工業機器人系統的三維掃描檢測，一方面可以有效解決制造業中大批量產品的高精度檢測，同時降低人工等相關資源的投入，提高檢測的效率；另一方面，有相關機器人三維掃描檢測系統的進入檢測環節，可以促進制造業的檢測手段進行升級改造，步入智能化檢測時代。通過本次研究分析，可以發現使用機械化的手段，能夠將相關設備的使用效率最大化，同時又可以解決傳統檢測手段中的很多不足之處。相對于高精度產品來說，用專業的檢測軟件通過色譜圖等比對方式對產品進行3D的比較、2D的分析和表面的公差圖來快速地識別產品是否符合出廠的要求，大大提高了產品的質量檢測的速度；用三維掃描的方式來對產品進行三維檢測的優勢在于質量檢測的效率非常高，可以進行一批次多個產品零件的檢測，從而達到批量化檢測的目標；且可以進行產品的三維數據全尺寸檢測；同時還能輸出PDF的檢測報告，清晰地表示出掃描數據和理論數據的偏差；而其檢測的專業性要求也大大降低，對檢測人員的專業技能要求也相對降低，且操作也簡單。三維掃描儀搭載機器人后，便可以實現批量化的三維掃描并可以實現相關零件的全尺寸檢測。隨著科技的發展，智能化檢測方式會慢慢成為一種新的檢測模式。