基于工业机器人系统的产品三维扫描检测分析*

郑进辉，余小圃，罗有旺

（佛山市佛威精密机器有限公司，广东佛山 528000）

0 引言

产品在生产的过程中，需要经过检测合格后才能出厂，而有些产品如发动机的零件在加工前也需要检测合格后才能进入加工工序，这种有三维精度要求的产品检测，也叫做全尺寸检测[1-2]，它区别于传统的检具检测[3]（只能对安装位、一部分的外观型面）、三坐标检测[4]（零件上多个三维点位的检测）、视觉检测[5]（采用摄像头拍张照，识别特征的检测方式）等方式，这些传统的方式只能检测产品的局部特征，无法对产品的所有特征进行检测，从而导致产品的一致性无法完全保证；并且检测的方式存在一定的不足，除了视觉检测方式外，其他几种方式需要大量的人力，而夹具检测的方式是每个产品需要一个甚至多个夹具协同才行，无法适用于跨产品使用，存在一定的资源浪费；而采用三维扫描仪进行产品检测，不仅可以检测出产品的所有特征和外观，而且适用很多产品的检测，基本上能满足市面上的所有检测需求。三维扫描检测方式是一种新型的检测手段，可以提高产品的检测精度和效率。

在工业机器人[6-7]的基础上，可以令两者进行协同工作，实现智能化的产品检测方式。两者的协同方式简单来说就是把三维扫描系统看作是工业机器人的末端执行器，两者之间的运动方式相互独立且不能同步进行，当工业机器人进行运动轨迹动作时，三维扫描仪系统是不进行动作的。由于扫描仪进行扫描时需要1～5 s，期间工业机器人也是需要保持相对静止，这种方式适用于固定式三维扫描仪。当三维扫描仪系统是手持式三维扫描仪时，工业机器人和手持式扫描仪可以同步进行工作。工业机器人和三维扫描仪协同工作，一方面可以使产品检测的方式转型为自动化检测流水线，可以应对大规模的对精度要求较高的产品，以保证相关产品的一致性；另一方面可以将单一的工业机器人和三维扫描仪协同系统快速地转移到不同的检测产品线上，只需要重新编辑运动方式即可。在此基础上，还可以运用其协同系统[8]，进行人工交互工作的模拟跟踪以及其他场合的使用（大小相近的产品进行批量的三维扫描）。

综上所述，本文研究的基于工业机器人系统的产品三维扫描检测，希望可以有效解决大批量产品的高精度质量检测，大幅度提高检测效率效率和减少检测成本，为产品的高品质生产提供有力保障。同时该系统拥有可扩展功能，解决此类问题有利于促进制造业检测生产线的转型升级优化，使产品检测的方式逐步向自动化检测方式过渡。

1 工业机器人及三维扫描仪选型

1.1 工业机器人的选型

以优傲机器人UR16e为例，如图1所示，其有效载重约16 kg，可以普遍适用于各种类型的工作中，为生产线的运作提供有力支持。作为协同合作机器人领域中的一员，UR16e机器人可快速地集成到现有的流水线中去。UR16e机器人可以进行中等物料搬运和机床协助，精准处理多零件的搬运，其16 kg的有效载重，有利于降低中等零件搬运的相关损耗、损伤和待机时间。UR16e机器人虽外形简洁，功能却很强大，具备了900 mm的工作半径，是小面积操作空间生产线很好的选择，在生产线中布置多个机器人，可同时开展多项任务，大大提升了生产的效率。此外，能够轻松地将其从一条生产线转移至另外的一条生产线中去。其机器人系统相关参数如表1所示。

表1 UR16e相关参数

图1 UR16e外观

1.2 UR16e的编程方式

优傲机器人的操作相对其他工业机器人来说比较简单，它拥有了更加简洁的编程。其最显著的优点之一是普通工程师可以快速的地学会如何去编程UR16e机器人，并且在合适的时间和地点实现自动化。UR16e机器人可模仿人类手臂的活动方式，这是比较人性化的，将机器人用于不同生产线时，只要把机器人挪到到流水线的位置就可以重新编程。假设要机器人反复工作，只需把程序的内容在UR16e机器人中一键设计成循环使用即可，跟使用现在的智能手机一样简单，不需要非常丰富的机器人专业知识就可以使用UR16e机器人。UR16e机器人还可以进行离线独立操作，使用示教器（图2）就可以离线编程，包含了基座、肩部、肘部、手腕1、手腕2、手腕3六个电机的独立驱动，实现不同方向的控制。UR16e机器人还可以在Polyscope软件（图3）里面进行编译，可以进行三维运动的虚拟仿真，只需要给机器人一些工作时的空间点位以及相关避障位置即可，软件会自动算出最佳的运动轨迹，无需人员的干涉。

图2 示教器

图3 Polyscope软件

1.3 三维扫描仪选型

以天远三维OKIO 5M固定式扫描仪为例，其外观如图4所示，OKIO 5M工业级适用于大多数领域中，其相关参数如表2所示。OKIO 5M的镜头组（400/200/100/定制）可以根据产品的大小进行选配，同时也可以根据产品的细节特征要求进行选配安装，操作比较简洁，使用方式跟大多数三维扫描仪一样，可以采用标定点或者产品细节特征进行多幅面扫描数据的三维定位；三维定位精度的控制也是比较稳定和自动化。

表2 OKIO 5M相关参数

图4 OKIO 5M外观

2 UR16e机器人与OKIO 5M协同方式

2.1 机器人与扫描仪安装平台

以优傲机器人的UR16e机器人和天远三维科技的OKIO 5M三维扫描仪为例，得益于其强大的系统算法和硬件设施，这两种设备的运作都是非常稳定的。两者的协同工作方式可以称作“RobotScan机器人智能三维检测系统”，是工业机器检测系统中的一员，大多数的三维扫描仪系统都是可以嫁接到工业机器人系统中进行协同工作的。RobotScan机器人智能三维检测系统的交互工作台外观如图5所示，两者的安装比较便捷，开发了一个E0505工作台，将电脑主机、机器人控制系统、扫描仪控制系统放置于工作台内部，将电脑显示器加装机械臂外置出来，机器人底座固定在工作台上平面上，三维扫描加装在机器人手部位置即可，同时工作台加装一个转轴的工作圆盘，供扫描的产品放置以实现360°的旋转功能；而工作台底部加装了轮子，便可实现随时拖动到不同的工作环境中去。

图5 RobotScan机器人智能三维检测系统

2.2 机器人与扫描仪交互方式

在E0505工作台上，将相关得硬件放到相应得位置，UR16e机器人得末端执行器采用一个转接结构件，一面与末端执行器相固定，另一面与OKIO 5M系统底部得地盘相固定，显示器以及转盘相应放置。调试成功后进行相关产品的扫描轨迹对机器人进行示教或者编程；在RobotScan机器人的智能三维扫描检测系统里，可以实现单一产品的批量化扫描实现全自动化的三维扫描流水线；在机器人运动轨迹编辑时，一方面要注意在示教过程中，需保证其运动工作中，扫描仪的主线缆不能因运动而造成缠绕或者反复接触机器人，因为这样会影响到主线缆的使用期限；机器人运动时扫描仪也随之运动，要保证扫描仪不能与工作台、机器人以及显示屏或工件产生碰撞的情况。另一方面是由于扫描仪扫描时，相机与产品间存在一定的焦距问题，必须保证每次扫描时，扫描仪相对于产品间保持在合适的范围内，才能保证每次的扫描数据有效。根据扫描仪扫描时的单幅面耗时（小于1.5 s）计算机器人的运动后停止的时间差，不断测试后得到一个较为完整的运动轨迹和扫描时长，从而以此数据来计算RobotScan机器人系统智能三维扫描检测系统的工作效率。除了采用示教器操作的方式外，还可以在Polyscope软件进行运动轨迹的编辑，从而实现三维模拟扫描的情况，来比对与示教器编辑运动轨迹的差距；提高运动轨迹编辑的效率，还能提前预知扫描过程中存在的机器干涉情况，从而构成一个完整的工业机器人三维扫描检测系统——Robot Scan机器人系统智能三维扫描检测系统。

3 应用领域分析

3.1 多三维扫描仪系统的协同工作

在自动化机器人领域[9-10]中，集成化的三维扫描应用在今后的产品质量检测中发挥不可代替的作用。大到汽车制造领域的主体框架检测以及自动化流水线的分类挑选，小到一个零件的识别分类等。三维扫描仪系统凭借自身的高效率以及高品质的数据获取能力，在加工制造、工艺品设计领域都有普遍的使用，而两者相互协助是机器视觉范围一直在测试并突破的一项很切实的目标，将三维扫描仪系统与机器人自动化系统相互协同，实现了产品三维数据的自动化采集和笛卡尔坐标系上任意三维点位的识别和计算。协同式的三维扫描仪系统支持与机器人系统进行多种协同合作方式，并依据相关协议进行开发定制。具有了设备的轻量化，同时根据机器人系统的负载情况、对三维扫描仪系统进行协同合作开发，使三维扫描仪系统实现全自动扫描方式；一键自动生成机器人系统程序等特点，普遍应用于工业化流水线的三维扫描检测中。如多台机器人三维扫描的交互协作（图6），主要的应用领域有汽车主体车框架的检测，一方面能够严格检验出主体车框架的生产误差，可以进行全尺寸的三维检测，提高质量检测的高效性；另一方面由于抽检数量众多，不适于人工的重复检测，并且检测环节枯燥乏味且技术含量不高的情况下，现大多数企业会选择采用机器定岗工作的方式，可大大降低人工成本，并且提高对人工成本的利用率；多台机器人三维扫描车体的方式正稳定发展中。

图6 多三维扫描仪系统的协同工作

3.2 批量化质量检测

产品的质量控制与零件的生产环节紧紧的联系在一起，高效的检测才能保证缩短客户产品的质量检测环节。对于批量化产品的质量检测中，大多数公司都希望能高效率去实现产品的质量检测环节，并且能实现三维数据自动化的检测流程[11]。而天远三维的E0505机器人自动化系统的三维扫描仪系统，可快速地帮助生产企业将三维扫描和机器人自动化系统的强大优势，快捷地使用在质检生产线中，使其质量检测的方式变得简单和高效。Robot Scan机器人智能三维检测系统能够快速过渡到工厂自动化流水线中，具备了以下特点：批量生产线上检测，每天可检测数百零部件、可对0.5～3 m的零部件进行线上检测，在扫描仪对产品扫描完成后，将其三维扫描数据导入至Geomagic Control X里面去，可以对产品进行一个全尺寸检测的方式，其中包括三维点偏差（类似三坐标的检测方式）、相关面的平行度、圆柱度、垂直度、截面曲线偏差等尺寸的检测，如图7所示。

图7 批量化质量检测

3.3 模拟计量室

产品三维扫描数据采集中，全部零件的中心控制站和三维扫描排布软件。在软件仿真中可以模拟出实际扫描环境的全部功能。如图8所示，在模拟的计量室内开展相关实操之前，可以对全部机器人运作进行模拟和检测，以保证实际工作的安全性[12]。在开展实际产品生产线中，都会运用模拟计量室进行全方位的三维模拟仿真，可以提前了解生产时设备的工作状态，并且具备了以下特点。

图8 模拟计量室

（1）加强了流水线性能。采用高效的3D扫描仪，能够获取到明亮的表面以及反光强且变化快的产品物体表面的三维数据。

（2）自动校准。校准过程即时、可靠；光学的反射元件可以对相关部件进行校准和自动化的检测；模拟的计量实验室可以将多个C-TRACK部件进行全部联网（C-LINK™的功能）后，便可创建一个模拟的计量实验室，来达到一个全方面覆盖测量区的目标。

（3）动态的实时参考。结合C-TRACK™的动态参照模拟的方式，可以将笛卡尔坐标系准确地“瞄准”在待测零件上，从而使整个产品扫描过程中都维持零件的校准状态。

（4）高精度的三维测量。在实际的生产车间中各种因素（不稳定、有振幅、温度变化等）下，设备需要保持高达0.064 mm的扫描三维精度，而该精度则取决于光学元件CMM扫描仪，跟机器人系统没有关系。

（5）光学和跟踪器。配备了高质量的光学设备和特殊照明元件，可以不间断地跟踪光学元件反射靶，达到实时的可靠检测和跟踪零部件。

4 结束语

本文研究结果表明，基于工业机器人系统的三维扫描检测，一方面可以有效解决制造业中大批量产品的高精度检测，同时降低人工等相关资源的投入，提高检测的效率；另一方面，有相关机器人三维扫描检测系统的进入检测环节，可以促进制造业的检测手段进行升级改造，步入智能化检测时代。通过本次研究分析，可以发现使用机械化的手段，能够将相关设备的使用效率最大化，同时又可以解决传统检测手段中的很多不足之处。相对于高精度产品来说，用专业的检测软件通过色谱图等比对方式对产品进行3D的比较、2D的分析和表面的公差图来快速地识别产品是否符合出厂的要求，大大提高了产品的质量检测的速度；用三维扫描的方式来对产品进行三维检测的优势在于质量检测的效率非常高，可以进行一批次多个产品零件的检测，从而达到批量化检测的目标；且可以进行产品的三维数据全尺寸检测；同时还能输出PDF的检测报告，清晰地表示出扫描数据和理论数据的偏差；而其检测的专业性要求也大大降低，对检测人员的专业技能要求也相对降低，且操作也简单。三维扫描仪搭载机器人后，便可以实现批量化的三维扫描并可以实现相关零件的全尺寸检测。随着科技的发展，智能化检测方式会慢慢成为一种新的检测模式。