机器人自动测量系统集成设计综述
摘要：现如今面向制造现场的在线自动化测量是精密测量技术的一个重要方向，也是现代制造技术发展过程中不可或缺的重要组成部分。利用当前工业机器人的性能优势（稳定性、可操作性、定位精度等），将工业机器人技术引入到测量领域，与视觉测量、精密测量理论相结合，产生一种全新的在线自动测量方法，提高了测量的精度与速度，解决汽车工业等主流产业中急需解决的测量问题。本毕业设计将以典型的汽车钣金的机器人自动测量系统集成为内容，深入探讨系统的组成、方法和注意事项。
关键字：机器人 自动化测量 现在制造技术 汽车工业
1 选题的目的及意义
现代工业产品对位置精度和形状精度的要求愈来愈高。因此对测量的要求也相应提高。传统的工具测量已经很难满足要求。现代照相技术和扫描成像技术的发展，为解决这个问题提供了新的思路。最新的扫描器通过对待检产品进行多角度的扫描，然后通过自动或小量的人工干预，就可得到完整的立体图型。计算机硬软件的发展和扫描成像技术的进步，使得扫描成像精度大为提高，扫描得到的立体图型可直接与三维设计模型进行比较而得出产品的精度，它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。机器人自动测量技术是基于三维扫描，集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，它运用三维光学扫描仪，能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。而使用机器人配合自动转台进行测量，可以减少工作量，从而进一步提高效率。
在国内外的制造业中，机器人自动测量系统作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点而得到越来越多的应用：
- 适用于航天航空汽车外形制造。该领域产品外形曲面复杂，精度要求高，从设计到生产过程需对各方面进行严格的测试。
- 适用于受损零件损坏、局部外形修改。在此前提下无需对产品整体进行复制，只需借助测量数据提取原型的功能或设计理念，根据要求对产品进行改进。
- 适用于快速成型制造技术应用。自动测量与快速成型制造相结合，对被测物体外形特征进行精准测量，对产品进行结构红功能上的改进和优化设计，大大缩短产品的生产周期。
- 适用于数字模型的高精度测量。使用扫描设备对已加工生产出的产品进行外形扫描并重建数字模型，将重建后的模型与原始设计的CAD图进行对比，可以精确得出产品的外形误差，从而对产品质量进行评估。
- 适用于航天航空汽车外形制造。该领域产品外形曲面复杂，精度要求高，从设计到生产过程需对各方面进行严格的测试。
- 适用于受损零件损坏、局部外形修改。在此前提下无需对产品整体进行复制，只需借助测量数据提取原型的功能或设计理念，根据要求对产品进行改进。
- 适用于快速成型制造技术应用。自动测量与快速成型制造相结合，对被测物体外形特征进行精准测量，对产品进行结构红功能上的改进和优化设计，大大缩短产品的生产周期。
- 适用于数字模型的高精度测量。使用扫描设备对已加工生产出的产品进行外形扫描并重建数字模型，将重建后的模型与原始设计的CAD图进行对比，可以精确得出产品的外形误差，从而对产品质量进行评估。
- 适用于古代文物建筑的复制与保护。许多大型文化遗产的保护调查工作都采用了基于逆向工程的三维激光扫描作为核心的测量技术来获得周密精准的数据，从而完成对文物的复刻与保护。
- 适用于服装纺织业的量体裁衣。机器人自动测量精度高，检测速度快，被广泛应用于人体测量、量身定制、人台定制及服装表面合体性评价、虚拟服装设计及时装产品虚拟展示、服装三维设计等服装与纺织领域。
- 适用于医学整形修复等。该技术在医学方向的应用主要为外科手术规划、假体的仿真设计和修复制作、人体生物力学的分析与研究等，与人类自身的发展息息相关【16】。
本文将以机器人自动测量系统在汽车工业中的应用为研究对象。随着市场需求的变化，汽车的更新换代速度日趋加快，其设计制造速度的快慢直接制约着汽车工业的发展，因此运用机器人自动测量技术的逆向工程可以大大促进汽车制造业的发展【15】。现代的汽车生产厂家有许多的钣金和冲压拉深零部件，它们形状复杂，精度要求高。为了有效地进行质量控制，厂家都会对零部件进行抽样并详细的测量。集扫描、测量一体的光学测量仪就能大大地提高效率。因此对于机器人自动测量系统的研究和设计具有深远的意义与价值。
2 国内外同类研究现状
三维数字化测量技术是机器人自动测量系统最为关键的技术，它是指通过特定的形貌测量设将被测物体的表面三维轮廓以离散的空间点的形式表现出来的相关测量技术。通过已知点的坐标，得出物体形貌的空间几何位置。在此前提下可对面型进行拟合、建模、评估、制造等操作。目前这项技术分为接触式和非接触式两类，非接触式根据其测量机理分为声、光等多种测量技术，其中光学测量凭借其优越性已成为当今三维测量最广泛、最主要的应用方式【16】。这项技术在国外发展得比较早，现在已经非常成熟。 基于光学三维扫描仪的机器人自动测量系统目前在全球稳定发展。全球市场三维激光扫描仪年销售量在1万台以上，预计未来市场每年15%左右的增长。据预测，全球总体3D设备及图片和模型市场2013年达到10.90亿美元，2018年将达到77.35亿美元，年均复合增长率为47.99%。国际上目前主要的设备生产商有ATOS、Leica、Riegl、Trimble。其中，ATOS市场排名居前，很多公司都有代理ATOS的设备。德国GOM公司研究开发的ATOS流动式光学扫描仪式是目前技术最领先的三维扫描测量系统。该设备的原理利用光栅投射于被测工件上，基于光学三角型原理由摄像机光带影像，经数码影像处理器处理并计算出被测工件的点云坐标，具有快速、非接触、高分标率、与被测工件材料无关等优点【13】。
我国基于逆向工程的机器人自动测量设备的研发较国外起步略晚，市场目前规模还不大，主要销售的都是国外品牌，但许多高校和公司已经在此方面进行了大量研发并做出了卓越的贡献。上海数造、北京技睿新天、深圳华朗、绵阳铁牛等公司均有拥有自主知识产权的三维扫描测量设备，技术相对成熟，可以满足大多数内外不同行业领域人士对产品外形扫描的要求及相关逆向工程的处理。在国内一线的汽车制造厂中，如东风神龙、一汽大众等，已经拥有了自主研发的机器人自动测量设备，产品性能指标和稳定性满足欧洲相关工业标准，达到了同类产品国际先进水平，将积极促进国产汽车制造工艺的优化和产品改进升级，提升国内汽车工业的核心竞争力【17】。
机器人自动测量技术作为一项新理念的新型技术， 它的研究范围非常宽，并且是一个复杂繁琐的系统，在很多方面还需要进一步的研究和完善，比如对工程应用来说，测量精度是必须考虑的，测量所得的数据和被测量的真值之间，不可避免地存在差异，这在数值上即表现为测量误差。为了在实践中充分认识并进而减小或消除误差，必须对测量过程存在的误差进行研究。因此，为了使测量系统的测量结果最大限度地满足机械设计、制造、检验的需要，还须对测量误差进行分析，使测量系统更加完善【14】。随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，会有更多新的研究方向。
此外，当代国际互联网的普及和Web技术的迅速发展，传统的产品设计、制造和生产模式发生了时代性变革。Web技术在制造业的CAD／CAM／CAE、虚拟零件库、现代集成制造系统(CIMS)等领域的应用越来越广泛。由于Web技术的普及，制造业也发生了根本性变化，出现了协同设计制造、异地设计制造、全球制造等新概念和新技术。而这三大领域的信息驱动桥梁却是基于机器人自动测量系统的逆向工程技术。因此，机器人自动测量系统中引入Web技术，相互结合，将使系统更加完善，机器人自动测量技术的开发将是一个国内外极富发展前景的研究领域和应用方向。
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