隔震支座骨架板平面度检测及误差补偿.pdf

仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2024 年第 3 期基金 项 目:天 津 市 研 究 生 科 研 创 新 项 目(2022SKYZ299,2022SKYZ007);天津 市 高 等 学 校 科 技 发 展 基 金 重 点 项 目(2022ZD034,2022ZD026);天 津 市 津 南 区 揭 榜 挂 帅 项 目(2022JB03);全国职教创新团队建设体系化课题研究项目(TX20200104)收稿日期:2023-08-24隔震支座骨架板平面度检测及误差补偿孙宏昌1,2,乔英伟1,2,蒋永翔1,2,夏红超1,2,井平安3,邓三鹏1,21.天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究院;2.天津市智能机器人技术及应用企业重点实验室;3.清华大学基础工业训练中心 摘要:针对机械加工行业隔震支座骨架板平面度检测损伤表面并且不能多个连续检测的问题,提出一种基于激光传感器和振动误差补偿的非接触平面度检测系统。首先利用激光传感器对骨架板表面进行扫描,并通过滤波和精简算法来优化骨架板点云;然后将运动平台的偏移量写入每个点云坐标,形成精确的骨架板点云数据;最后将传统最小二乘法升维,计算各测量点到拟合平面的偏距值得到平面度。实验结果表明:系统能够有效检测骨架板的平面度,解决了传统检测效率低并且含振动误差的问题,能够更好地适应自动化检测环境。关键词:平面度检测;激光传感器;点云;振动补偿;最小二乘法中图分类号:TP274 文献标识码:AFlatness Inspection and Error Compensation for Isolating Support Frame PlateSUN Hongchang1,2,QIAO Yingwei1,2,JIANG Yongxiang1,2,XIA Hongchao1,2,JING Pingan3,DENG Sanpeng1,21.Institute of Robotics and Intelligent Equipment,Tianjin University of Technology and Education;2.Tianjin Key Laboratory of Intelligent Robot Technology and Application;3.Fundamental Industry Training Center,Tsinghua UniversityAbstract:In response to the challenges of surface damage and the inability to perform multiple continuous detections in the flat-ness detection of isolation bearing skeleton plates within the mechanical processing industry,a non-contact flatness inspection system based on laser sensors and vibration error compensation was proposed.Firstly,the skeleton plates surface was scanned using a laser sensor,and optimization of the skeleton plates point cloud was achieved through filtering and simplification algorithm.Next,the offset of the motion platform was incorporated into each point cloud coordinate,resulting in accurate skeleton plate point cloud data.Lastly,the traditional least square method was used to increase the dimension,and the flatness was calculated by calculating the offset distance from each measurement point to the fitting plane.The experimental results show that the system can effectively detect the flatness of the skeleton plate,solve the problem of low traditional detection efficiency and vibration error,and can better adapt to the automatic detec-tion environment.Keywords:flatness detection;laser sensor;point cloud;vibration compensation;least square method0 引言隔震支座作为结构的隔震层,具有阻尼消能和一定的自动复位能力,保护了建筑结构免受地震的破坏1。目前,常用的隔震支座主要由橡胶与骨架板交替叠合而成,可以承载较大竖向力,同时又具有良好的变形能力2。但骨架板的平面度会影响与橡胶之间贴合效果,导致支座呈倾斜状态,从而引发受力和变形不均匀、承载能力低等问题。所以在隔震支座安装过程中,为确保安装精度满足要求,需要多次检测部件的平面度和整体的水平度3。隔震支座性能的优劣极大程度地影响着隔震体系的安全和可靠水平4。自动化骨架板生产线的平面度检测一直是行业难点,由于骨架板在运动中会产生振动,人工采用标准检测工装或游标卡尺等物理接触方法进行检测变得低效。近年来,制造零件的测量和检测主要由三坐标测量机完成5,W.S.Kim6使用坐标测量机对物体表面进行数据收集和拟合,开发了关于抽样策略和样本量的优先级方法进行准确采集。但是接触式的探针容易损害待测表面,具有探头磨损、效率低的缺点7。刘希军等8提出了基于电涡流位移传感器布点平面度检测系统,但存在运动状态的被测物体布点困难问题。随着国内视觉技术的不断发展,非接触式69 第 3 期孙宏昌等:隔震支座骨架板平面度检测及误差补偿 的光电测量方法已经开始应用于工业生产中。谢文成等9提出基于机器视觉和激光测量的自动化平面度检测系统,提出了利用单应矩阵和边缘优化的测量方法,有效地获得了平面度。谭文等10研制了基于机器视觉的 3D 激光测量系统,结合改进的 Sobel 算子边缘特征提取与图像预处理等方法,实现精度为 0.1 m的高精度测量。但这些研究并没有解决被测物体运动过程中振动影响采集图像准确性的问题。为此,许多学者在不同领域提出了误差补偿办法。M.Alonso11提出由 2 个线激光器和 1 个传统的 2D 相机组成的扁平金属板实时表面平面度估计系统,并引入了去除板材运动引起的振动噪声滤波方法,实现了至少 41%的表面重建 精 度 的 改 善,平 面 度 平 均 误 差 为 0.25 mm。L.Han12 针对环境振动导致的测量误差问题,提出了多频移相式三维传感器振动检测和运动补偿,采用基于单应性矩阵的振动误差补偿方法来校正封装相位图之间的像素对应性,实验结果为 3D 重建物体尺寸平均偏差为 0.109 mm。卞绍顺等13提出基于加速度传感器的振动点云补偿方法,在相机中引入加速度传感获取 3 个方向的位移量,通过旋转变换校正点云坐标。经补偿后,点云尺寸测量误差由0.9 mm 降低至0.1 mm。D.Ding14运用激光测量复杂的轮廓,引入角度补偿和位移补偿提高倾斜轮廓精度,补偿后测量精度提高到-7.4+6.7 m,应用校正公式提高曲线轮廓精度,精补偿后比原始轮廓减小了 91.9%。本文提出了一种基于激光传感器和振动误差补偿的非接触平面度检测系统。首先,对骨架板表面进行点云数据采集,引入滤波算法和精简算法优化点云,完成振动补偿前的处理;其次,引入振动补偿算法,有效降低了振动对采集的点云的影响;最后,对传统最小二乘法进行改进,引入 Z 轴坐标,进一步计算出骨架板的平面度。实验结果表明:提出的检测系统误差小于 0.20 mm,具有结构简单、测量精度高、测量效率高、自动化能力强等优点。1 检测系统方案与原理1.1 方案设计面向连续生产环境下的隔震骨架板平面度在线检测算法流程如图 1 所示,所提出的检测方法主要分为 3 个阶段。具体算法过程如下:1)基于线激光传感器的骨架板表面点云数据获取:线激光扫描获取骨架板点云数据;利用滤波算法进行点云数据优化;2)基于电感位移传感器的骨架板三维点云数据补偿:读取骨架板点云数据,将点云分段;利用电感位移传感器获取振动偏移量;遍历每段点云,将振动偏移量写入对应点云数据,进行补偿;3)骨架板平面度的测量:将点云数据精简,拟合点云平面,遍历每个点寻找与拟合平面距离最大值的点,得到平面度值。图 1 隔震骨架板平面度在线检测算法流程1.2 检测系统原理本系统选用 LJ-X8900 系列激光传感器,Z 轴测量精度为 10 m。该传感器采用三角测距原理,将线型激光照射到被测物表面,反射光经过成像透镜组后被相机接收形成条纹图像,根据条纹图像在相机上的成像位置可计算被测物表面的三维坐标,其中 Y 轴坐标值为 0,因此,线激光扫描仪每测量一帧就得到一组在 XOZ 平面内沿 X 轴等距分布的线状二维数据点。该系统可划分为 3 个模块:数据采集模块由激光传感器及其控制器组成;运动控制模块由伺服电机和丝杠传动机构组成;数据处理模块由数据采集卡和上位机组成。通过这样的模块划分,该系统实现了从数据采集到运动控制再到数据处理的完整流程。每个模块的功能协同工作,为骨架板的平面度检测提供了可靠的支持,线激光平面度检测系统如图 2 所示。图 2 线激光平面度检测系统组成为了获得隔震支座骨架板表面完整的三维点云数据,将线激光扫描仪固定在定制的支架末端,由丝杠传动机构驱动运动平台以速度 v 沿 Y 轴负方向匀速扫描。设第 1 帧的三维点云坐标中 y=0,则扫描系统79 仪 表 技 术 与 传 感 器第 3 期空间分辨率 d,即相邻两帧的 Y 轴增量为 d=v/f,f 为采样频率,这样便可得到骨架板完整的三维点云,如图 3 所示。图 3 骨架板点云扫描线点在骨架板位置处被骨架板截断成 3 段,根据骨架板与平台的点云位置关系可分为骨架板点云和平台点云。因骨架板具有一定的厚度,存在边缘处会有部分点分布在骨架板外壁上的问题,需要对点云数据进行滤波优化。平台点云位于 Z 轴最下方,骨架板点云在平台点云上方沿 Z 轴正方向分布,故对点云进行 Z 轴直通滤波即可得到骨架板点云。Z 轴直通滤波原理如下:设点云中每个点为 Pi,Pi=(xi,yi,zi),设定 azib,遍历每个点,比较它们的 Z 轴坐标是否在设定的范围(a,b)内,符合则保留,否则被剔除。即得到的点云为Pi=(xi,yi,zi)azib利用此原理遍历整个点云数据得到骨架板表面点云,如图 4 所示。4 骨架板表面点云通过直通滤波的方式获得的骨架板点云存在部分外壁点,这将影响平面度的评定。本研究采用离群值滤波器对点云剔除外壁点,具体步骤为:1)遍历每个点 P,寻找其附近的 k 个点;2)计算点 P 到 k 个附近点的平均距离 和标准差:=1kki=1di(1)=1kki=1(di-)2(2)式中 di为点 P 到附近点的距离。3)计算距离阈值 D:D=+m(3)式中 m 为倍数。4)依次将每个点到附近点的距离 d 与距离阈值 D比较,超出阈值的点被标记为离群点,并剔除,得到如图 5 所示剔除噪点后的骨架板点云。图 5 离群值滤波点云2 云数据误差补偿本研究采用定制的运动平台,并在测量前对导轨进行水平校正,从而认为运动平台是绝对水平面。通过获取平台每时刻的振动偏移量,在上述已提取的骨架板表面点云数据坐标系中,将该偏移量写入点云坐标,从而对平台振动带来的点云偏差进行补偿,主要步骤为获取振动偏移量和点云补偿。2.1 获取振动偏移量在不同位置安装电感位移传感器,利用电感的变化映射平台每时刻的微小位移量,当平台运动时,传感器会记录 X、Y 和 Z 坐标方向生成的位移曲线。由于运动平台工作时会产生一定程度的倾斜,考虑其倾斜的角度非常小,可以忽略,所以该三坐标位移曲线即为此时点云数据的补偿量。运动平台振动测量系统如图 6 所示。在 A、B、C、D、E、F 点处安装电感位移传感器,A、B、C、D 处测量移动平台到平台基座上表面的距离,E、F 测移动平台到平台基座侧面的距离。令在初始位置时6 个电感位移传感器的位移数值分别为 ha、hb、hc、hd、he、hf,平台移动过程中某时刻的位移数值为 hA、hB、hC、hD、hE、hF。图 6 运动平台振动测量系统偏差的分析过程如下:1)A 点和 B 点传感器数据,体现的是平台绕 X 轴的旋转,导致 Z 轴的偏移:z=hA-ha+hB-hb2(4)2)C 点和 D 点传感器数据,体现的是平台绕 Y 轴的旋转,导致 Z 轴的偏移:89 第 3 期孙宏昌等:隔震支座骨架板平面度检测及误差补偿 z=min(hC,hD)+(hC-hc)-(hD-hd)L(5)式中 L 为点 C 和点 D 两点的距离。3)E 点和 F 点两传感器数据,体现的是平台绕 Z轴的旋转,导致 X 轴的偏移:x=hE-he+hF-hf2(6)2.2 点云补偿在振动偏移量获取完成后对点云进行几何误差补偿,遍历所有点云数据,按 Y 坐标以分辨率 d 分段,该段测点坐标为pi=pi+pi(7)式中:pi为变换后的点,pi=(xi,yi,zi);pi为原始的点,pi=(xi,yi,zi);pi为测得的偏移量,pi=(xi,0,zi+zi)。点云数据继续沿 Y 向步进分辨率值,利用式(7)调整该段所有点云坐标值,直到遍历所有点云数据结束。图 7 为点云补偿前后对比图,点云受到 Z 轴方向和 X 轴方向的补偿,所有点云补偿后将使骨架板点云更加平稳。图 7 点云补偿前后对比3 平面度评定3.1 骨架板点云精简骨架板表面点云获取后,容易求取该表面的平面度结果。但考虑线激光获取大量采样点,导致点云数据庞大,而平面度是通过测量点云中所有点到参考平面的距离来计算,是一个大范围的特性,所以本研究在平面度评定前对点云数据进行精简。设原始点云为 P=p1,p2,pn,其中每个点 pi=(xi,yi,zi),精简后新的点云为 P=p1,p2,pm。主要算法步骤为:1)初始化一个空的体素网格,设置网格大小为 r;2)计算原始点云中每个点 pi在体素网格中的位置(i,j,k),并添加到该体素中,其中 i=xir,j=yir,k=zir;3)计算每个非空体素中所有点的平均位置,得到新点 pi=1Np(i,j,k)p;4)最终得到新的点云 pi,如图 8 所示,精简前点云数量为 4 143 131,精简后点云数量为 147 571。(a)精简前(b)精简后图 8 骨架板点云精简3.2 三维最小二乘法测量点云数据经过提取骨架板表面区域,并进行振动误差补偿和点云精简后,此时进行平面度的评定既准确又高效。本研究基于最小二乘法进行拟合平面度评定,最小二乘法是在二维空间中,利用已有点(xi,yi)找到一个拟合直线 y=ax+b,使得所有点到这个直线的距离平方和最小,然后计算所有点到这条拟合直线的距离,求取最大值即为平面度。但考虑本研究所获取点云为三维空间点云,需要在此基础上加入 z 向进行升维。主要原理如下。如图9 所示,设三维最小二乘拟合平面 F3D(评定参考平面)的单位法向量为(A、B、C),则平面 F3D的方程为Ax+By+Cz+D=0(8)则有 z=-ACx-BCy-DC,a=-AC,b=-BC,c=-DC,即 z=ax+by+c。图 9 三维点云平面度评定示意图找所有点 pi(xi,yi,zi)到这个平面距离的平方和最小:99 仪 表 技 术 与 传 感 器第 3 期min d=mi=1(axi+byi+c-z)2(9)为求得最小 d,应满足da=db=dc=0,则有2(axi+byi+c-z)xi=02(axi+byi+c-z)yi=02(axi+byi+c-z)=0(10)则x2ixiyixixiyiy2iyixiyimabc=xiziyizizi(11)求得 a,b,c 即完成平面的拟合,此时可以计算每个点到这个平面距离,平面度取所有点到这个平面距离的最大值 fmax=Ax+By+Cz+DA2+B2+C2。经上述分析,利用 visual studio2022 软件编译三维最小二乘法,并随机选取30 块骨架板对其进行平面点的数据采集,骨架板点云振动补偿前后平面度测量结果如图 10 所示。图 10 补偿前后平面度值为验证该方案提出的骨架板平面度测量系统的准确性,引入 BDC1086RD 型三坐标测量仪进行平面度测量,它的分辨能力为 0.001 mm,测量精度为0.0020.005 mm,测量环境与步骤严格按照标准执行。利用上述2 种方法测得的平面度结果及误差如图11 所示。图 11 骨架板系统检测与三坐标测量平面度结果3.3 结果分析对照实验结果表明,震动误差补偿后的点云数据相较三坐标测量仪评定结果总体一致,误差均小于0.20 mm。主要原因是本研究通过获取每帧运动平台的偏移量,将该误差值补偿至已获取的点云数据坐标上,精简后对骨架板表面全部三维点云进行最小二乘估计,因此结果较为接近。采用三坐标测量仪评定结果较小的原因是参与评定的点数较少,难以完全反应实际的平面误差。因此,本文所提出的隔震骨架板平面度测量系统更适合于现场在线大批量测量场合。4 结论本文提出了一种基于点云处理的非接触测量系统。为验证该方法的有效性,利用精密仪器三坐标测量仪对隔震支座骨架板表面进行坐标测量,得到骨架板的平面度。采用测点坐标的误差补偿方法,通过测量平台运动过程中每时刻的偏移量,在已获点云数据上进行坐标变换,实现了对运动平台振动引起的系统误差自动补偿。通过改良最小二乘法对三维点云数据进行拟合理想平面,计算每个测量点到理想平面的偏距值,可以得到待测表面的平面度。测量试验结果表明:该方法具有测量精度高(测量误差小于 0.20 mm)、自动控制(平面度质量自动评价)的特点。与现有的研究方法相比,该系统操作简单方便,适合工业生产线作业。参考文献:1 广州大学工程抗震研究中心.橡胶支座 第 3 部分:建筑隔震橡胶支座:GB/T 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