三維自動(dòng)尋路技術(shù)在線(xiàn)夾鉆孔方法中的應(yīng)用

廣東電網(wǎng)能源發(fā)展有限公司 杜浩銳

本文闡述了一種基于三維自動(dòng)尋路技術(shù)的線(xiàn)夾鉆孔方法，包括：圖像獲取模塊、位置反演模塊、路徑規(guī)劃模塊三部分。通過(guò)圖像獲取模塊獲取待匹配線(xiàn)夾圖像，經(jīng)圖像識(shí)別后獲取“待匹配線(xiàn)夾”的孔位信息；位置反演模塊根據(jù)“待匹配線(xiàn)夾”的孔位信息反演計(jì)算出當(dāng)前“待加工線(xiàn)夾”的孔位信息；路徑規(guī)劃模塊根據(jù)待加工孔位信息在母排上規(guī)劃加工路徑，根據(jù)生成的加工路徑驅(qū)動(dòng)鉆頭運(yùn)動(dòng)，對(duì)“待加工線(xiàn)夾”進(jìn)行鉆孔操作。該自動(dòng)尋路鉆孔技術(shù)可以有效提升加工精度，提升資源利用率。

在新建變電工程施工過(guò)程中，往往涉及較多設(shè)備線(xiàn)夾需要在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行二次加工。變電設(shè)備線(xiàn)夾常用于將母線(xiàn)引下線(xiàn)與電氣設(shè)備（如變壓器、斷路器、隔離開(kāi)頭、穿墻套管等）的出線(xiàn)端子接續(xù)。設(shè)備線(xiàn)夾在加工前，通常需將連接出線(xiàn)端子側(cè)的“待匹配線(xiàn)夾”與“待加工線(xiàn)夾”母排進(jìn)行匹配對(duì)照，如圖1所示，由工人在線(xiàn)夾母排上做定位劃線(xiàn)。進(jìn)行鉆孔時(shí)由工人根據(jù)標(biāo)記進(jìn)行打錛子、鉆孔、去除披鋒等工序。傳統(tǒng)作業(yè)采用人工定位效率低，鉆孔作業(yè)時(shí)位置準(zhǔn)確率低，同時(shí)工藝質(zhì)量差，質(zhì)量不穩(wěn)定。

圖1 設(shè)備線(xiàn)夾匹配對(duì)照?qǐng)D

國(guó)內(nèi)用于電力金具加工的各類(lèi)鉆床硬件配置日益數(shù)字化、智能化，已經(jīng)具備了較為完備的工裝結(jié)構(gòu)以及數(shù)字伺服控制系統(tǒng)等。但能自動(dòng)模擬出與出線(xiàn)端子完全匹配的線(xiàn)夾并非易事，需要依靠機(jī)器視覺(jué)在線(xiàn)夾母排上自動(dòng)規(guī)劃出適宜的孔距和位置，并自動(dòng)執(zhí)行指令進(jìn)行鉆孔作業(yè)。本文旨在研究一種線(xiàn)夾鉆孔的專(zhuān)用控制方法，將“待加工線(xiàn)夾”與“待匹配線(xiàn)夾”進(jìn)行對(duì)照，完成自動(dòng)尋路鉆孔。伺服系統(tǒng)加工終端獲取待加工孔位的數(shù)據(jù)后，根據(jù)路徑規(guī)劃模塊的加工路徑指令，驅(qū)動(dòng)加工設(shè)備運(yùn)動(dòng)，對(duì)“待加工線(xiàn)夾”母排進(jìn)行鉆孔操作，可以有效提升加工的準(zhǔn)確度，使得“待加工線(xiàn)夾”與目標(biāo)“待匹配線(xiàn)夾”匹配，提升資源利用率。

1 “待匹配線(xiàn)夾”的圖像獲取及孔位分析

圖像獲取模塊用于獲取“待匹配線(xiàn)夾”（目標(biāo)出線(xiàn)端子）的目標(biāo)圖像，并根據(jù)圖像進(jìn)一步計(jì)算“待匹配線(xiàn)夾”的孔位位置信息。圖像獲取模塊內(nèi)置激光掃描儀，掃描儀在進(jìn)行每次掃描時(shí)依次視場(chǎng)輪換，獲取“待匹配線(xiàn)夾”某一個(gè)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后拼接出“待匹配線(xiàn)夾”的三維完整圖像。由于在不同視角進(jìn)行測(cè)量時(shí)坐標(biāo)系不同，需要將多視角下測(cè)量的三維數(shù)掘進(jìn)行拼接，將其轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下，才能獲得“待匹配線(xiàn)夾”表面的完整位置信息，該過(guò)程稱(chēng)為：“點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)”。

三維激光掃描儀在多視角下分別測(cè)量得到不同區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)A、B集合，我們假設(shè)有Pi、Qi為線(xiàn)夾上同一點(diǎn)在兩個(gè)點(diǎn)云集的三維坐標(biāo)，且點(diǎn)Pi(x，y，z)∈A，Qi(x，y，z)∈B。我們通過(guò)對(duì)(Pi，Qi)進(jìn)行剛體變換（R，T）轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)點(diǎn)云集下的三維坐標(biāo)映射，空間相似變換公式為式(1)：

式(1)中R為旋轉(zhuǎn)矩陣，T為平移矩陣。

通過(guò)“待匹配線(xiàn)夾”的三維圖像，進(jìn)一步展開(kāi)孔位分析，獲取“待匹配線(xiàn)夾”上的孔位數(shù)量及位置信息，示例如圖2所示。

圖2 獲取“待匹配線(xiàn)夾”的三維圖像

2 位置反演模塊

位置反演模塊用于將“待匹配線(xiàn)夾”的孔位信息反演計(jì)算為當(dāng)前“待加工線(xiàn)夾”的待加工孔位信息。在鉆孔實(shí)施前，“待匹配線(xiàn)夾”的孔位信息經(jīng)由圖像獲取模塊以點(diǎn)云數(shù)據(jù)方式獲取。

根據(jù)“待匹配線(xiàn)夾”的孔位信息，結(jié)合母排的初步輪廓尺寸，我們用位置反演算法反求每一個(gè)目標(biāo)孔位是否滿(mǎn)足匹配要求。如果達(dá)成匹配要求，我們?cè)凇按庸ぞ€(xiàn)夾”上找到與“待匹配線(xiàn)夾”的原點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)作為“待加工線(xiàn)夾”的三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)，如圖3所示。從而獲取待加工孔位在在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置信息。

圖3 “待加工線(xiàn)夾”的三維坐標(biāo)系原點(diǎn)示意

之后反演算法進(jìn)一步計(jì)算每一個(gè)待加工孔位的位置坐標(biāo)，在三維坐標(biāo)系中標(biāo)注出待加工孔位相對(duì)于“待加工線(xiàn)夾”的邊緣的距離信息，待加工孔位的直徑信息、待加工孔位的角度信息、待加工孔位的深度信息等。

3 路徑規(guī)劃模塊

路徑規(guī)劃模塊可讀取“待加工線(xiàn)夾”的孔位在三維坐標(biāo)系中相對(duì)于“待匹配線(xiàn)夾”邊緣的位置距離信息、目標(biāo)孔位的直徑信息、目標(biāo)孔位的角度信息、目標(biāo)孔位的深度信息等數(shù)據(jù)。

路徑規(guī)劃模塊根據(jù)上述信息在母排上規(guī)劃加工路徑，根據(jù)待加工孔位在在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置信息，生成加工設(shè)備在三維坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡生成加工路徑，加工設(shè)備在“待加工線(xiàn)夾”上的移動(dòng)不僅僅包括水平方向（x軸和y軸）還包括垂直方向（z軸）的運(yùn)動(dòng)，示意圖如圖4所示。

如圖4可見(jiàn)：路徑規(guī)劃時(shí)若孔位直徑大于加工直徑，根據(jù)加工設(shè)備的加工路徑選擇為螺旋式或垂直往返等方式，可以結(jié)合工時(shí)長(zhǎng)短、設(shè)備損耗、加工精度等要求，根據(jù)加工直徑和目標(biāo)位置信息生成加工路徑。

圖4 鉆頭在三維坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡

“待加工線(xiàn)夾”材質(zhì)常規(guī)有鐵、鋁、銅等不同金屬，根據(jù)“待加工線(xiàn)夾”的金屬密度、硬度、金屬種類(lèi)等，對(duì)應(yīng)選擇不同的加工功率。根據(jù)加工路徑和“待加工線(xiàn)夾”的材料信息制定最適宜的加工功率參數(shù)，包括鉆頭的轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度等。當(dāng)遇到較為復(fù)雜的線(xiàn)夾時(shí)，加工路徑可劃分成多個(gè)關(guān)鍵段，不同的關(guān)鍵段對(duì)應(yīng)不同的功率參數(shù)。功率參數(shù)的差異化設(shè)置，可以有效提升加工的精度，避免加工設(shè)備的轉(zhuǎn)速或者運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快導(dǎo)致的加工偏差。

4 二次尋路修正

當(dāng)“待加工線(xiàn)夾”鉆孔完成后，圖像獲取模塊對(duì)線(xiàn)夾再次進(jìn)行3D掃描，經(jīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)生成三維圖像。模塊自動(dòng)判斷“已完工線(xiàn)夾”是否與“待匹配線(xiàn)夾”圖像匹配，若不匹配，則驅(qū)動(dòng)鉆孔設(shè)備執(zhí)行修正操作。自動(dòng)尋路算法根據(jù)圖像差異進(jìn)一步修正路徑，驅(qū)動(dòng)加工設(shè)備沿修正路徑完成修正鉆孔操作，示例如圖5所示。

圖5 二次尋路修正鉆孔示意圖

經(jīng)實(shí)踐證明：該線(xiàn)夾鉆孔方法可以有效提升加工的準(zhǔn)確度，使得“待加工線(xiàn)夾”與目標(biāo)“待匹配線(xiàn)夾”精準(zhǔn)匹配，提升資源利用率。