摘 要

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。最新的光学三维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。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。

关键词：三维扫描；机器人；自动化测量；汽车工业

Robot automatic measurement system integration

ABSTRACT

The requirements of modern industrial products on the position accuracy and shape accuracy are getting higher and higher,so the requirements of the measurement are correspondingly improved.The development of modern photography and scanning imaging technology provides a new way to solve this problem.The latest optical 3D scanner scans the product by multi angle，and then through automatic or small manual intervention，can get a complete three-dimensional graphics.With the development of computer hardware and software and the development of scanning imaging technology, the precision of scanning imaging is greatly improved,therefore,the three-dimensional image obtained by scanning can be compared with the 3D design model and the precision of the product can be obtained.Nowadays, the on-line automatic measurement is an important direction of precision measurement technology,it is also an indispensable part in the development of modern manufacturing technology.With the advantage of the current industrial robot (stability, maneuverability, positioning accuracy, etc.), the industrial robot technology is introduced into the field of measurement, combined with visual measurement and precision measurement theory,then a new on-line automatic measurement method is proposed, which improves the accuracy and speed of measurement, and solves the problems that need to be solved in the mainstream industries such as automobile industry.The graduation project will be a typical automobile sheet metal robot automatic measurement system set into the content, in-depth discussion of the system composition, methods and notes.

Key words：three-dimensional scanning；robot；automatic measurement；automotive industry

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外同类研究现状 2

1.3 本课题的研究内容 3

1.4 特色与创新 3

第二章 测量系统 4

2.1 测量工具的选择 4

2.2 ATOS扫描仪工作原理 5

2.3 测量的前期准备工作 5

2.3.1 汽车工件表面处理 5

2.3.2 固定参考点的要求 6

2.4 三维扫描测量方式 6

第三章 机器人选型 7

3.1 机器人总体系统分析 7

3.2 机器人结构设计 8

3.2.1 运动形式选择 8

3.2.2 机器人自由度 9

3.3 机器人驱动方式选择 10

3.4 机器人选型 11

3.5 机器人行进机构选择 12

第四章 总体布局设计 13

4.1 机器人工作站 13

4.1.1 机器人工作站的定义及构成 13

4.1.2 机器人工作站的一般设计原则 14

4.2 工作站总体布局 14

4.3 工艺位置及使用条件 16

第五章 安全系统设计 16

5.1 机械安全 16

5.1.1 机械安全的定义 16

5.1.2 安全设计的基本原则 17

5.2 风险评估 17

5.3 本设计采用的安全措施 17

5.4 安全围栏的设计 17

5.5 红外线防护仪 19

5.6 安全自动门 20

5.6.1 自动门基本结构 20

5.6.2 驱动方式选择 22

5.6.3 电机的选择 22

5.6.4 同步带的选择 23

5.7 其他安全措施 24

结 论 25

致 谢 26

参考文献 27

第一章 绪论

1.1 研究的目的及意义

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。因此而提出了面向制造现场的机器人在线自动化测量技术，它可以通过扫描测量获取实物外形坐标点、重建实物的三维数字模型，在此基础上可以方便地进行模型再设计顿号快速原型制造与快速模具制造等后续工作，从而大大节省研发时间，缩短设计周期，该技术是当前精密测量技术研究的一个重要方向，也是现代制造技术发展过程中不可或缺的重要组成部分。

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。机器人自动测量系统是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。在发达国家的制造业中，三维扫描仪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。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，它的重要意义在于可以极大的缩短产品制造周期，并且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。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。近年来工业机器人性能大幅提高，尤其运动定位精度已经满足测量应用的需要，集成电路及工业控制器的应用使其具有很高的可靠性，完全可以应用于工业现场，同时在高可靠性的情况下其运动速度也有了明显的提高，可以提高测量速度，满足现代工业生产节拍的需要。采用工业机器人结合三维扫描仪不仅可以实现非接触、高精度、快速、可靠的在线测量，而且可以利用工业机器人的灵活性，实现近距离的测量，提高测量精度；利用工业机器人可编程的特性，可以实现多种型号产品的测量，每增加一种新产品的检测，只需简单校准和编程即可实现，大大降低了成本，减少工作量，从而进一步提高效率。

1.2 国内外同类研究现状

目前，基于工业机器人的光学测量系统已经成为国外大公司研究的热点。而且各大汽车生产厂家也都把机器人自动测量定为今后在线监测的应用趋势。美国Perceptron公司开发的AutoGuide（Robot Guidance System,RGS）及Flexible AutoGange System,基于ABB、KUKA、FANUC、Staubli等公司的工业机器人实现了汽车车身的在线检测、挡风玻璃的自动安装、轿车车门的自动安装、激光焊缝的检测等等，已应用于BMW、DaimlerChrysler、GM等国际著名汽车生产厂家。美国QMC公司开发的Flexible Measurement System（FMS）采用KUKAM系列工业机器人和三维激光扫描仪实现了卡车底盘、轿车车门、金属龙门架的几何尺寸的测量，在全世界已有大约200套在应用。瑞士的ABB公司也在开发基于工业机器人的自动测量系统。加拿大LMI公司开发了专门应用于工业机器人测量的视觉传感器SRS-100-3D。

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，在国内一线的汽车制造厂中，包括机器人自动测量设备在内的高端制造装备，因为技术难度大、利润高，此前一直为国外品牌所垄断。天津大学精密测试技术及仪器实验室开发的基于三维扫描技术的机器人柔性在线自动测量系统，首次通过国际招标采购程序，进入国内主流汽车制造厂，开创了国产高端测量设备进入由国外产品垄断的汽车制造业的先例。近4年多的实际运行表明，产品的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。已经和东风神龙、一汽大众等主流汽车厂家建立了稳定的合作关系，提供在线测量设备和技术服务，由此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。2007年在江淮汽车厂C926新型轿车焊接生产线上，采用基于两台KUKA工业机器人构建的自动测量系统，实现了多车型的在线测量，完全达到了合同规定的技术指标，测量结果为新生产线的调试、产品制造过程控制提供了实时数据支持。