基于智能从站的工件轮廓测量方法、装置及可读介质

本发明涉及测量，具体涉及一种基于智能从站的工件轮廓测量方法、装置及可读介质。

背景技术：

1、在工业制造、装备装配及质量检测等应用场景中，精确的工件轮廓尺寸是实现高质量加工与装配的重要基础。对于自由曲面、非规则轮廓的工件，传统离线测量的方式往往需要复杂的装夹和基准对齐过程，难以兼顾测量灵活性与现场适应性。

2、现有工件测量技术主要包括基于视觉的非接触测量和接触式测量。视觉测量方案虽然具备较高的测量效率，但在复杂光照环境、金属反光表面或遮挡条件下，测量稳定性和精度容易受到影响；同时，多相机或结构光系统通常成本较高、标定复杂，不利于在工业现场快速部署。

3、接触式测量方案中，3d寻边器作为一种结构简单、触发可靠的测量装置，被广泛应用于数控机床领域和工业机器人场景。在现有机器人测量应用中，3d寻边器通常用于工件基准点或特征点的定位，其测量过程以触发事件为基础，在探头与工件表面发生接触时输出对应的测量值。该测量值本质上为触发瞬间的综合位移量，并不直接包含各空间方向上的位移分量信息。

4、在工件标定或基准建立等应用中，测量任务通常通过预先设定机器人运动方向，使寻边器沿已知、受控的运动方向与工件表面发生接触，从而使触发测量结果能够对应于预期的测量方向。在上述应用条件下，测量过程中机器人运动方向具有明确的先验约束，单次触发测量即可满足基准点定位或标定精度要求，因此3d寻边器被广泛用于工件标定、基准建立等离散测量场景。

5、随着测量需求的提升，在实际的工件轮廓测量应用中，测量任务逐步由离散触发测量发展为沿工件轮廓的连续扫描过程。与基准标定应用不同，连续轮廓测量过程中机器人末端需沿复杂轮廓路径运动，其运动方向随扫描路径不断变化，而3d寻边器的测量结果仍主要反映触发瞬间的接触状态，难以直接表征具体的空间测量方向。在上述测量条件下，若缺乏对机器人运动状态与测量数据的统一约束与协调管理，单次触发测量的结果难以与轮廓位置和测量方向建立明确对应关系，从而增加了轮廓测量数据的复杂度。

6、为实现沿工件轮廓的测量任务，通常需要在机器人运动过程中同步获取3d寻边器测量数据与机器人末端位姿信息，并对二者进行统一处理，以建立测量数据与空间位置之间的对应关系。随着测量任务由离散测量向连续轮廓扫描发展，测量系统对数据采集、时序协调以及数据处理一致性的要求进一步提高。

7、然而，现有机器人测量系统架构中，传感器数据采集与机器人运动控制多由不同模块分别完成，二者之间缺乏统一的数据管理与协调机制，测量过程在一定程度上依赖人工示教与人工配置，难以在系统层面实现测量数据与运动数据的统一管理与自动化协同处理。

技术实现思路

1、本技术的目的在于针对上述提到的技术问题提出一种基于智能从站的工件轮廓测量方法、装置及可读介质。

2、第一方面，本发明提供了一种基于智能从站的工件轮廓测量方法，应用于工件轮廓测量系统，工件轮廓测量系统包括机器人、3d寻边器和智能从站，3d寻边器安装在机器人的末端，智能从站分别与机器人控制器和3d寻边器通信连接，方法包括以下步骤：

3、构建测量方向约束、滚转自由度约束和预压位移约束，得到测量姿态约束；

4、获取待测工件的轮廓曲线，根据轮廓曲线和测量姿态约束生成轮廓扫描路径；

5、根据测量姿态约束沿轮廓扫描路径对待测工件进行连续扫描，得到沿轮廓扫描路径分布的测量数据，同时获取在连续扫描过程中机器人运动的位姿数据；

6、获取工件轮廓测量系统启动时智能从站和3d寻边器之间的初始时间偏差，以及测量数据在智能从站与3d寻边器之间的通信链路中的传输延时，并根据初始时间偏差和传输延时将位姿数据和测量数据进行时间对齐，得到对齐后的位姿数据和对齐后的测量数据；

7、将对齐后的位姿数据和对齐后的测量数据进行空间映射，得到轮廓测量数据。

8、作为优选，建立工具坐标系和工件坐标系，并在工具坐标系中定义3d寻边器的位移触发方向为工具轴；

9、测量方向约束具体包括：

10、响应于确定待测工件的表面局部区域的法向n可获取，则使工具轴与待测工件的表面局部区域的法向n保持平行；

11、响应于确定待测工件的表面局部区域的法向n不可获取，则使工具轴与工件坐标系的z方向保持第一预设夹角设置，且工具轴始终指向待测工件轮廓邻域的内侧；

12、滚转自由度约束，具体包括：使3d寻边器绕工具轴的自转角保持恒定或者按照预设的规律变化；

13、预压位移约束，具体包括：设定预压位移和安全间隙，响应于确定3d寻边器与与待测工件表面之间沿工具轴方向的距离不大于预压位移或安全间隙，则触发测量。

14、作为优选，获取待测工件的轮廓曲线，根据轮廓曲线和测量姿态约束生成轮廓扫描路径，具体包括：

15、从待测工件的工艺模型中提取待测工件的轮廓曲线；

16、根据预压位移或安全间隙沿工具轴的方向对轮廓曲线进行偏置，得到偏置路径；

17、根据轮廓曲线的曲率对偏置路径进行分段处理，得到分段后的偏置路径；

18、设定期望点密度，根据轮廓曲线的曲率和期望点密度对分段后的偏置路径的每一个扫描段设置扫描速度，得到轮廓扫描路径。

19、作为优选，获取工件轮廓测量系统启动时智能从站和3d寻边器之间的初始时间偏差，以及测量数据在智能从站与3d寻边器之间的通信链路中的传输延时，并根据初始时间偏差和传输延时将位姿数据和测量数据进行时间对齐，得到对齐后的位姿数据和对齐后的测量数据，具体包括：

20、获取智能从站的系统时钟和3d寻边器的本地时钟，根据智能从站的系统时钟、3d寻边器的本地时钟计算工件轮廓测量系统启动时智能从站和3d寻边器之间的初始时间偏差，如下式所示：

21、；

22、其中，表示初始时间偏差，表示智能从站的系统时钟，表示3d寻边器的本地时钟；

23、在工件轮廓测量系统初始化阶段，获取智能从站基于本地时间基准所记录的与3d寻边器之间的通信数据的本地发送时刻和本地接收时刻，根据本地发送时刻、本地接收时刻和初始时间偏差计算测量数据在智能从站与3d寻边器之间的通信链路中的传输延时，如下式所示：

24、；

25、其中，表示传输延时，表示本地接收时刻，表示本地发送时刻；

26、根据传输延时和初始时间偏差确定每一个位姿数据和测量数据对应的时间戳；

27、根据时间戳将所有位姿数据和测量数据进行时间对齐，得到对齐后的位姿数据和对齐后的测量数据。

28、作为优选，将对齐后的位姿数据和对齐后的测量数据进行空间映射，得到轮廓测量数据，具体包括：

29、建立机器人坐标系与寻边器测量坐标系的转换关系，并根据转换关系将对齐后的位姿数据转换至寻边器测量坐标系，得到3d寻边器的工具位姿数据；

30、根据测量姿态约束确定测量方向，并沿测量方向根据工具位姿数据和对齐后的测量数据计算轮廓测量数据。

31、作为优选，还包括：剔除轮廓测量数据中的异常数据，异常数据对应的测量点包括未发生有效触发的测量点、超出预设量程范围的测量点、相邻点间距异常突变的测量点以及与机器人运动状态不一致的测量点。

32、第二方面，本发明提供了一种基于智能从站的工件轮廓测量装置，应用于工件轮廓测量系统，工件轮廓测量系统包括机器人、3d寻边器和智能从站，3d寻边器安装在机器人的末端，智能从站分别与机器人控制器和3d寻边器通信连接，装置包括：

33、测量姿态约束构建模块，被配置为构建测量方向约束、滚转自由度约束和预压位移约束，得到测量姿态约束；

34、扫描路径生成模块，被配置为获取待测工件的轮廓曲线，根据轮廓曲线和测量姿态约束生成轮廓扫描路径；

35、扫描模块，被配置为根据测量姿态约束沿轮廓扫描路径对待测工件进行连续扫描，得到沿轮廓扫描路径分布的测量数据，同时获取在连续扫描过程中机器人运动的位姿数据；

36、数据对齐模块，被配置为获取工件轮廓测量系统启动时智能从站和3d寻边器之间的初始时间偏差，以及测量数据在智能从站与3d寻边器之间的通信链路中的传输延时，并根据初始时间偏差和传输延时将位姿数据和测量数据进行时间对齐，得到对齐后的位姿数据和对齐后的测量数据；

37、数据映射模块，被配置为将对齐后的位姿数据和对齐后的测量数据进行空间映射，得到轮廓测量数据。

38、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现如第一方面中任一实现方式描述的方法。

39、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面中任一实现方式描述的方法。

40、第五方面，本发明提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如第一方面中任一实现方式描述的方法。

41、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

42、（1）本技术提出的一种基于智能从站的工件轮廓测量方法通过对测量过程中机器人运动方向和测量姿态施加统一约束，并引入一种具备数据采集、时序协调和数据管理能力的智能从站，实现3d寻边器测量数据与机器人运动数据进行同步采集与匹配，解决了连续轮廓测量过程中测量数据难以与具体空间位置和测量方向建立对应关系的问题，为工件轮廓信息的获取提供系统性支撑。

43、（2）本技术提出的一种基于智能从站的工件轮廓测量方法通过对机器人末端姿态施加测量方向约束、滚转自由度约束和预压位移约束，使3d寻边器能够边沿轮廓扫描路径运动边完成测量触发，并且保证在扫描过程中测量方向的一致性、提升运动平滑性、使3d寻边器能够稳定触发。

44、（3）本技术提出的一种基于智能从站的工件轮廓测量方法通过引入智能从站，计算不同设备之间的时钟误差和传输延时，使智能从站在测量工件轮廓过程中，能够将测量数据与机器人位姿数据在同一时间基准下进行绑定，形成时间一致、空间对应的测量数据单元，从而避免因通信的传输延时或设备时钟差异导致的数据错配问题，为后续轮廓测量数据的综合处理提供可靠的数据基础。