三维自动寻路技术在线夹钻孔方法中的应用

广东电网能源发展有限公司 杜浩锐

本文阐述了一种基于三维自动寻路技术的线夹钻孔方法，包括：图像获取模块、位置反演模块、路径规划模块三部分。通过图像获取模块获取待匹配线夹图像，经图像识别后获取“待匹配线夹”的孔位信息；位置反演模块根据“待匹配线夹”的孔位信息反演计算出当前“待加工线夹”的孔位信息；路径规划模块根据待加工孔位信息在母排上规划加工路径，根据生成的加工路径驱动钻头运动，对“待加工线夹”进行钻孔操作。该自动寻路钻孔技术可以有效提升加工精度，提升资源利用率。

在新建变电工程施工过程中，往往涉及较多设备线夹需要在工程现场进行二次加工。变电设备线夹常用于将母线引下线与电气设备（如变压器、断路器、隔离开头、穿墙套管等）的出线端子接续。设备线夹在加工前，通常需将连接出线端子侧的“待匹配线夹”与“待加工线夹”母排进行匹配对照，如图1所示，由工人在线夹母排上做定位划线。进行钻孔时由工人根据标记进行打锛子、钻孔、去除披锋等工序。传统作业采用人工定位效率低，钻孔作业时位置准确率低，同时工艺质量差，质量不稳定。

图1 设备线夹匹配对照图

国内用于电力金具加工的各类钻床硬件配置日益数字化、智能化，已经具备了较为完备的工装结构以及数字伺服控制系统等。但能自动模拟出与出线端子完全匹配的线夹并非易事，需要依靠机器视觉在线夹母排上自动规划出适宜的孔距和位置，并自动执行指令进行钻孔作业。本文旨在研究一种线夹钻孔的专用控制方法，将“待加工线夹”与“待匹配线夹”进行对照，完成自动寻路钻孔。伺服系统加工终端获取待加工孔位的数据后，根据路径规划模块的加工路径指令，驱动加工设备运动，对“待加工线夹”母排进行钻孔操作，可以有效提升加工的准确度，使得“待加工线夹”与目标“待匹配线夹”匹配，提升资源利用率。

1 “待匹配线夹”的图像获取及孔位分析

图像获取模块用于获取“待匹配线夹”（目标出线端子）的目标图像，并根据图像进一步计算“待匹配线夹”的孔位位置信息。图像获取模块内置激光扫描仪，扫描仪在进行每次扫描时依次视场轮换，获取“待匹配线夹”某一个区域的点云数据，最后拼接出“待匹配线夹”的三维完整图像。由于在不同视角进行测量时坐标系不同，需要将多视角下测量的三维数掘进行拼接，将其转换到同一坐标系下，才能获得“待匹配线夹”表面的完整位置信息，该过程称为：“点云数据配准”。

三维激光扫描仪在多视角下分别测量得到不同区域的点云数据A、B集合，我们假设有Pi、Qi为线夹上同一点在两个点云集的三维坐标，且点Pi(x，y，z)∈A，Qi(x，y，z)∈B。我们通过对(Pi，Qi)进行刚体变换（R，T）转化，从而实现两个点云集下的三维坐标映射，空间相似变换公式为式(1)：

式(1)中R为旋转矩阵，T为平移矩阵。

通过“待匹配线夹”的三维图像，进一步展开孔位分析，获取“待匹配线夹”上的孔位数量及位置信息，示例如图2所示。

图2 获取“待匹配线夹”的三维图像

2 位置反演模块

位置反演模块用于将“待匹配线夹”的孔位信息反演计算为当前“待加工线夹”的待加工孔位信息。在钻孔实施前，“待匹配线夹”的孔位信息经由图像获取模块以点云数据方式获取。

根据“待匹配线夹”的孔位信息，结合母排的初步轮廓尺寸，我们用位置反演算法反求每一个目标孔位是否满足匹配要求。如果达成匹配要求，我们在“待加工线夹”上找到与“待匹配线夹”的原点对应的点作为“待加工线夹”的三维坐标系的原点，如图3所示。从而获取待加工孔位在在三维坐标系中的坐标位置信息。

图3 “待加工线夹”的三维坐标系原点示意

之后反演算法进一步计算每一个待加工孔位的位置坐标，在三维坐标系中标注出待加工孔位相对于“待加工线夹”的边缘的距离信息，待加工孔位的直径信息、待加工孔位的角度信息、待加工孔位的深度信息等。

3 路径规划模块

路径规划模块可读取“待加工线夹”的孔位在三维坐标系中相对于“待匹配线夹”边缘的位置距离信息、目标孔位的直径信息、目标孔位的角度信息、目标孔位的深度信息等数据。

路径规划模块根据上述信息在母排上规划加工路径，根据待加工孔位在在三维坐标系中的坐标位置信息，生成加工设备在三维坐标系中的运动轨迹，根据运动轨迹生成加工路径，加工设备在“待加工线夹”上的移动不仅仅包括水平方向（x轴和y轴）还包括垂直方向（z轴）的运动，示意图如图4所示。

如图4可见：路径规划时若孔位直径大于加工直径，根据加工设备的加工路径选择为螺旋式或垂直往返等方式，可以结合工时长短、设备损耗、加工精度等要求，根据加工直径和目标位置信息生成加工路径。

图4 钻头在三维坐标系中的运动轨迹

“待加工线夹”材质常规有铁、铝、铜等不同金属，根据“待加工线夹”的金属密度、硬度、金属种类等，对应选择不同的加工功率。根据加工路径和“待加工线夹”的材料信息制定最适宜的加工功率参数，包括钻头的转速、推进速度等。当遇到较为复杂的线夹时，加工路径可划分成多个关键段，不同的关键段对应不同的功率参数。功率参数的差异化设置，可以有效提升加工的精度，避免加工设备的转速或者运动速度过快导致的加工偏差。

4 二次寻路修正

当“待加工线夹”钻孔完成后，图像获取模块对线夹再次进行3D扫描，经点云数据配准生成三维图像。模块自动判断“已完工线夹”是否与“待匹配线夹”图像匹配，若不匹配，则驱动钻孔设备执行修正操作。自动寻路算法根据图像差异进一步修正路径，驱动加工设备沿修正路径完成修正钻孔操作，示例如图5所示。

图5 二次寻路修正钻孔示意图

经实践证明：该线夹钻孔方法可以有效提升加工的准确度，使得“待加工线夹”与目标“待匹配线夹”精准匹配，提升资源利用率。