CN100465836C - 加工型材的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于在精加工工作站精加工多种不同预处理型材，例如T字钢等的方法和装置，精加工工作站设有用于运输型材的运输装置、型材定位装置、成像装置、至少一个精加工机械手以及基于计算机的控制系统。该方法包括在精加工工作站完成的以下操作：通过运输装置将各型材进入到精加工工作站位置并且定位到特定的预知位置；通过成像装置对型材的选定视场进行拍照；从图片检测型材的基本形态和必要尺寸；从图片搜索并识别传授到控制系统并从正常型材偏离的特定形态，特别是引入开口、减重孔以及屈服切口，在其基础上实现型材的分类，在分类的基础上，控制系统确定各种情况下要执行的进一步操作；控制系统控制精加工机械手完成以下操作的一步或多步：铣、磨和/或切割型材，或者将型材直接移动到下一步骤；在精加工工作站中将型材向前移动一个视场。
Description
技术领域
本发明涉及一种方法和装置，该方法和装置用于在设有用于运输型材的运输装置、型材定位装置、成像装置、至少一个精加工(finishing)机械手以及基于计算机的控制系统的精加工工作站处精加工多种不同预处理型材，例如T字钢或类似型材。
背景技术
焊接的T型钢或类似型材主要用于船只的船身结构中，该钢筋的尺寸不同并且在预处理过程中设置各种管道以及绳索的引入孔、减重(lightening)孔或者用于安装要彼此交叉安装的加筋条的屈服切口。要精加工的T型钢形成船只或海运交通工具的夹板或者海洋技术设备或桥梁的钢或铝结构的一部分。在精加工这类T型钢的过程中，例如，对孔的锐利边缘进行铣，并且将底部和端部切割成预定的长度，这在船只的制造中是最费时、单调、繁重并且不符合人机工程学的工作阶段。这个问题在巡航船只中尤其严重，因为钢筋的数量非常大，依据船只的尺寸，有10000—15000个独立部分，这对应着每个船只有40-60km的钢筋。基于手工加工的上述工序还没有公知的替换技术。
传统上，上述工件的独立生产加工很大程度上是以手动方式执行，因为大部分结构技术上或经济上不适于通过目前的自动化加工机器进行加工。例如，在造船业中，到目前为止，T型钢的自动化加工不可能用于实际生产，这是由于例如，难以解决的编程以及型材制造的精度不够。由于在先前阶段中出现的焊接变形，型材本身的精度及其定位精度在实际操作中还不足以将自动化建立在来自例如计划系统的信息上。要精加工的钢筋是独特工件，并且因而在实际操作中不可能通过传动方式使其加工和生产自动化，例如使用基于宏或图形远程编程。这些问题在任何公知的建造客船的造船厂中还没有得到解决。
发明内容
本发明的目的是消除特别是造船业中的生产各种型材的公知方法并且更具体是其精加工方法手工强度大的缺陷，并且提出一种新型的解决方法，通过该方法可以减小手工加工量，并且因而本质上提高生产量以及工作质量。更具体的，本发明的目的是提出一种特别是T型材，但也可以是其他截面的型材的精加工阶段的加工方法，其中在整个加工过程中，可以主动地作用于型材。该目的是检测一个接一个引入到精加工工作站的不同型材的特殊特征并且在检测的基础上限定各种情况下所必须的操作能够尽可能自动地装置。
根据本发明的方法包括在精加工工作站运行的以下操作:
通过运输装置将各型材引入到精加工工作站并且定位到特定的预知位置，
利用成像装置拍摄型材的选定视场，
从图片中检测型材的基本形态和必要尺寸，
从图像中搜索并识别传授(taught)到控制系统并从正常型材偏离的特定形态，特别是引入开口、减重孔以及屈服切口，在其基础上完成型材的分类，在其基础上，控制系统确定在各种情况下要执行的进一步操作，
控制系统控制精加工机械手完成以下操作的一步或多步:铣、磨和/或切割型材，或者将型材直接移动到下一步骤，
在精加工工作站中将型材向前移动一个视场。
根据本发明，编程的源信息是定位在精加工工作站内的工件，即预加工的型材及其进行检测和分类的成像和测量，由此，除了别的以外，从理论上部件制造准确度的偏差不是有害的。通过根据本发明的方法，能够将手工劳动量减小到公知方法的若干分之一，并且同时本质上提高生产的质量和安全等级并且改善通过时间。通过本发明，使用基于机器视觉编程和控制的机器人技术可以使繁重、多尘并且令人讨厌的研磨以及切割工作自动化。本发明除了T字钢外还适用于其他类型的型材，例如H型、L型以及I型钢，并且要加工的工件材料可以是钢或者其他相应材料，尤其是用于造船业的材料。
当将其定位到工作站上时，型材的位置可以依据型材的形状而变化，但是在例如T字钢的情况下，型材优选直立，同时加筋部分朝上。为了成像对视场进行照明，使得照明条件尽可能一致，以使型材的孔、尺寸以及位置可适当看见。
除了别的以外，认为型材各部分的高度、宽度以及厚度是其必要尺寸。在本方法中，依据整体装置，使用一个或多个照相机进行拍照并且他们装置在周围结构中。这种情况同样适用于精加工机械手的数量，由此通过各种机械手以必要方式执行不同加工操作。
此外，必须广泛地理解“精加工工作站”这个概念，它可以包括整个精加工路径，要加工的型材或多个型材沿该路径连续前进，以便连续知道它们的精确位置。因而，能够对照相机和机械手装置进行同步，以便沿该路径进行相应移动。因而，甚至可以在路径上具有多个同时要进行加工的物体，并且在不同阶段具有多个要加工的型材。
通过在型材分类的基础上更详细的限定与所述传授形态(taughtform)相关的要测量的目标，可以使该方法的使用更加有效，由此将来自详细测量的数据同与传授形态相关的条件进行比较。然后，当设定适当的条件时，可以考虑到例如:能够在加工过程中损坏工具的、有精加工之间的加工步骤的精确度不足产生的或者基于与形态相关的完新的概念的偏差。这些偏差优选用于控制系统的进一步开发以及改善整体质量控制。
在限定的条件满足的情况下，控制系统生成数据并将它们传输到操作地点的独立定位点并且/或者用于控制精加工机械手的整个操作进度的执行，以便运行完成各种精加工操作的程序。
如果不存在可识别的传授形态或者测量数据以预定方式偏离输入到控制系统内的比较数据，控制系统在精加工机械手没有任何动作的情况下导引型材进入下一步骤。
测量操作取决于要测量的形态，以使在传授开口是圆形开口的情况下，测量其直径。当传授形态是椭圆或类似形态时，测量其曲率半径和/或拐角点的起点(origos)位置。此时，单词“椭圆”要广泛地理解为具体是造船业中所使用的各种形态，包括例如带有各种形式的圆形角落的矩形。
此外，如果传授形态是矩形开口，测量其长度和宽度，并且如果传授开口是所谓的球状开口，测量其拐角点的位置。
为了控制精加工操作，通过例如永久性固定为与精加工机械手连接的激光测距仪来限定型材准确定位信息。因而，甚至在先前的制造操作，例如焊接T字钢网已经产生有害形态的偏差的情况下，确保型材定位的精度以及金属加工操作的准确控制。
本发明还涉及一种用于在精加工工作站精加工多种不同预处理型材(例如T字钢或类似型材)的装置，该精加工工作站设有用于运输型材的传送装置、用于定位型材的装置、成像装置、至少一个精加工机械手以及基于计算机的控制系统。在根据本发明的一种装置中，各型材设置成通过传送装置引入到精加工工作站内并且定位到预知位置。选定视场设置成通过成像系统进行拍照并且型材基本形态以及必要测量设置成从图片进行检测，以及从正常型材偏离并传授到控制系统的特定形态，特别是引入开口、减重孔以及屈服切口，设置成进行搜索并识别，在其基础上，完成型材分类装置，控制系统设置成在分类的基础上限定各种情况下要进行的操作。控制系统设置成控制精加工机械手以完成以下操作的一步或多步:铣、磨和/或切割型材或者将型材设置成直接移动到下一步骤。接着该步骤，型材设置成在精加工工作站中向前移动一个视场。
附图说明
在下文中，参照所附附图，以示范性方法描述本发明，其中:
图1显示根据本发明的方法的各步骤的操作示意图；
图2显示预先要传授到控制系统的开口的某些基本形态以及与它们相关的测量点，以及
图3示意性显示了根据本发明用于精加工型材的装置。
具体实施方式
参照附图，通过以下方式实施该方法。在型材2设置各种引入开口、减重孔和/或屈服切口之后，在步骤A中通过运输装置3将其传递到精加工工作站1并且以同样公知的方法在纵向和横向方向上进行定位。横向定位可以优选通过压辊对(未图示)完成。
接着该步骤，在步骤B中通过附属于成像系统的照相机6在其选定视场7上对工作区域进行拍照。如果需要，则照相机由距离型材适当距离的结构(未详细图示)所支撑，以便不形成有害的图片失真。在步骤C中，通过使用照相机图像，完成型材的分类，由此在精加工工作站1检测型材网的型材2端部和各种孔2a的位置，例如型材的所述屈服切口、减重孔、引入孔以及切割，型材的位置和/或识别数据的标记以及切割标记。这些观察结果从照相机6直接传输到由支撑框架5支撑的精加工机械手4的控制器或者可以通过将数据传输到精加工机械手4的控制控制器的控制系统对照相机图像进行分析。要注意的是，应广泛地理解控制系统，以使其能够包括相当集中的数据输入、分析以及控制，但它也可以同样以实际成像系统和/或特别精加工机械手控制的一部分的形式以相当分散的方式完成，这基于与选定装置相关的处理器以及控制装置的能力。
接着该步骤，作为步骤F的结果，精加工机械手4原则上开始铣操作，例如通过执行型材端部切割，随后在型材上标记的点切割或铣出孔，并随后磨该端部和孔。
与预先传授到控制系统的形态相关，通过限定要测量的目标并且在步骤C中执行的型材2分类的基础上在步骤D中更详细的完成它们的测量，可以使该方法的使用更加有效，由此将从详细测量获得的信息同与在步骤E中所传授的形态相关的设定条件进行比较。使用适当的条件使得可以尽量预先消除能够在加工过程中损坏工具的加工操作。偏差还可以是先前加工步骤产生的过大形态偏差的指示，或者它们是由于与形态相关的完新应用所致。优选使用这些偏差进一步开发控制系统以及整个制造工艺的质量。
在满足预先设定条件的情况下，控制系统在步骤F完成并传输关于操作点各定位点的数据并且/或者执行整个操作程序以便运行用于控制精加工机械手4执行各种精加工操作的程序。另一方面，如果没有发现传授的可识别形态或者如果测量数据偏离以预定方式给入到控制系统内的比较数据时，控制系统在精加工机械手4没有进行任何操作的情况下导引型材移动到下一步骤。
当与由视场7限定的工作区域相关的所有操作完成时，型材在精加工工作站1中向前移动一个视场，直到对整个型材进行拍照并继续工作。此外，甚至在精加工工作站之前，型材就已经设有标记，以便将其切割成所希望的尺寸。接着该步骤，通过运输装置3将型材远离精加工工作站传递到中转仓库或类似地点。
图2显示了在型材出现并预先传授给控制系统的某些基本形态以及其测量点，该基本形态由圆叉标记。图2a显示了所谓球状开口，从该开口测量拐角点的位置。根据图2b从圆形开口测量直径。从图2c中所示的矩形开口测量尺寸，即长度和宽度。图2d显示了椭圆或类似开口，从其测量曲率半径和/或拐角点的起点位置。要广泛地理解椭圆，特别是用于造船业中所使用的加筋件的形态，包括例如图2d所示的带有各种形式圆形角落的矩形。例如，要加工的曲率半径的最小值/最大值、最小直径可以输入作为测量点的比较数据。
在图3中，附图标记8是指工具存库，精加工机械手4从该存库拾取各种工具进行各种精加工操作。
为了控制精加工操作，可以例如通过激光测距仪(未图示)限定精确位置数据，依据激光测距仪的传感器的精确测量范围的距离，将激光测距仪支撑到精加工机械手4的支撑框架5。因而，在先前加工步骤，例如焊接T字钢网，已经对型材产生了有害形态的偏差的情况下，还可以确保型材的精确定位以及加工操作的准确控制。
因而，根据本发明的装置对进入工作区域的型材进行照相，检测其开口以及外形，分析并将图片数据与预先提供的标准进行比较，在从加工点位置限定的规则的基础上自动并形成必要的操作程序。不需要CAD或其他图形数据作为输入数据，并且在检测基础上执行的操作能够完全预先装置或者它们可能需要某些分类数据。在需要数据的情况下，它们可以通过操作系统输入或者它们可以从伴随带有例如型条代码的型材的附带存储器中读取。
最简单并且成本最低的实施例是利用一个照相机加上激光测距仪进行检测，测距仪为控制系统确定型材的准确位置。只要由先前加工步骤的焊接加工引起相当大形态的偏差就需要激光测量。在这种情况下，与工作区域相对应的视场在纵向方向上为大约1米。与将所述设备设置成与型材同时移动类似，使用多种照相机以及精加工机械手，自然可以使型材的精加工更加有效。这种系统的价格大小也相应是不同数量级的。
本发明并不完全限于上述实施例，而是可以在所附权利要求的基础上对本发明进行多种修改。
Claims (17)
1.一种用于在精加工工作站(1)中精加工多种不同的细长形式的预处理型材(2)的方法，所述精加工工作站(1)设有用于运输所述型材的运输装置(3)、型材定位装置、成像装置(6)、至少一个精加工机械手(4)以及基于计算机的控制系统，其特征在于:所述方法包括在所述精加工工作站完成的以下操作:
通过所述运输装置(3)在基本水平方向上将各型材(2)引入到所述精加工工作站(1)并且定位在特定的预知位置，
通过所述成像装置对所述型材(2)的选定视场(7)进行拍照，
从图片检测所述型材(2)的基本形态和尺寸，
从所述图片搜索并识别传授到所述控制系统并与正常型材偏离的特定形态(2a)，在其基础上实现所述型材(2)的分类，所述控制系统在所述分类的基础上确定在各种情况下要执行的下一步操作，
所述控制系统控制所述精加工机械手(4)完成铣、磨和切割所述型材(2)中一步或多步操作，或者直接移动所述型材(2)，以便进行下一步骤的操作，
在所述精加工工作站(1)中将所述型材(2)向前移动一个视场(7)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在所述分类的基础上确定与所传授的特定形态(2a)相关的要详细测量的目标，并且将来自所述详细测量的数据同与所传授的特定形态(2a)相关的预先设定的条件进行比较。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:所述控制系统生成所述数据并将所述数据传输到操作目标的各定位点，并且/或者传输到用于控制所述精加工机械手(4)的整个操作程序的运行过程，以便在所述设定条件满足的情况下执行完成各种精加工操作的程序。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:在没有发现可识别的所传授的特定形态(2a)的情况下，所述控制系统在所述精加工机械手(4)不进行任何操作的情况下导引所述型材(2)移动，以便进行所述下一步骤的操作。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:在所述测量数据偏离以预先确定的方式输入到所述控制系统中的比较数据的情况下，所述控制系统在所述精加工机械手(4)没有进行操作的情况下导引所述型材(2)移动，以便进行所述下一步骤的操作。
6.根据权利要求2-5中任意一项所述的方法，其特征在于:在所传授的特定形态(2a)为圆形开口的情况下，测量其直径。
7.根据权利要求2-5中任意一项所述的方法，其特征在于:在所传授的特定形态(2a)是椭圆的情况下，测量其曲率半径。
8.根据权利要求2-5中任意一项所述的方法，其特征在于:在所传授的特定形态(2a)是矩形开口的情况下，测量其长度和宽度。
9.根据权利要求2-5中任意一项所述的方法，其特征在于:在所传授的特定形态(2a)是球状开口的情况下，测量其拐角点位置。
10.根据上述权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于:为了控制所述精加工操作，通过支撑为与所述精加工机械手(4)连接的激光测距仪确定所述型材(2)的精确定位信息。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述预处理型材(2)为T字钢、H型钢、L型钢或I型钢。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述特定形态(2a)是引入开口、减重孔以及屈服切口。
13.一种用于在精加工工作站(1)中精加工多种不同的细长形式的预处理型材(2)的装置，所述精加工工作站(1)设有运输所述型材的运输装置(3)、型材定位装置、成像装置(6)、至少一个精加工机械手(4)以及基于计算机的控制系统，其特征在于:各型材(2)设置成通过所述运输装置(3)在基本水平的方向上引入到所述精加工工作站(1)并且定位在特定预知位置，所述型材(2)的选定视场(7)设置成通过所述成像系统进行拍照，基本形态和尺寸设置成从图片进行检测，并且从正常型材 偏离并传授到所述控制系统的特定形态(2a)设置成进行搜索和识别，在其基础上，装置所述型材(2)的分类，所述控制系统设置成在所述分类的基础上确定各种情况下要进行的进一步操作，所述控制系统设置成控制所述精加工机械手(4)完成铣、磨和切割所述型材(2)中一步或多步操作，或者将所述型材(2)设置成直接移动，以便进行后续步骤的操作，并且将所述型材(2)设置成在所述精加工工作站(1)中向前移动一个视场(7)。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于:在所述型材(2)的分类的基础上，将与所传授的特定形态(2a)相关的要详细测量的目标设置成进行限定，并且来自所述详细测量的数据设置成同与所传授的特定形态(2a)相关的设定条件进行比较。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于:所述控制系统设置成生成并传输数据到操作目标的各定位点并且/或者到用于控制所述精加工机械手(4)的整个过程程序的运行过程，以便在所述设定条件满足的情况下执行完成各种精加工操作的程序。
16.根据权利要求14所述的装置，其特征在于:在没有发现可识别传授的特定形态(2a)的情况下或者在所述测量数据偏离以预定方式输入到所述控制系统的比较数据的情况下，所述控制系统设置成在所述精加工机械手(4)没有进行任何操作的情况下控制所述型材(2)移动，以便进行所述下一步骤的操作。
17.根据权利要求13所述的装置，其特征在于:所述预处理型材(2)为T字钢、H型钢、L型钢或I型钢。
18.根据权利要求13所述的装置，其特征在于:所述特定形态(2a)是引入开口、减重孔以及屈服切口。
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