CN104259670B - 一种基于机器视觉及工业机器人的涡轮叶片激光切割系统 - Google Patents

一种基于机器视觉及工业机器人的涡轮叶片激光切割系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉及工业机器人的涡轮叶片激光切割系统，包括工控机、龙门式机械平台、末端装载有激光切割器的工业机器人、图像采集模块、多轴运动控制模块。本发明通过待切割叶片的图像信息与叶片的理论轮廓曲线进行匹配可一次性获取整个叶片的切割路径，不仅在效率上得到极大的提高而且匹配的精度在1mm左右；并且利用多轴运动控制卡驱动装载有摄像头的滚珠丝杠平台运动，通过识别叶片夹具上的标定点来快速的获取待切割叶片的最佳图像信息，不需要像激光视觉传感中那样实时获取图像信息减少了大量的数据、光学及图像处理工作保证了作业效率，同时减小了激光切割过程中对摄像头的损伤，不仅对作业环境要求较低且成本较低。

Description

一种基于机器视觉及工业机器人的涡轮叶片激光切割系统
技术领域
本发明涉及机器视觉及工业机器人激光切割领域，尤其是一种利用机器视觉获取待切割涡轮叶片的图像信息并与完成切割工序后的理论轮廓曲线进行匹配，从而实现工业机器人带动激光切割器进行切割作业的系统。
背景技术
涡轮叶片是根据空气动力学及流体力学经过复杂的数值计算而设计出的空间型面，其精度直接影响到设备的能量转换效率。叶片毛坯的切割质量及效率是保证后续半精加工、精加工、抛光及检测等工序精度及效率的关键。目前常用的叶片激光切割方法有示教再现机器人切割和激光视觉传感。
示教再现机器人切割是利用机器人的手持示教器逐个的查找、记录每个待切割点的坐标、姿态及相邻两切割点之间的插补方式和速度，并且依靠人眼观察来保证切割点的精度。当叶片毛坯的尺寸较大、形状较复杂时，需要手持查找、记录数百个切割点，不仅工作量大影响作业效率而且切割精度难以得到保证，尤其是当记录过程中毛坯的位置由于某种原因发生变化时，需要重新查找、记录所有的点，效率低。
激光视觉传感具有主动性、非接触、能获取物体的三维信息、自动跟踪等优点。能以每秒几十帧的速度采集图像并对其进行相应处理以保证精度在0.1mm毫米左右。但对于切割余量只需保证在3～8mm的切割系统而言，激光视觉系统在精度上对叶片加工的后续工序影响不大却需要较大的成本。此外由激光传感器发出的激光需要经过柱透镜、偏振片、滤光片等光学元件来获取特定波长的光并经过滤波、除噪等处理，最后进入摄像头成像，整个过程不仅对环境要求较高而且需要进行大量的数据、光学及图像处理影响工作效率。而且长时间的激光切割对光学器件损伤较大，增加成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于机器视觉及工业机器人的涡轮叶片激光切割系统，是利用机器视觉获取待切割涡轮叶片的图像信息并与完成切割工序后的理论轮廓曲线进行匹配，从而实现工业机器人带动激光切割器进行切割作业。
本发明所采用的技术方案为：一种基于机器视觉及工业机器人的涡轮叶片激光切割系统，包括工控机、龙门式机械平台、末端装载有激光切割器的工业机器人、图像采集模块以及多轴运动控制模块；所述的龙门式机械平台上夹装涡轮叶片毛坯；
所述的工控机通过PCI总线连接并控制多轴运动控制模块驱动装载有数字摄像头的X、Y轴滚珠丝杠平台运动；从而获取水平台上涡轮叶片毛坯的最佳图像信息。所述的数字摄像头拍摄涡轮叶片毛坯的图像信息并经过图像采集模块载入工控机中进行图像处理；
进一步的说，本发明所述的工控机内具有VC++平台；所述的数字摄像头拍摄的图像信息经图像采集卡被载入工控机的VC++平台上，以完成图像的增强与畸变校正图像处理工作，并显示在指定的坐标区域内；所述的工控机还具有三维造型环境，以获取叶片轮廓特征点的三维坐标。
本发明所述的工控机获取叶片轮廓特征点的三维坐标，在VC++平台上加载特征点数据，拟合叶片在xoy平面上的投影曲线并与叶片毛坯的图像进行特征匹配，输出匹配后的理论轮廓曲线上特征点的三维坐标至激光切割器的坐标系下作为切割路径，并以机器人控制柜能够识别的格式输出至控制柜实现机器人的激光切割作业。
再进一步的说，本发明所述的X、Y轴滚珠丝杠的滑台上载有光栅位移传感器，通过多轴运动控制模块实时向工控机反馈摄像头移动的距离；所述的X、Y轴滚珠丝杠的平台末端配有限位开关，当数字摄像头快要到达丝杠平台的极限位置时，限位开关的常开触点闭合，多轴运动控制模块发送运动停止指令，以避免超程碰撞。
依据机器人的逆运动学方程，由激光切割器坐标系下的切割点集的坐标及姿态求解出各切割点对应机器人各关节的关节角。对相邻两切割点对应的关节角进行圆弧插补，以插补后机器人的各关节角及步长为参数，编写机器人控制柜能够识别的文件并导入机器人控制柜以实现机器人带动激光切割器沿着切割轨迹点进行切割作业。
本发明的有益效果是：相对于示教再现机器人切割而言，本发明通过待切割叶片的图像信息与叶片的理论轮廓曲线进行匹配可一次性获取整个叶片的切割路径，不仅在效率上得到极大的提高而且匹配的精度在1mm左右，远高于人眼观察的精度且满足切割的精度要求；相对于激光视觉传感而言，本发明利用多轴运动控制卡驱动装载有摄像头的滚珠丝杠平台运动，通过识别叶片夹具上的标定点来快速的获取待切割叶片的最佳图像信息，不需要像激光视觉传感中那样实时获取图像信息减少了大量的数据、光学及图像处理工作保证了作业效率，同时摄像头在采集完图像后便可归位，减小了激光切割过程中对摄像头的损伤，不仅对作业环境要求较低且成本较低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的工作原理框图；
图3是本发明的工作流程图；
图中：1、叶片夹具；2、叶片毛坯；3、数字摄像头；4、X轴滚珠丝杠平台；5、Y轴滚珠丝杠平台；6、工业机器人；7、激光切割器。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种基于机器视觉及工业机器人的涡轮叶片激光切割系统，包括工控机、龙门式机械平台、末端装载有激光切割器的工业机器人、图像采集模块以及多轴运动控制模块；龙门式机械平台上设置叶片夹具，叶片夹具上夹装涡轮叶片毛坯。
图2所示的是本发明的工作原理框图：图中，工控机通过PCI总线控制多轴运动控制卡驱动装载有数字摄像头的X、Y轴滚珠丝杠平台运动，从而获取水平台上涡轮叶片毛坯的最佳图像信息。数字摄像头拍摄的图像信息经图像采集卡被载入工控机的VC++平台上，以完成图像的增强与畸变校正等图像处理工作，并显示在指定的坐标区域内。同时在工控机的三维造型环境下，按特定的算法获取叶片轮廓特征点的三维坐标。在VC++平台上加载特征点数据，拟合出叶片在xoy平面上的投影曲线并与叶片毛坯的图像进行特征匹配。输出匹配后的理论轮廓曲线上特征点的三维坐标至激光切割器的坐标系下作为切割路径，并以机器人控制柜能够识别的格式输出至控制柜实现机器人的激光切割作业。
本发明的具体工作流程如图3所示，包括以下步骤：
1、对装夹叶片毛坯的夹具进行标定，即对夹具上特征点比较明显的特征点进行标定，这些标定点为摄像头快速获取叶片图像信息及进行图像畸变校正的依据。
2、工控机通过PCI插槽与多轴运动控制卡相连，多轴运动控制卡通过轴向通道向伺服驱动器发送运动控制指令，从而驱动伺服电机带动装载有摄像头的X、Y轴滚珠丝杠平台做直线运动，以获取叶片毛坯的最佳图像信息。
3、X、Y轴滚珠丝杠的滑台上载有光栅位移传感器，通过运动控制卡实时向工控机反馈摄像头移动的距离；同时丝杠平台的末端配有限位开关，当摄像头快要到达丝杠平台的极限位置时，限位开关的常开触点闭合，运动控制卡发送运动停止指令，避免超程碰撞。
4、在工控机上安装图像采集卡驱动，并在VC++平台上通过创建摄像头类对象、设置模式、变换格式及线程同步等完成图像的采集工作。
5、通过判断图像中叶片夹具的标定点信息来确定摄像头是否获得较好的图像信息，并通过X、Y滚珠丝杠平台进行微调以获取满足精度条件的图像信息，并记录下此时摄像头的位置。
6、在VC++平台上，通过调节摄像头的增益参数及图像中的HIS颜色模型对图像中包含的亮度和色彩信息进行增幅即图像增强。
7、采用基于Tsai两步法的新型图像畸变校正算法对获取的叶片毛坯图像进行校正，该算法不仅通过求解摄像头的内外参数建立了3D世界坐标系与计算机2D图像坐标系之间的对应关系，而且避免了传统Tsai两步法对控制点选取精度要求较高等的限制，最后在VC++平台上指定的坐标区域内显示图像。
8、在工控机的三维造型环境下，导入完成切割工序后毛坯的理论三维造型。以特定的算法获取其空间轮廓曲线并按等圆弧插值算法提取轮廓特征点的三维坐标，以txt文档的格式输出。
9、在VC++平台上加载保存有特征点三维坐标的txt文档，用三次样条曲线拟合出叶片轮廓在xoy平面的投影曲线，与校正后的叶片毛坯图像进行特征匹配，即保证理论轮廓曲线完全包络在叶片毛坯图像中的前提下，寻找曲率最大的曲线段进行匹配或进行指定距离的偏移。
10、参照叶片夹具、摄像头成像系统、机器人以及机器人末端激光切割器之间的相对位置关系将匹配后的理论轮廓曲线上各特征点的坐标及姿态旋转、平移变换到激光切割器的末端坐标系下。
11、依据机器人的逆运动学方程，由激光切割器坐标系下的切割点集的坐标及姿态求解出各切割点对应机器人各关节的关节角。
12、对相邻两切割点对应的关节角进行圆弧插补，以插补后机器人的各关节角及步长为参数，编写机器人控制柜能够识别的文件并导入机器人控制柜以实现机器人带动激光切割器沿着切割轨迹点进行切割作业。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (3)

1.一种基于机器视觉及工业机器人的涡轮叶片激光切割系统，其特征在于：包括工控机、龙门式机械平台、末端装载有激光切割器的工业机器人、图像采集模块以及多轴运动控制模块；所述的龙门式机械平台上夹装涡轮叶片毛坯；
所述的工控机通过PCI总线连接并控制多轴运动控制模块驱动装载有数字摄像头的X、Y轴滚珠丝杠平台运动；所述的数字摄像头拍摄涡轮叶片毛坯的图像信息并经过图像采集模块载入工控机中进行图像处理；
所述的工控机获取叶片轮廓特征点的三维坐标后拟合叶片在xoy平面上的投影曲线并与叶片毛坯的图像进行特征匹配并将匹配后的三维坐标输出至激光切割器的坐标系下作为切割路径，再由工业机器人完成激光切割作业；
所述的X、Y轴滚珠丝杠的滑台上载有光栅位移传感器，通过多轴运动控制模块实时向工控机反馈摄像头移动的距离；所述的X、Y轴滚珠丝杠的平台末端配有限位开关，当数字摄像头快要到达丝杠平台的极限位置时，限位开关的常开触点闭合，多轴运动控制模块发送运动停止指令。
2.如权利要求1所述的一种基于机器视觉及工业机器人的涡轮叶片激光切割系统，其特征在于：所述的工控机内具有VC++平台；所述的数字摄像头拍摄的图像信息经图像采集卡被载入工控机的VC++平台上，以完成图像的增强与畸变校正图像处理工作，并显示在指定的坐标区域内；所述的工控机还具有三维造型环境，以获取叶片轮廓特征点的三维坐标。
3.如权利要求1所述的一种基于机器视觉及工业机器人的涡轮叶片激光切割系统，其特征在于：所述的工业机器人依据逆运动学方程，由激光切割器坐标系下的切割点集的坐标及姿态求解出各切割点对应机器人各关节的关节角。
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