CN107052950A - 一种复杂曲面打磨抛光系统及方法 - Google Patents

一种复杂曲面打磨抛光系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复杂曲面打磨抛光系统及方法，所述系统包括三自由度机械手、视觉检测装置、振动传感器和三自由度工装平台。所述机械手的末端上有安装夹具，可安装油石、抛光轮和砂轮；视觉检测装置包括激光发生装置和双目摄像头，安装在机械手上，检测工件外形轮廓和粗糙度。工作时，将工件安装在三自由度工装平台上；视觉检测装置引导机械手对工件外形轮廓进行扫描，生成三维轮廓数据模型，并分析粗糙度；工作站上可进行抛光或打磨设置；进行打磨时，可通过三种方式进行设置：参考的三维数据模型与实测的工件三维数据模型比对、在实测的三维数据模型上用绘图工具进行修改、直接在实测的三维数据模型设置打磨数据。

Description

一种复杂曲面打磨抛光系统及方法
技术领域
本发明涉及一种打磨抛光系统，特别涉及一种基于视觉信息的复杂曲面的打磨抛光系统及方法。
背景技术
在制造业中，经常需要对工件进行打磨和抛光。工件外形简单或规则的情况下，用数控机床或磨床可以完成相应的打磨工作。但是，当工件外形是复杂曲面时，必须要由人工完成，而且对操作工人的熟练程度也有较高要求。
应用机器人的柔性，来进行打磨工作，是解决复杂曲面打磨抛光的自动化的一个路径。文献“基于复杂空间曲面加工的机器人磨削系统”(洪云飞等，中国机械工程，2006：150-153)采用激光测距仪对工件表面进行点测量，用六自由度机器人夹持工件在砂带上进行磨削；文献“基于复杂曲面加工的机器人砂带磨削系统的设计及其实验分析”(崔一辉等，中国机械工程，2009，20(10)：1144-1154)采用砂带进行磨削，用机器人夹持工件来进给；专利“一种自由曲面机器人打磨系统”(专利号CN103878666A)采用摄像头辅助工件定位，用六自由度机械手夹持砂轮进行磨削；专利“一种基于视觉信息的工业机器人磨削系统及方法”(专利号CN102120307)采用摄像头辅助机械手进行工件上下料。
以上文献和专利中，没有对工件外形轮廓的精确快捷的测量方法，也不能对工件表面粗糙度进行测量；机械手往往采用6自由度机械手，控制复杂、刚性差；要借助第三方商业软件进行路径规划，不易推广；对工件进行磨削时，需要提交一个参考数模，对缺少参考数模的非标准化工件的加工适应性差；没有应用振动传感器，往往采用力传感器来测量磨削过程力信息，响应不够及时。因此，本发明构建一种能实测工件外形轮廓和粗糙度的打磨抛光系统，并实现路径规划、打磨抛光过程的全自动化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决复杂曲面全自动打磨和抛光，可以实现在无参考数模情况下的打磨和抛光全自动化。对待加工的工件，系统对工件表面的轮廓和粗糙度进行测量，用户选择抛光或打磨，若选择抛光，需设置目标粗糙度，若选择打磨，需设置打磨量，系统自动进行路径规划，引导执行机构完成抛光或打磨工作。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种复杂曲面打磨抛光系统。图1是复杂曲面打磨抛光系统结构示意图，系统包括工作站、伺服驱动器、三自由度工业机械手、激光发生装置、摄像头、机械手末端夹具、三自由度工装平台、工装平台底座、振动传感器。工作站、伺服驱动器、机械手、摄像头、工装平台、振动传感器通过CAN总线进行连接。激光发生装置与摄像头构成视觉检测装置，引导机械手进行加工件轮廓检测和粗糙度检测；工作站获取轮廓检测值和粗糙度检测值，根据用户设置，产生打磨或抛光路径，生成控制信号给伺服驱动器，驱动机械手和工装平台。振动传感器测量打磨抛光过程中的振动信号，使机械手实时调整与工装平台在工作过程中的相对速度和距离。机械手末端夹具可安装油石、抛光轮进行抛光，也可安装砂轮进行打磨。三自由度工装平台安装在工装平台底座上，可以沿X向、Y向平移和绕Z轴旋转，共3个自由度。
工作站与各部件连接如图2所示，各部件间通过CAN总线通信，工作站软件功能模块包括工件表面粗糙度检测模块、工件表面轮廓生成模块、视觉及机械手标定模块、视觉检测模块、抛光路径规划、打磨路径规划、运动规划模块。工作站通过CAN总线获取工件表面轮廓高度信息及机械手移动坐标信息，工件表面轮廓生成模块产生工件轮廓数模，工件表面粗糙度模块产生粗糙度值；视觉及机械手标定模块实现摄像头和机械手标定流程；根据用户输入参数，抛光路径规划模块实现抛光路径规划，打磨路径规划模块实现打磨路径规划；运动规划模块实现运动规划。
进行视觉检测时，工件安装在工装平台上，机械手与工装平台在XY平面上进行相对位置平移，安装在机械手的激光发生装置投射光线在工件表面，摄像头检测光线在工件表面的变形量，得到工件表面各点的坐标值，通过将坐标值点的平滑分析得到工件表面的轮廓值，并通过对轮廓曲线拟合后的残差分析，得到工件表面粗糙度。
进行抛光设置时，用户可在工作站用户界面输入目标粗糙度值；进行打磨量设置时，(i)用户可在工作站用户界面输入目标数模，系统比较目标数模与实测数模的差值，(ii)也可在用户界面对实测数模进行修改，系统比较修改数模与实测数模的差值，(iii)也可采用参数化方法，在用户界面选定实测数模加工区域，系统将该区域进行网格化，将网格点坐标显示在界面上，用户对网格点坐标值进行打磨参数设置，系统根据用户的参数设置进行表面曲线平滑，比较修改后的坐标值与实测坐标值的差值。
进行于打磨抛光的路径规划时，系统基于实测工件的表面轮廓，计算加工表面各点的法向值，用SVM方法将法向值相近的相邻点轨迹找出来，并将其中与加工工具(油石、抛光轮、砂轮)发生干涉的点轨迹去除，生成打磨抛光的路径。
执行打磨抛光程序时，基于振动信号进行实时运动控制补偿，系统根据工作过程中振动传感器的信号，生成功率谱，分析功率谱特征，改变机械手和工装平台相对运动的速度和距离。
为了实现所述目的，本发明的第二方面是提供一种复杂曲面的打磨抛光方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤S1：视觉及机械手标定流程，机械手与工装平台相对运动，选取若干点在Z向接近，记录摄像头观测值及振动传感器冲击值，校正工装平台与机械手相对关系值及摄像头与机械手相对关系值；
步骤S2：视觉检测流程，将工件安装在工装平台上，机械手与工装平台相对运动，激光发生装置投射激光在工件表面，摄像头采集图像，计算各点的Z向高度值及记录其在XY坐标平面参数值；
步骤S3：工作站根据摄像头采集的点参数值，进行参数平滑n及曲线拟合，生成工件轮廓外形的数据模型及粗糙度值；
步骤S4：在工作站用户界面上选择抛光或是打磨，若是选择抛光，用户在步骤S4a输入目标粗糙度值，若是选择打磨，在步骤S4b有三种方式来设置打磨量，分别是(i)用户输入目标数模，系统比对目标数模与实测数模的差值(ii)用户在图形界面上对实测数模进行修改，系统比对修改数模与实测数模的差值(iii)用户在图形界面上选定实测数模上要打磨的区域，系统将该区域进行网格划分，将网格点坐标值显示在用户界面上，用户对坐标值进行修改，系统将修改值进行平滑，生成修改值与实测数模的差值；
步骤S5：在工作站用户界面选择抛光用的油石/抛光轮或打磨用砂轮型号，并将对应加工工具安装在机械手末端夹具上；
步骤S6：系统进行路径规划，找出法向值相近的相邻点的轨迹，并将与加工工具(油石、抛光轮、砂轮)发生干涉的点轨迹去除，生成打磨抛光的路径；
步骤S7：系统进行运动规划，产生机械手和工装平台各自由度的运动指令，同时在工作过程中，根据安装在机械手上的振动传感器采集的振动信号进行运动补偿；
步骤S8：系统通过伺服驱动器驱动机械手和工装平台的运动，同时安装在机械手上的振动传感器采集振动信号；
步骤S9：一个打磨抛光工序完成后，判断是否需要继续打磨抛光，若需要，返回步骤S5；
步骤S10：机械手和工装平台复位。
本发明的有益效果，主要表现在：采用激光发生器和摄像头构成的视觉检测装置，对工件外形轮廓坐标参数进行测量，生成外形轮廓数模和粗糙度值，可应用于打磨和抛光的实测输入；灵活的打磨参数设置方法，在无标准数模时也能使用；自动进行路径规划；对打磨过程进行振动监测，并进行运动补偿。
本发明的优点是：用视觉进行外形轮廓检测，速度快且采样点数相对激光测量丰富，而且可以生成工件表面粗糙度值；采用三自由度机械手和三自由度工装平台，减少了采用6自由度机械手控制的复杂度；即可以用于打磨，也可用于抛光，应用范围广；自动的路径规划和运动规划，实现规划全自动化；打磨设置有多种方式，操作员不会数模绘图软件工具也能操作；对打磨抛光过程进行振动监测，防止异常情况发生，并通过运动补偿提高打磨抛光的完成效果。
附图说明
图1为复杂曲面打磨抛光系统的结构示意图；
图2为工作站与各模块的连接及工作站内的软件功能模块示意图；
图3为本发明的应用于复杂曲面的打磨抛光方法的流程图；
图4为本发明的实施实例的抛光/打磨操作流程图。
图中主要部件说明：
工作站1、伺服驱动器2、三自由度工业机械手3、激光发生装置4、摄像头5、机械手末端夹具6、三自由度工装平台7、工装平台底座8、振动传感器9
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、优点更加详细明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步的详细说明。
如图1所示，复杂曲面抛光打磨系统包括工作站(1)、伺服驱动器(2)、三自由度工业机械手(3)、激光发生装置(4)、摄像头(5)、机械手末端夹具(6)、三自由度工装平台(7)、工装平台底座(8)、振动传感器(9)。工作站(1)、伺服驱动器(2)、机械手(3)、摄像头(5)、工装平台(7)、振动传感器(9)，通过CAN总线进行通信。激光发生装置(4)与摄像头(5)构成视觉检测装置，引导机械手(3)进行加工件轮廓检测和粗糙度检测；工作站(1)获取轮廓检测值和粗糙度检测值，根据用户设置，产生打磨或抛光路径，生成控制信号给伺服驱动器(2)，驱动机械手(3)和工装平台(7)。振动传感器(9)测量打磨抛光过程中的振动信号，使机械手(3)实时调整与工装平台(7)在工作过程中的相对速度和距离。机械手末端夹具(6)可安装油石、抛光轮进行抛光，也可安装砂轮进行打磨。三自由度工装平台(7)安装在工装平台底座(8)上，可以沿X向、Y向平移和绕Z轴旋转，共3个自由度。
工作站(1)选用符合工业现场应用标准的工业控制计算机，伺服驱动器(2)选用交流电机伺服驱动器，机械手(3)选用3-R结构并联机械手，激光发生装置(4)选用一维激光投射装置，摄像头(5)选用带DSP信号处理功能的双目摄像头，工装平台(7)和工装平台底座(8)间通过丝杆导轨和旋转台实现X、Y向平移和Z向旋转三个自由度。振动传感器(9)选用三维振动传感器，频率范围10Hz-1000Hz。
如图4所示，本发明的实施实例的抛光打磨操作流程包括如下步骤：
步骤ES1：开机，启动系统；
步骤ES2：若是首班次，进行系统标定流程，否则进入步骤ES5；
步骤ES3：操作员启动机械手及视觉标定程序，机械手移动，系统测量机械手末端与工装平台、摄像头与工装平台相对位置；
步骤ES4：若是超出系统自校正容许误差限值，提示操作员进行手动调节，调节完成后返回ES3；
步骤ES5：操作员安装等待加工工件到工装平台上；
步骤ES6：启动轮廓、粗糙度检测程序，机械手相对工装平台移动，激光发生装置投射激光，摄像头采集图像，计算工件各点坐标值，系统生成工件外形数模和粗糙度值；
步骤ES7：若是工件测量值符合要求，操作员取出工件，否则进入下一步；
步骤ES8：操作员在工作站界面选择抛光的目标粗糙度或打磨的打磨量；
步骤ES9：操作员在工作站界面选择抛光用的油石、抛光轮或打磨用的砂轮；
步骤ES10：操作员安装抛光用的油石、抛光轮或打磨用的砂轮到机械手末端；
步骤ES11：操作员启动抛光或打磨程序；
步骤ES12：抛光/打磨程序执行完成，回到步骤ES6。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种用于复杂曲面打磨抛光的系统，其特征在于，系统包括工作站(1)、伺服驱动器(2)、三自由度工业机械手(3)、激光发生装置(4)、摄像头(5)、机械手末端夹具(6)、三自由度工装平台(7)、工装平台底座(8)、振动传感器(9)。工作站(1)、伺服驱动器(2)、机械手(3)、摄像头(5)、工装平台(7)、振动传感器(9)，模块间通过CAN总线进行通信。激光发生装置(4)与摄像头(5)构成视觉检测装置，引导机械手(3)进行加工件轮廓检测和粗糙度检测；工作站(1)获取轮廓检测值和粗糙度检测值，根据用户设置，产生打磨或抛光路径，生成控制信号给伺服驱动器(2)，驱动机械手(3)和工装平台(7)。振动传感器(9)测量打磨抛光过程中的振动信号，使机械手(3)实时调整与工装平台(7)在工作过程中的相对速度和距离。机械手末端夹具(6)可安装油石、抛光轮进行抛光，也可安装砂轮进行打磨。三自由度工装平台(7)安装在工装平台底座(8)上，可以沿X向、Y向平移和绕Z轴旋转，共3个自由度。
2.根据权利要求1所述的用于复杂曲面打磨抛光系统，其特征在于工作站通过CAN总线与外部模块通信，工作站软件功能模块包括工件表面粗糙度检测模块、工件表面轮廓生成模块、视觉及机械手标定模块、视觉检测模块、抛光路径规划、打磨路径规划、运动规划模块。通过CAN总线获取工件表面高度信息及机械手移动坐标信息，工件表面轮廓生成模块产生工件表面数模，工件表面粗糙度模块产生粗糙度值；视觉及机械手标定模块实现摄像头和机械手标定流程；根据用户输入参数，抛光路径规划模块实现抛光路径规划，打磨路径规划模块实现打磨路径规划；运动规划模块实现运动规划。
3.根据权利要求1所述的用于复杂曲面打磨抛光系统，其特征在于工件表面轮廓和粗糙度的视觉检测方法，工件安装在工装平台(7)上，机械手(3)与工装平台(7)在XY平面上进行相对位置平移，安装在机械手的激光发生装置(4)投射光线在工件表面，摄像头(5)检测光线在工件表面的变形量，得到工件表面各点的坐标值，通过将坐标值点的平滑分析得到工件表面的轮廓值，并通过对轮廓曲线拟合后的残差分析，得到工件表面粗糙度。
4.根据权利要求1所述的用于复杂曲面打磨抛光系统，其特征在于用户进行打磨设置的参数化方法，用户在视觉检测到工件表面轮廓数模选定加工区域，系统将该区域进行网络化，将网格点坐标显示在用户界面上，用户对网格点坐标值进行打磨参数设置，系统根据用户的参数设置进行表面曲线平滑。
5.根据权利要求1所述的用于复杂曲面打磨抛光系统，其特征在于打磨抛光的路径规划方法，系统基于实测工件的表面轮廓，计算加工表面各点的法向值，用SVM方法将法向值相近的相邻点轨迹找出来，并将其中与加工工具(油石、抛光轮、砂轮)发生干涉的点轨迹去除，生成打磨抛光的路径。
6.根据权利要求1所述的用于复杂曲面打磨抛光系统，其特征在于基于振动信号的抛光打磨过程实时运动控制补偿方法，系统根据工作过程中振动传感器(9)的信号，生成功率谱，分析功率谱特征，改变机械手和工装平台相对运动的速度和距离。
7.根据权利要求1所述的用于复杂曲面打磨抛光系统，其特征包括以下工作步骤：
步骤S1：视觉及机械手标定流程，机械手(3)与工装平台(7)相对运动，选取若干点在Z向接近，记录摄像头(5)观测值及振动传感器(9)冲击值，校正工装平台(7)与机械手(3)相对关系值及摄像头(5)与机械手(3)相对关系值；
步骤S2：视觉检测流程，将工件安装在工装平台(7)上，机械手(3)与工装平台(7)相对运动，激光发生装置(4)投射激光在工件表面，摄像头(5)采集图像，计算各点的Z向高度值及记录其在XY坐标平面参数值；
步骤S3：工作站根据摄像头采集的点参数值，进行参数平滑及曲线拟合，生成工件轮廓外形的数据模型及粗糙度值；
步骤S4：在工作站用户界面上选择抛光或是打磨，若是选择抛光，用户在步骤S4a输入目标粗糙度值，若是选择打磨，在步骤S4b有三种方式来设置打磨量，分别是(i)用户输入目标数模，系统比对目标数模与实测数模的差值(ii)用户在图形界面上对实测数模进行修改，系统比对修改数模与实测数模的差值(iii)用户在图形界面上选定实测数模上要打磨的区域，系统将该区域进行网格划分，将网格点坐标值显示在用户界面上，用户对坐标值进行修改，系统将修改值进行平滑，生成修改值与实测数模的差值；
步骤S5：在工作站用户界面选择抛光用的油石/抛光轮或打磨用砂轮型号，并将对应加工工具安装在机械手(3)末端夹具上；
步骤S6：系统进行路径规划，找出法向值相近的相邻点的轨迹，并将与加工工具(油石、抛光轮、砂轮)发生干涉的点轨迹去除，生成打磨抛光的路径；
步骤S7：系统进行运动规划，产生机械手(3)和工装平台(7)各自由度的运动指令，同时在工作过程中，根据安装在机械手(3)上的振动传感器采集的振动信号进行运动补偿；
步骤S8：系统通过伺服驱动器驱动机械手(3)和工装平台(7)的运动，同时安装在机械手(3)上的振动传感器采集振动信号；
步骤S9：一个打磨抛光工序完成后，判断是否需要继续打磨抛光，若需要，返回步骤S5；
步骤S10：机械手(3)和工装平台(7)复位。
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