CN108284388B - 一种视觉引导的智能力控磨抛装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能加工制造领域，并公开了一种视觉引导的智能力控磨抛装置。该装置包括磨抛视觉传感器、移动单元、力传感器、磨头和控制单元，移动单元与力传感器连接，其具有双自由度，用于带动末端磨头移动；力传感器用于检测末端磨头与待处理工件之间的接触力；视觉传感器对称设置在移动单元的两侧，用于监测待处理工件的三维结构、空间位置、磨头的位置和待处理工件表面的加工质量；控制单元与移动单元、力传感器和视觉传感器连接。通过本发明，磨抛智能化程度高，自适应性好，加工效率高，实现零件非结构化建模、位姿路径引导、自学习磨抛加工、质量检测一体化，有效实现避障，实现加工和检测经验的迁移，顺应零件在线全闭环加工检测。

Description

一种视觉引导的智能力控磨抛装置

技术领域

本发明属于智能加工制造领域，更具体地，涉及一种视觉引导的智能力控磨抛装置。

背景技术

在船舶、汽车、航空航天等领域中，许多核心零件都具有复杂的结构和曲面，这些结构相互干扰形成障碍，这些曲面不能由初等解析曲面组成，因此复杂结构曲面的高效高质量加工检测一直是国内外制造难题。

目前，针对复杂结构曲面的光整加工主要采用手工研磨和专机磨抛的方式，但人工劳动强度较大、加工效率低、磨抛余量不均匀、零件表面一致性受工人技术熟练程度影响很大，专机缺乏智能型、编程复杂、通用性差、顺应性不足，实际测量环节中，技术工人采用检测样板来规划磨抛加工余量及评估磨抛加工质量，样品检测效率低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种视觉引导的智能力控磨抛装置，通过视觉传感器、控制单元和磨头的设计和设置，通过视觉传感器监测待处理工件的三维结构及其空间位置、磨头的位置和待处理工件表面的加工质量，并反馈给控制单元进行信息处理，然后控制磨头的运动，由此解决磨抛过程的不智能化和磨抛质量差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种视觉引导的智能力控磨抛装置，其特征在于，该装置包括磨抛视觉传感器、移动单元、力传感器、磨头和控制单元，

所述移动单元与所述力传感器连接，其具有双自由度，同时，该移动单元与所述控制单元连接，其将自身当前的位置信息反馈给所述控制单元，并带动所述磨头在平面坐标系中沿X和Y轴方向移动；

所述力传感器设置在所述磨头上方，且与所述磨头电机相连，用于检测磨头与待处理工件之间的接触力；

所述视觉传感器对称设置在所述移动单元的两侧，其用于监测待处理工件的三维结构、待处理工件的空间位置、所述磨头的位置和待处理工件被磨抛装置磨抛后表面的加工质量；

所述控制单元与所述移动单元、力传感器和视觉传感器连接，所述视觉传感器、力传感器将监测得到的信息传递给所述控制单元，该控制单元根据该信息使得工业机器人或机床进行相应的运动，改变所述磨头的位置，实现所述磨头位置的粗调，另外，该控制单元还结合所述移动单元反馈的当前位置信息给出该移动单元的位置补偿量，该移动单元根据该位置补偿量运动并带动所述磨头运动，实现所述磨头位置的微调，进而实现所述磨头姿态、位置或与待处理工件之间的接触力的调整，由此完成磨抛中的智能控制。进一步优选地，所述磨抛装置还包括连接法兰，该连接法兰与所述移动单元连接，用于连接将磨抛装置与连接在机器人执行末端。

进一步优选地，所述移动单元包括两个呈正交设置的直线电机和移动平台，所述直线电机上设置有光电编码器，用于监测所述直线电机的位置并反馈给所述控制单元。

进一步优选地，所述磨头连接有磨头电机，与所述磨头连接，用于驱动所述磨头运动。

进一步优选地，所述视觉传感器采用工业相机，以拍照的方式进行采样，通过融合处理两台相机的数据，对非结构化三维环境建模。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过采用视觉传感器用于确定待处理工件空间位置，针对零件待加工区域实现在线模型构建，确定加工区域与加工路径，避免智能磨抛装置与加工零件发生干涉；用于监测磨头与加工零件表面的位置和方向关系，实现稳定线接触；用于检测加工完成后复杂结构曲面零件的表面质量，确定需要再次加工的子区域；实现了智能加工，不需要借助人工对不同结构的零件建模优化，也避免了机器人或机床复杂程序的编写，能够在不同结构零件之间可以经验和技术的迁移；

2、本发明通过采用移动单元，实现双自由度直线运动，定位精度高，反应迅速，能带动磨头在XY平面快速运动，以实现磨头与待加工工件之间的柔性接触，避免刚性接触所存在的加工冲击；

3、本发明通过采用力传感器用于检测所述磨头与所述工件之间的接触力，以实现对磨抛过程中的接触力及磨抛力的实时监测，保障磨抛力的稳定性；

4、本发明通过采用视觉传感器和力传感器将检测到的视觉信息和力信息传输给控制单元，控制单元根据接收到的视觉信息和力信息，结合采集的双自由度直线移动单元的位置信息，控制移动单元和磨头运动，智能控制加工，劳动强度较小，成本低，加工效率较高；

5、本发明提供的视觉引导的智能力控磨抛装置的结构简单，使用方便，灵活性及智能化程度较高，能够实现建模、加工、检测一体化，并且加工精度高。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的视觉引导的智能力控磨抛装置的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的移动单元的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的采用本发明提供的磨抛装置磨抛的待处理工件的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-连接法兰，2-移动单元，3-力传感器，4-磨头电机，5-磨头，6-相机支架，7-视觉传感器，8-直线电机(X向)，9-直线电机(Y向)，10-复杂结构曲面零件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的视觉引导的智能力控磨抛装置，采用视觉传感器实现复杂结构曲面零件的空间定位；采用视觉传感器实现对复杂结构曲面零件的待加工区域非结构化建模，确定加工区域的最优加工路径；采用视觉传感器实现磨头和复杂结构曲面零件之间的位置和方向关系实时监测，保证磨头和零件曲面的线接触并避免智能磨抛装置与加工零件之间发生干涉；采用视觉传感器对已加工表面进行检测，获取零件表面加工质量并确定需要再次加工的区域；采用力传感器捕获加工过程中的接触力，实现打磨、抛光过程中的力检测，通过自适应变阻抗力控来调整移动单元平台的进给量，实现稳定顺应的磨抛过程；采用磨头电机带动磨头磨抛复杂结构曲面零件；采用控制单元分析和处理来自于视觉传感器、力传感器和双自由度直线平台编码器的信息，并生成相应控制调整策略。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的视觉引导的智能力控磨抛装置的结构示意图，如图1所示，视觉引导的智能力控磨抛装置包括连接法兰1、移动单元2、力传感器3、磨头电机4、磨头5、相机连接杆6、视觉传感器7及控制单元，移动单元2连接法兰1及力传感器3，磨头电机4连接于力传感器3，磨头5可拆卸地连接于磨头电机4，相机连接杆6连接于移动单元2的固定端，视觉传感器7连接于相机连接杆6，控制单元分别连接于移动单元2、力传感器3、磨头电机4及视觉传感器7。

视觉传感器7用于确定复杂结构曲面零件10的空间位置，并对复杂结构曲面零件10待加工区域实时非结构化建模，并将该信息反馈给控制单元，确定最优加工路径；同时视觉传感器7还用于检测磨头6与的复杂结构曲面零件10相互位置和方向关系，并将该信息反馈给控制单元，控制单元控制双自由度平台2的运动，带动磨头6，实现磨头6和复杂结构曲面零件10之间的线接触并避免智能磨抛装置与复杂结构曲面零件10发生干涉；同时视觉传感器7还用于检测已加工复杂结构曲面零件10的加工质量，同时将信息反馈给控制单元，确定需要再次加工的区域，控制单元控制移动单元2和磨头电机5运动，对需要再次加工的子区域进行二次磨抛。

图2是按照本发明的优选实施例所构建的移动单元的结构示意图，如图2所示，移动单元2的一端通过连接法兰1连接于工业机器人、机床，另一端连接于力传感器3，移动单元2用于带动磨头5在XY平面内运动，以实现磨头5与复杂结构曲面零件10之间的柔性接触，避免了刚性接触导致的加工冲击及磨抛力过大等问题。

移动单元2包括两个正交构置的直线电机8和9，控制单元分别连接于两个直线电机8、9，其用于控制直线电机8、9的运动，进而控制平台在X方向及Y方向的移动；两个直线电机均采用光电编码器进行位置检测，光电编码器将检测到的对应的直线电机8、9的当前位置信息传输给控制单元。

力传感器3用于检测磨头5与复杂结构曲面零件10之间的接触力，以实现磨抛过程中接触力和磨抛力的实时监测，同时，力传感器3将检测到的接触力信息传输给控制单元，控制单元结合自适应变阻抗力控制算法调整移动单元的2的位置，调整磨头电机5及磨头6的位置，从而保证稳定顺应的恒力磨抛过程，减小工件的加工变形及加工区域的应力集中，保证磨抛一致性，提升磨抛精度。

磨头电机4连接力传感器3及磨头5，其用于驱动磨头5旋转，并提供稳定的转矩输出，保证磨头5具有一定的转速，从而辅助保证磨抛力的稳定性。

磨头5作为刀具实现对的复杂结构曲面零件10磨抛。

以下以整体叶盘的打磨及抛光为例对视觉引导的智能力控磨抛装置进行进一步的详细说明。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的采用本发明提供的磨抛装置磨抛的待处理工件的结构示意图，如图3所示，磨抛复杂结构曲面零件10开始时，视觉传感器7对复杂结构曲面零件10及其待加工区域拍照或扫描采样，并将视觉信息传输至控制单元，控制单元采用图像处理智能算法分析采集的数据，确定复杂结构曲面零件10的空间位置，并对复杂结构曲面零件10的待加工区域在线非结构化建模，确定最优加工路径，并分析得到最优打磨路径并将控制信号传输至工业机器人或者机床，工业机器人或机床带动磨头5根据得到的路径和控制信息，带动智能磨抛装置对复杂结构曲面零件10的叶片型面、进排气边、叶根、流道进行磨抛。

磨抛复杂结构曲面零件10过程中，视觉传感器7实时对磨头5和复杂结构曲面零件10进行拍照，分析磨头5与复杂结构曲面零件10之间的位置和方向关系，并将相应数据传输至控制单元，控制单元对磨头5与复杂结构曲面零件10位置和方向关系进行分析，一方面预测磨头5与复杂结构曲面零件10是否持续为线接触，若预测结果为可能发生偏离，则需要通过控制单元给到移动单元2补偿信号，实时调整确保稳定线接触；另一方面预测是否可能发生干涉，若预测有较高几率发生干涉，则控制单元自适应智能调整控制策略，控制移动单元2，带动磨头5微调，避免发生干涉。

打磨复杂结构曲面零件10过程中，力传感器3实时检测加工过程中磨头5与复杂结构曲面零件10之间的磨抛力与接触力，并将该信息反馈给控制单元，控制单元结合自适应变阻抗控制算法等控制移动单元2运动，保持磨头5与复杂结构曲面零件10加工表面恒力接触，实现稳定高效磨抛，并取得良好的表面一致性。

磨抛复杂结构曲面零件10完成后，视觉传感器7实时对复杂结构曲面零件10已加工表面进行拍照，并将信息反馈给控制单元，控制单元根据获取的数据分析的复杂结构曲面零件10已加工表面加工质量和效果，包括表面刀纹去除情况、表面缺陷、表面完整性，确定需要再次磨抛的子区域，生成子区域磨抛路径，控制工业机器人或机床带动智能磨抛装置，结合移动单元2和磨头电机4运动，再次利用上述方案磨抛，最终达到既定的表面加工质量要求。

本发明提供了的视觉引导的智能力控磨抛装置，其基于现有复杂结构曲面的光整加工特点，研究及设计了一种视觉引导的智能力控磨抛装置。视觉引导的智能力控磨抛装置的视觉传感器用于确定待加工复杂结构曲面零件空间位置、对复杂曲面结构零件待加工区域非结构化建模、监测磨头与复杂结构曲面零件之间的位置和方向关系、检测已加工区域表面质量，以实现引导智能磨抛装置运动、实现智能磨抛装置和复杂结构曲面零件之间避障、保障磨头与复杂曲面的稳定线接触、确定需要再次加工区域的视觉伺服闭环控制；双自由度直线平台用于带动磨抛装置在XY平面的运动，以实现磨头与复杂结构曲面零件之间的柔性接触，避免刚性接触所存在的加工冲击；力传感器用于检测智能磨抛装置与复杂结构曲面零件之间的接触力，以实现对磨抛过程中的接触力和磨抛力的稳定控制；视觉引导的智能力控磨抛装置实现了智能加工检测，能够在加工过程中实现自学习自适应并在不同结构工件之间实现经验和技能迁移，不局限于工件的结构和尺寸，型面精度及表面一致性较好，且工件加工质量不受人为因素影响。此外，通过视觉反馈和力反馈，实现磨抛过程中视觉伺服与力的闭环控制，通过相应算法调整智能磨抛装置宏观与微观的运动，从而保证避障和顺应的加工过程和在线检测反馈。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种视觉引导的智能力控磨抛装置，其特征在于，该装置其用于对现有复杂结构曲面零件的曲面进行光整加工，包括磨抛视觉传感器(7)、移动单元(2)、力传感器(3)、磨头(5)和控制单元，

所述移动单元(2)与所述力传感器(3)连接，其具有双自由度，同时，该移动单元与所述控制单元连接，其将自身当前的位置信息反馈给所述控制单元，并带动所述磨头在平面坐标系中沿X和Y轴方向移动；

所述力传感器(3)设置在所述磨头(5)上方，且与所述磨头电机相连，用于检测磨头与待处理工件之间的接触力，并将检测结果反馈给所述控制单元，该控制单元结合自适应变阻抗控制算法控制所述移动单元(2)运动，以此保持磨头(5)与复杂结构曲面零件(10)加工表面的恒力接触；

所述视觉传感器(7)对称设置在所述移动单元(2)的两侧，其用于监测待处理工件的三维结构、待处理工件的空间位置、所述磨头的位置和待处理工件被磨抛装置磨抛后表面的加工质量；视觉传感器(7)实时对磨头(5)和复杂结构曲面零件(10)进行拍照并传输至所述控制单元，控制单元根据所述拍照对磨头( 5) 与复杂结构曲面零件(10)位置和方向关系进行分析，一方面根据分析结果判断所述磨头(5)与复杂结构曲面零件(10)是否持续为线接触，通过控制单元给到所述移动单元(2)补偿信号，确保所述磨头(5)与复杂结构曲面零件(10)为稳定的线接触；另一方面根据分析结果判断所述磨头(5)与复杂结构曲面零件(10)是否发生干涉，并通过自适应变阻抗力控来调整所述移动单元带动磨头运动的进给量，避免所述磨头(5)与复杂结构曲面零件(10)发生干涉；

所述控制单元与所述移动单元(2)、力传感器(3)和视觉传感器(7)连接，所述视觉传感器、力传感器将监测得到的信息传递给所述控制单元，该控制单元根据该信息使得工业机器人或机床进行相应的运动，改变所述磨头的位置，实现所述磨头位置的粗调，另外，该控制单元还结合所述移动单元反馈的当前位置信息给出该移动单元的位置补偿量，该移动单元根据该位置补偿量运动并带动所述磨头运动，实现所述磨头位置的微调，进而实现所述磨头姿态、位置或与待处理工件之间的接触力的调整，由此完成磨抛中的智能控制。

2.如权利要求1所述的一种视觉引导的智能力控磨抛装置，其特征在于，所述磨抛装置还包括连接法兰(1)，该连接法兰与所述移动单元连接，用于将磨抛装置连接在机器人执行末端。

3.如权利要求1或2所述的一种视觉引导的智能力控磨抛装置，其特征在于，所述移动单元(2)包括两个呈正交设置的直线电机(8,9)和移动平台，所述直线电机上设置有光电编码器，用于监测所述直线电机的位置并反馈给所述控制单元。

4.如权利要求1所述的一种视觉引导的智能力控磨抛装置，其特征在于，所述磨头连接有磨头电机(4)，与所述磨头连接，用于驱动所述磨头运动。

5.如权利要求1所述的一种视觉引导的智能力控磨抛装置，其特征在于，所述视觉传感器(7)采用工业相机，以拍照的方式进行采样，通过融合处理两台相机的数据，对非结构化三维环境建模。