CN109405767B - 基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法，是采用二维激光轮廓测量仪结合切割机器人，首先对铸造件浇冒口的外轮廓和尺寸进行确认，然后再确定切割轨迹，包括步骤：1)首先用激光束沿铸造件浇冒口竖直截面照射，确定工件上表面上一点，并以此为基准确定加工平面的高度；再用激光束沿铸造件加工平面照射，记录三束光照射到浇冒口外轮廓上的三个点的位置；2)然后利用三点确定浇冒口外轮廓，计算圆心和半径；3)再换上切割刀具，根据自身参数以及浇冒口位置、外轮廓尺寸，确定进、退刀点和运行轨迹，沿加工平面切割。本发明可精确确定浇冒口轮廓以及进退刀轨迹，适合大批量非标准毛坯铸件浇冒口加工处理。

Description

基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法

技术领域

本发明涉及铸造件浇冒口的切割方法，属于铸造技术领域，具体是关于一种铸造件浇冒口形状、轮廓及切割轨迹确定的方法。

背景技术

现在的行业状况中，关于铸造件浇冒口形状、轮廓以及切割线确定方法一般分为两种。一种是针对尺寸较小的铝铸件，由于铸造精度比较高，一般采用固定路线的切割加工方式，即一次性对一整批同型号的铸件进行加工程序编译，而后对每一件个体都采用相同的程序进行非智能自动化加工；另一种是针对尺寸较大的铸件，由于铸造精度比较低，很难对同批次不同个体采用相同加工程序，故而只能选择采用人工手持砂轮机进行浇冒口切割以及打磨清理的方式。因而，无论针对精度高还是精度低，尤其是精度低的铸件，现行方法中，都没有能够采用对单一铸件浇冒口精确捕捉测量，进而按照测量结果确定轨迹，自动化编程切割的方式。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法，该方法利用二维激光轮廓测量仪首先在预设位置进行扫描后准确获取浇冒口外轮廓坐标值，并判断浇冒口形状和尺寸，然后再进行浇冒口切割轨迹计算。此方法实现了自动化操作，且切割轨迹准确，不会给浇冒口带来漏割、毛边等现象，相对于人工划线切割显然具有不可比拟的创新性，给行业技术带来了变革。

本发明解决以上技术问题所采取的技术方案如下：一种基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法，是采用二维激光轮廓测量仪结合切割机器人，首先对铸造件浇冒口的外轮廓和尺寸进行确认，然后再确定切割轨迹；

其中包括如下步骤：

1)首先将二维激光轮廓测量仪安装于切割机器人上，先用激光束沿铸造件浇冒口竖直截面照射，记录其中的一束光照射到铸造件上表面、且接近浇冒口位置的点A1的位置，并将此点向上H高的位置确定加工平面S的高度，加工平面S是垂直于浇冒口中心线的平面；

2)再用激光束沿铸造件加工平面S照射，记录其中三束光照射到浇冒口外轮廓上的三个点B1、B2、B3的位置；

3)然后利用B1、B2、B3三点对浇冒口外轮廓按圆形进行确定，并计算其圆心和半径；

4)在安装二维激光轮廓测量仪的位置换上切割刀具，然后根据切割刀具自身参数以及浇冒口位置、外轮廓尺寸，确定进、退刀点和运行轨迹，然后沿加工平面S进行切割。

其中，测量基于两个坐标系：

一，激光测量坐标系：激光测量坐标系为二维平面坐标系，以二维激光轮廓测量仪激光发射的起始点为原点O，以镜头法线方向为Z轴正半轴方向，面向测量仪前方时以Z轴向右的方向为X轴正半轴方向；

二，机器人世界坐标系：机器人世界坐标系为三维平面坐标系，以机器人固定底座底面中心为原点O’，铅锤于地面向上的方向为Z’轴正方向，站立于机器人处面向加工台时，右侧方向为X’轴正方向，面向加工台方向为Y’轴正方向；

记激光测量坐标系原点O在机器人世界坐标系下的偏移坐标记为O1(Xo1’，Yo1’，Zo1’)；切割刀具中心即为激光测量坐标系原点所在；

设A1、B1、B2、B3在激光测量坐标系下的坐标，分别记为A1(Xa1，Za1)、B1(Xb1，Zb1)、B2(Xb2，Zb2)、B3(Xb3，Zb3)；

则，B1、B2、B3在机器人世界坐标系下的坐标，分别记为：

B1’(Xb1’，Yb1’，Zb1’)，其中Xb1’＝Xo1’+Zb1，Yb1’＝Yo1’+Xb1；

B2’(Xb2’，Yb2’，Zb2’)，其中Xb2’＝Xo1’+Zb2，Yb1’＝Yo1’+Xb1；

B3’(Xb3’，Yb3’，Zb3’)，其中Xb3’＝Xo1’+Zb3，Yb1’＝Yo1’+Xb1；

Zb1’＝Zb2’＝Zb3’＝Z1’；

则，加工平面S在激光测量坐标系下的Z轴坐标记为：Za1+H；

加工平面S在机器人世界坐标系下的Z’轴坐标Z1’为：Z1’＝Zo1’-Za1+H。

进一步地，二维激光轮廓测量仪固定于机器人末端手部法兰处，机器人末端手部法兰初始位置在加工台正上方安全高度处，法兰法线方向向下，铅锤于地面。

进一步地，H的取值标准是，使刀具足以在加工平面S与浇冒口根部之间伸进但不会对铸件上表面造成伤害。

进一步地，激光束沿铸造件加工平面S照射时，激光测量坐标系Z轴正方向与机器人世界坐标系的X’轴正方向相同，激光测量坐标系X轴正方向与机器人世界坐标系的Y’轴正方向相同。

进一步地，B1、B2、B3三点选取如下：当激光束沿铸造件加工平面S照射时，一是选取与浇冒口外轮廓相交Z坐标最小的一点，二是选取与浇冒口外轮廓左右相切的两个切点。

进一步地，确定切割刀具进、退刀点和运行轨迹的方法是：

先建立四个机器人世界坐标系下的进、退刀点，分别为第一次切割的进刀点M1(Xm1’，Ym1’，Zm1’)，第一次切割的退刀点N1(Xn1’，Yn1’，Zn1’)，第二次切割的进刀点M2(Xm2’，Ym2’，Zm2’)，第二次切割的退刀点N2(Xn2’，Yn2’，Zn2’)；

以B1、B2、B3三点构造的圆方程为依据，其圆心在机器人世界坐标系内记为点G(Xg’，Yg’，Zg’)，圆半径记为R，设所选用切割刀具的半径为r，切割工作的最大进给量为h，则有M1、N1、M2、N2坐标分别如下：

Xm1’＝Xn1’＝Xg’+R+r-h

Xm2’＝Xn2’＝Xg’-(R+r-h)

Zm1’＝Zn1’＝Zm2’＝Zn2’＝Zg’

切割刀具平面中心点按M1-N1-M2-N2运行顺序移动。

本发明采用二维激光轮廓测量仪用于识别工件，具有设备体积小、检测精度高、图像处理功能齐全的优势；自主开发智能坐标转换算法，具有可针对常见浇冒口轮廓进行刀具轨迹规划的优势；适合大批量非标准毛坯铸件浇冒口加工处理，高效稳定；检测精度提高。

附图说明

图1是激光测量坐标系示意图；

图2是机器人世界坐标系示意图；

图3是第一扫描位置时激光测量仪与浇冒口的位置关系；

图4是铸件投影面上激光束以及其中一束激光的投影点A1的俯视图；

图5是第二扫描位置时激光测量仪与浇冒口的位置关系；

图6是第二次扫描时在投影面上方H高度处选择的加工平面S；

图7是第二次扫描时三个测量点的位置；

图8是第一次扫描时和第二次扫描时四个测量点的位置关系；

图9是切割轨迹图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的描述。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

本发明采用二维激光轮廓测量仪结合切割机器人，对铸造件浇冒口的轮廓和尺寸进行确定和测量。由于在浇铸加工中，浇冒口一般横截面为近似的圆形，且方向一般铅锤于地面，故本发明不考虑其他方式的浇冒口横截面形状及浇冒口方向。

测量前准备：

安装并固定二维激光轮廓测量仪于切割机器人上(二维激光轮廓测量仪固定于机器人末端手部法兰处)，建立两个坐标系、四个测量点和一个偏移量：

1.激光测量坐标系：如图1所示，二维激光轮廓测量仪的工作原理是从镜头处同时发射多束激光，呈扇形在同一扫描平面内分布，各束激光间距相同。当激光照射到物体时发生反射，并由接收装置接收反射光，根据接收的时间以获得物体与镜头的距离。

本发明按如下方式定义激光测量坐标系：

以激光发射的起始点，也就是镜头作为原点O；以镜头法线方向同时也就是各束激光中位置在最中间的一束激光的发射方向为Z轴正半轴方向；以测量仪所发射的各束激光形成的扇形面为基准，定义测量仪电缆所在的一侧为后方，与之相对的另一侧为前方；面对测量仪前方时以Z轴以右的方向为X轴正半轴方向，Z轴与X轴的交点即为原点O，且本发明面对测量仪前方对测量仪每次发射出的各束激光自左至右依次进行编号为：1～N。

2.机器人世界坐标系：如图2所示，机器人置于工作台旁边，设机器人手部初始位置在加工台正上方某一安全高度处，机器人末端手部法兰法线方向向下，铅锤于地面。以机器人固定底座底面中心作为原点O’，铅锤于地面方向向上为Z’轴正方向。以机器人固定底座为基准，面向加工台所在方向向右为X’轴正方向，面向加工台向前为Y’轴正方向。

3.确定浇冒口外轮廓四个测量点：常见浇冒口形状一般为圆柱或圆台，且在其根部与铸件本体相连接的部位常有铸造形成的圆角。该圆角在二维激光轮廓测量仪的测量下很难获得反射光，从而产生很大误差，测量时需要人为注意避让圆角。

因此，如图3所示，本发明以浇冒口根部所在的平面也就是铸件本体1的最上表面作为投影面P，第一次扫描时二维激光轮廓测量仪3在待检测浇冒口2正上方，激光测量坐标系Z轴垂直于该投影面扫描。取第一次扫描时激光束4中的某一束光照射在该投影面上的某一点A1作为第一测量点，该点尽量接近于浇冒口，但是避让开浇冒口根部的铸造圆角，如图4所示，记该点Z轴坐标为Za1，X轴坐标不需要，所以可以不记。以投影面P为基准，向上H高度处定义为加工平面S，如图6所示。A1点的Z轴坐标确定，则加工平面S上所有点的坐标将得以确定，均在Za1的基础上加上H即可。

二维激光轮廓测量仪固定于机器人末端手部法兰处，机器人进行动作，携带二维激光轮廓测量仪到达第二扫描位置，第二次扫描时激光束完全重合于加工平面S从浇冒口的侧面进行横向扫描。第二扫描位置为激光束组成的扇形平面完全重合于加工平面S，如图5、图6所示，加工平面S平行于投影面P，在距离投影面P上方H高度处，H的大小依切割刀具的厚度而定，原则上基本等于刀具厚度，保证刀具在投影面P与加工平面S之间能够伸进，且尽量平行且贴近浇冒口根部但不会对铸件表面造成伤害即可。

为简化算法，人为保证机器人的动作，使第二测量位置中的激光测量坐标系Z轴正方向与机器人世界坐标系的X’轴正方向相同，激光测量坐标系X轴正方向与机器人世界坐标系的Y’轴正方向相同。其实在实际操作中只要选择激光沿加工平面S照射即可，无论从浇冒口的哪个侧面方向照射都行。

第二次测量选取三个测量点，如图7所示，Z轴正方向面向浇冒口侧面，各束激光沿加工平面从侧向照射浇冒口后，(1)选取与浇冒口外轮廓相交Z坐标最小的一点，记为B1，记下B1点在激光测量坐标系下的坐标(Xb1，Zb1)；(2)选取自1号激光束起向N号激光束方向，第一束能与浇冒口外轮廓相切的激光与浇冒口外轮廓的切点，记为B2，记下B2坐标(Xb2，Zb2)；(3)自N号激光束起向1号激光束方向，第一束能与浇冒口外轮廓相切的激光与浇冒口外轮廓的切点，记为B3，记下B3坐标(Xb3，Zb3)。至此，四个测量点确定，A1在工件投影面P上，B1、B2、B3在浇冒口加工面S上，俯视图如图8所示。

4.确定一个偏移量：由于二维激光轮廓测量仪固定于机器人末端手部法兰处，所以在第一测量位置时即可读取激光测量坐标系原点O在机器人世界坐标系下的Z’坐标，记为Zo1’；在第二测量位置时即可读取激光测量坐标系原点O在机器人世界坐标系下的X’和Y’坐标，记为Xo1’、Yo1’。激光测量坐标系原点O在机器人世界坐标系下的偏移记为O1(Xo1’，Yo1’，Zo1’)。

测量步骤：

1.在机器人控制器中设置待检测浇冒口的第一扫描位置(激光束平行于浇冒口竖直截面也就是垂直于横截面)，当机器人携带二维激光轮廓测量仪运动到待检测浇冒口的第一扫描位置时，对工控机主控制器发送一个触发信号，用于控制器做出响应；

2.工控机主控制器检测到该触发信号后，对二维激光测量仪控制器发送测量任务相对应的指令，读取所有激光束的反馈高度信息，依据实际铸件本体在该投影区域内的形状，选取与浇冒口根部靠近且反馈高度数值最小的激光记录，该激光线在投影面上的测量点记为点A1，并记录其在激光测量坐标系中的Z坐标Za1；

3.让机器人动作，携带二维激光轮廓测量仪到达第二扫描位置，对工控机主控制器发送一个触发信号；

4.工控机主控制器检测到该触发信号后，对二维激光测量仪控制器发送测量任务相对应的指令，读取各束激光反馈高度信息，选取Z坐标最小的一点B1，记下坐标(Zb1，Xb1)；自1号激光束起向N号激光束方向，第一个能测量到浇冒口Z坐标的一点B2，记下坐标(Zb2，Xb2)；自N号激光束起向1号激光束，第一个能测量到浇冒口Z坐标的一点B3，记下坐标(Zb3，Xb3)；

测量后根据两次发射激光后的反馈数据，对浇冒口的外轮廓测量点进行坐标转换计算，方法如下：

将步骤2中获得的A1点Z坐标Za1，转换到机器人世界坐标系下，并记加工平面S上任一点在机器人世界坐标系下的Z’轴坐标Z1’为：Z1’＝Zo1’-Za1+H；

将步骤4中的三个测量点坐标，结合偏移量O1(Xo1’，Yo1’，Zo1’)，计算三点在机器人世界坐标系下的坐标：

B1’(Xb1’，Yb1’，Zb1’)，其中Xb1’＝Xo1’+Zb1，Yb1’＝Yo1’+Xb1；

B2’(Xb2’，Yb2’，Zb2’)，其中Xb2’＝Xo1’+Zb2，Yb1’＝Yo1’+Xb1；

B3’(Xb3’，Yb3’，Zb3’)，其中Xb3’＝Xo1’+Zb3，Yb1’＝Yo1’+Xb1；

Zb1’＝Zb2’＝Zb3’＝Z1’。

刀具轨迹计算：

在安装二维激光轮廓测量仪的位置换上切割刀具，刀具的中心是二维激光轮廓测量仪原点的位置。先建立四个机器人世界坐标系内刀具切割平面中心点移动轨迹的目标点：如图9所示，分别为第一次切割的进刀点M1，第一次切割的退刀点N1，第二次切割的进刀点M2，第二次切割的退刀点N2，切割围绕浇冒口按上述顺序进行，图中，刀具能切进浇冒口加工平面内的最大深度为最大进给量。

以B1，B2和B3构造的圆方程为依据(B1、B2、B3构造的圆就是浇冒口近似外轮廓)，其圆心在机器人世界坐标系内记录为点G(Xg’，Yg’，Zg’)，圆半径记录为R(根据B1’、B2’、B3’三点确定一个唯一的圆)。

设所选用切割刀具的半径为r，切割工作的最大进给量为h，则有M1、N1、M2、N2坐标分别如下：

Xm1’＝Xn1’＝Xg’+R+r-h

Xm2’＝Xn2’＝Xg’-(R+r-h)

Zm1’＝Zn1’＝Zm2’＝Zn2’＝Zg’。

Claims (7)

1.一种基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法，其特征在于：采用二维激光轮廓测量仪结合切割机器人，首先对铸造件浇冒口的外轮廓和尺寸进行确认，然后再确定切割轨迹，其中包括如下步骤：

1)首先将二维激光轮廓测量仪安装于切割机器人上，先用激光束沿铸造件浇冒口竖直截面照射，记录其中的一束光照射到铸造件上表面、且接近浇冒口位置的点A1的位置，并将此点向上H高的位置确定加工平面S的高度，加工平面S是垂直于浇冒口中心线的平面；

2)再用激光束沿铸造件加工平面S照射，记录其中三束光照射到浇冒口外轮廓上的三个点B1、B2、B3的位置；

3)然后利用B1、B2、B3三点对浇冒口外轮廓按圆形进行确定，并计算其圆心和半径；

4)在安装二维激光轮廓测量仪的位置换上切割刀具，然后根据切割刀具自身参数以及浇冒口位置、外轮廓尺寸，确定进、退刀点和运行轨迹，然后沿加工平面S进行切割。

2.根据权利要求1所述的基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法，其特征在于：测量基于两个坐标系，

一，激光测量坐标系：激光测量坐标系为二维平面坐标系，以二维激光轮廓测量仪激光发射的起始点为原点O，以二维激光轮廓测量仪镜头法线且激光发射方向为Z轴正半轴方向，面向测量仪前方时以Z轴向右的方向为X轴正半轴方向；

二，机器人世界坐标系：机器人世界坐标系为三维平面坐标系，以机器人固定底座底面中心为原点O’，铅锤于地面向上的方向为Z’轴正方向，站立于机器人处面向加工台时，右侧方向为X’轴正方向，面向加工台方向为Y’轴正方向；

记激光测量坐标系原点O在机器人世界坐标系下的偏移坐标记为O1(Xo1’，Yo1’，Zo1’)；切割刀具中心即为激光测量坐标系原点所在；

设A1、B1、B2、B3在激光测量坐标系下的坐标，分别记为A1(Xa1，Za1)、B1(Xb1，Zb1)、B2(Xb2，Zb2)、B3(Xb3，Zb3)；

则，B1、B2、B3在机器人世界坐标系下的坐标，分别记为：

B1’(Xb1’，Yb1’，Zb1’)，其中Xb1’＝Xo1’+Zb1，Yb1’＝Yo1’+Xb1；

B2’(Xb2’，Yb2’，Zb2’)，其中Xb2’＝Xo1’+Zb2，Yb1’＝Yo1’+Xb1；

B3’(Xb3’，Yb3’，Zb3’)，其中Xb3’＝Xo1’+Zb3，Yb1’＝Yo1’+Xb1；

Zb1’＝Zb2’＝Zb3’＝Z1’；

则，加工平面S在激光测量坐标系下的Z轴坐标记为：Za1+H；

加工平面S在机器人世界坐标系下的Z’轴坐标Z1’为：Z1’＝Zo1’-Za1+H。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法，其特征在于：

二维激光轮廓测量仪固定于机器人末端手部法兰处，机器人末端手部法兰初始位置在加工台正上方安全高度处，法兰法线方向向下，铅锤于地面。

4.根据权利要求2所述的基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法，其特征在于：H的取值标准是，使刀具足以在加工平面S与浇冒口根部之间伸进但不会对铸件上表面造成伤害。

5.根据权利要求2所述的基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法，其特征在于：激光束沿铸造件加工平面S照射时，激光测量坐标系Z轴正方向与机器人世界坐标系的X’轴正方向相同，激光测量坐标系X轴正方向与机器人世界坐标系的Y’轴正方向相同。

6.根据权利要求2所述的基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法，其特征在于：B1、B2、B3三点选取如下：当激光束沿铸造件加工平面S照射时，一是选取与浇冒口外轮廓相交Z坐标最小的一点，二是选取与浇冒口外轮廓左右相切的两个切点。

7.根据权利要求2或5或6所述的基于激光轮廓测量仪的铸造件浇冒口切割轨迹确定方法，其特征在于：确定切割刀具进、退刀点和运行轨迹的方法是：

先建立机器人世界坐标系下的四个进、退刀点，分别为第一次切割的进刀点M1(Xm1’，Ym1’，Zm1’)，第一次切割的退刀点N1(Xn1’，Yn1’，Zn1’)，第二次切割的进刀点M2(Xm2’，Ym2’，Zm2’)，第二次切割的退刀点N2(Xn2’，Yn2’，Zn2’)；

以B1、B2、B3三点构造的圆方程为依据，其圆心在机器人世界坐标系内记为点G(Xg’，Yg’，Zg’)，圆半径记为R，设所选用切割刀具的半径为r，切割工作的最大进给量为h，则有M1、N1、M2、N2坐标分别如下：

Xm1’＝Xn1’＝Xg’+R+r-h

Xm2’＝Xn2’＝Xg’-(R+r-h)

Zm1’＝Zn1’＝Zm2’＝Zn2’＝Zg’

切割刀具平面中心点按M1-N1-M2-N2运行顺序移动。

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