CN109454501A - 一种车床在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车床在线监测系统，包括设置在车床上的机器人，包括以下步骤：a：机器人为车床上料后命令车床开始加工工件；b：车床加工完成后，发出加工完成信号并将信号传送给机器人；c：机器人收到信号后对工件进行视觉检测，并为车床下料；若工件不合格，机器人发出信号，为车床提供下一次加工的补偿数据；d：重复上述步骤，直至达到约束条件；本发明通过视觉装置识别物体表面特征，测量尺寸，并捕捉物体坐标，机器人利用视觉装置中获取的坐标走位，达到指定位置后控制夹爪抓取物体，根据测量的尺寸及表面特征情况，放入指定的位置，达到分选功能。

Description

一种车床在线监测系统

技术领域

本发明涉及车床加工技术领域，具体涉及一种车床在线监测系统。

背景技术

作为一种人类最伟大的发明，机器人技术已经在短短几十年取得了很大的进步。所以机器人技术已成为制造业中不可缺少的核心技术，工业机器人不仅成为一个工厂的工人在工厂不可或缺的合作伙伴，并正以惊人的速度向军事、服务、娱乐和航空航天等领域人类生活以及工作的各个领域内渗透。

在中国的工业机器人的发展历史已经超过20年，不仅在机器人的基础理论与关键技术中取得重大突破，并在工业机器人方面，已经逐步掌握了弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、等不同用途的机的核心技术，一个典型的工业机器人，机器人市场的需求即将进入繁荣期，中国潜在的巨大机械已经在早期的生产与市场需求的出现，工业机器人可以代替更昂贵的劳动力，同时可以提高工作效率和产品质量。工业机器人正朝着智能化方向发展，工业机器人将成为未来世界经济增长和技术尖端。

从国内市场来看，制造业相关的公司及企业很难招到员工，面对这样的处境，很多的企业会马上向自动化生产线方面发展，其中自动化成套生产线受到了很多公司的青睐，而这其中的核心技术就是机器人技术；在生产线上，让人类做诸多的测量和现象以及对问题的判断，会导致操作疲劳、人因差异等因素造成的误差和误差，这显然不利于生产。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种车床在线检测系统，可以对车床加工的工件进行检测及分选，提高了工作效率，解放了生产力。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种车床在线监测系统，包括设置在车床上的机器人，包括以下步骤：

a：机器人为车床上料后命令车床开始加工工件；

b：车床加工完成后，发出加工完成信号并将信号传送给机器人；

c：机器人收到信号后对工件进行视觉检测，并为车床下料；若工件不合格，机器人发出信号，为车床提供下一次加工的补偿数据；

d：重复上述步骤，直至达到约束条件

作为本发明的一个优选的技术方案：所述机器人为六自由度机器人，包括末端执行器；所述末端执行器包括夹爪，所述末端执行器上设置有视觉装置，用于进行视觉检测；所述视觉装置包括摄像机、镜头和光圈，所述摄像机与工控机相连接，所述工控机与PLC相连接，所述PLC用于控制车床和机器人。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述步骤c中机器人收到信号后对工件进行视觉检测的步骤为：首先通过摄像机获取工件的图像；其次通过工控机计算得出工件的尺寸测量结果和逻辑控制值。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述摄像机获得的工件图像为黑白图像；所述工控机首先通过轮廓提取算法提取工件的外轮廓线，所述外轮廓线提取算法为梯度算法或者拉普拉斯-高斯锐化或者Canny边缘检测算法；其次通过直线判别算法获取检测需求要求的尺寸数据；所述直线判别算法为Hough变换、直线拟合；最后根据预先用标定板标定的像素/距离关系参数，换算出需要检测的几何参数，从而得出工件的尺寸测量结果和逻辑控制值。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述步骤c中车床下料的具体方法为：所述机器人由初始位置运动到指定区域顶部后，向视觉装置发出拍照指令；视觉装置获取工件的位置坐标后回馈给机器人；机器人运动到工件的位置坐标的上方，视觉装置对工件进行尺寸检测的同时，打开夹爪；机器人垂直向下运动，达到抓取位置后，驱动夹爪关闭。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述初始位置测量平台上方；所述视觉装置获取工件的位置坐标的过程为：当工件进入到摄像机的视野中时，设置计时器，每1秒钟一个图像触发了相机的采集功能，图像约大小为640×480，采用模板匹配的方法来确定工件的重心位置，通过两帧确定的工作图像位移与拍摄时间确定工件的速度；采用卡尔曼滤波来预测下一个时钟周期工件的位置，并对机器人的运动轨迹规划，使工件运动到待抓取位置时，机器人的末端执行器上位置和目标位置重叠，逆解对机器人的位姿信息动态转换到熟悉的工业机器人关节角和信息角度的控制，从而实现利用视觉引导机器人来准确的抓取工件。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述步骤c中机器人为车床下料后根据分拣条件进行分拣。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述分拣条件为机器人根据已抓取工件的放置要求将工件的定位放置。

作为本发明的一个优选的技术方案：所述摄像机为Basler acA 1300-60gm型摄像机，所述镜头为Computar Lens M0814-MP2F1.4f8mm 2/3＂型镜头，所述工控机内加载有NI视觉软件。

本发明具有以下有益效果：

1、通过视觉装置识别物体表面特征，测量尺寸，并捕捉物体坐标，机器人利用视觉装置中获取的坐标走位，达到指定位置后控制夹爪抓取物体，根据测量的尺寸及表面特征情况，放入指定的位置，达到分选功能。

2、机器人视觉装置是非接触性测量，非接触测量可以保证观测器和观察器都不产生任何损伤的前提下，从而有效地提高系统的可靠性。具有广泛的光谱响应，如人眼无法看到的红外光的测量，通过视觉装置扩展人眼的视觉范围；可以长期稳定有效的工作，人类已无法保证对同一物体进行长时间的观测和测量，而机器视觉可以在很长一段时间内进行测量，如分析和识别任务。

附图说明

图1为本发明结构流程框图；

图2为本发明末端执行器结构示意图；

图3为视觉装置软件设计流程；

图4为视觉装置数据传输流程；

图2中：5、视觉装置，8、夹爪，9、摄像机，10、镜头，11、LED圆形光源。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合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。

如图1-图2所示，本发明实施例提供了一种车床在线监测系统，包括设置在车床上的机器人，包括以下步骤：

a：机器人为车床上料后命令车床开始加工工件；

b：车床加工完成后，发出加工完成信号并将信号传送给机器人；

c：机器人收到信号后对工件进行视觉检测，并为车床下料；若工件不合格，机器人发出信号，为车床提供下一次加工的补偿数据；

其中，机器人收到信号后对工件进行视觉检测的步骤为：

首先通过摄像机获取工件的黑白图像图像；

其次通过工控机计算得出工件的尺寸测量结果和逻辑控制值；具体方法为：工控机首先通过轮廓提取算法提取工件的外轮廓线，外轮廓线提取算法为梯度算法或者拉普拉斯-高斯锐化或者Canny边缘检测算法；其次通过直线判别算法获取检测需求要求的尺寸数据；直线判别算法为Hough变换、直线拟合；最后根据预先用标定板标定的像素/距离关系参数，换算出需要检测的几何参数，从而得出工件的尺寸测量结果和逻辑控制值；

车床下料的具体方法为：机器人由初始位置运动到指定区域顶部后，向视觉装置发出拍照指令；视觉装置获取工件的位置坐标后回馈给机器人；机器人运动到工件的位置坐标的上方，视觉装置对工件进行尺寸检测的同时，打开夹爪；机器人垂直向下运动，达到抓取位置后，驱动夹爪关闭；初始位置为测量平台上方；视觉装置获取工件的位置坐标的过程为：当工件进入到摄像机的视野中时，设置计时器，每1秒钟一个图像触发了相机的采集功能，图像约大小为640×480，采用模板匹配的方法来确定工件的重心位置，通过两帧确定的工作图像位移与拍摄时间确定工件的速度；采用卡尔曼滤波来预测下一个时钟周期工件的位置，并对机器人的运动轨迹规划，使工件运动到待抓取位置时，机器人的末端执行器上位置和目标位置重叠，逆解对机器人的位姿信息动态转换到熟悉的工业机器人关节角和信息角度的控制，从而实现利用视觉引导机器人来准确的抓取工件；

机器人为车床下料后，机器人根据已抓取工件的放置要求将工件的定位放置，实现分选功能；

d：重复上述步骤，直至达到约束条件。

上述中，机器人主要包含了主体、控制系统以及驱动系统等三个基本部分。各个部分含义如下所述：主体：主体包括了机座以及执行机构；控制系统：控制系统是工业机器人和致动器驱动系统控制程序的原始输入按不同的指令信息，并传送到控制和操作机器人控制的系统上末端处理中心，在这里要注意的是，作为一个“大脑”的工业机器人的控制系统，是确定机器人的功能和性能的主要因素；驱动系统：驱动系统包括动力装置和传动机构，驱动系统的主要目的是使执行机构产生相应的动作。

机器人控制技术的主要目的和任务是控制工业机器人在工作中各个动作的位置、轨迹、动作顺序和时间机器人；本发明中机器人4优选为六自由度的UR3机器人，包括主体、控制系统以及驱动系统，主体包括了机座以及执行机构，控制系统与控制装置相连接，控制系统通过驱动系统来控制主体的运动，机器人连接有末端执行器；末端执行器包括夹爪8，末端执行器上设置有视觉装置5，用于进行视觉检测；

UR3机器人具有6个旋转关节，复定位精度0.03mm，15种先进的可调的安全功能，有效载荷3kg,直线运动速度1m/s,旋转运动速度±180°/s，重量约为11公斤，易于控制，使用方便，易于编程，可应用于工厂很多种生产线上。

视觉装置简单的说就可以用三个既相互独立但是又相互联系的模块来概括，这三个模块分别是：目标物图像的采集、图像的处理以及指令的发出；机器人视觉装置主要包括图像采集和视觉处理的硬件部分，这两部分中包括图像采集系统、照明系统、模数转换器、视觉传感器和帧存储器等。根据功能，机器人视觉可分为视觉检测和视觉引导；视觉装置的硬件部分主要由镜头、摄像机、控制装置、图像采集卡以及输入输出单元等构成；数据传输流程如附图4所示；视觉装置的软件部分的设计可以说是至关重要的，在如今这个信息化的大趋势下，智能控制的发展越来越依靠于软件方面的应用了。软件的设计流程如图3所示，视觉装置的软件部分的设计的完成还要对其鲁棒性进行一系列的检测和提高，以保证可以适应各种复杂的外部环境，鲁棒性通俗的讲就是系统的健壮性；视觉检测的主要过程为：当工件的定位探测器检测到物体移动到摄像机系统附近的视场中心时，它将会向图像采集部分发送一个触发脉冲。

图像采集部分根据原程序和延时分别向摄像机和照明系统发送相应的启动脉冲。

相机在停止当前扫描后，将在新一轮的扫描中进行，或者相机在启动前脉冲到达等待状态，开始脉冲到达，开始帧扫描。

在开始新的帧扫描之前，相机需要打开曝光机制，曝光时间可以提前设定。

此时，另一个启动脉冲将打开灯的照明，和打开时间的灯光将需要匹配的曝光时间的相机。

相机曝光后，将会对图像进行正式的扫描和输出。

图像采集部分在接收模拟视频信号或视频数字化后直接进行数字处理后变成数字视频数据。

图像采集部将数字图像存储在处理器或计算机的存储器中。

处理器通过对图像进行处理、识别和分析，获得测量结果和逻辑控制值。

加工结果可以控制装配线的流动和定位校正运动的误差。

如图2所示，本实施例中，视觉装置5通过支架设在末端执行器上，包括摄像机9、工控机，摄像机9上设置有镜头10以及LED圆形光源11；摄像机9与工控机相连接。摄像机9为Basler acA 1300-60gm型CCD摄像机，镜头10为Computar Lens M0814-MP2 F1.4 f8mm 2/3＂型镜头，使得镜头的工作距离约500mm，视场区域约500mm×400mm，相机靶面1/1.8＂完全可以适应所述在的工作环境。

工控机为研华/研祥工控机，配置有CPUi3，内存4G，硬盘500G,千兆网卡VGA,主要负责接收采集的图像信息并利用图像处理算法来完成对工件的识别，并将其转换为机器人控制信号来控制机器人末端执行器的实际位置；安装系统选用美国国家仪器NI视觉软件，使用软件开发工具包中的各种图像处理算法的集成，二次开发的C#语言环境，通过CCD摄像机获取工件的输送带图像，并进行了一系列的图像预处理、模式匹配、建筑模板和姿态估计的步骤，如工件尺寸进行提取和识别的表面特征和动态变化的机械手抓取操作，提供人机合作机器人抓指导运动，实现了分离操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种车床在线监测系统，包括设置在车床上的机器人，其特征在于：包括以下步骤：

a：机器人为车床上料后命令车床开始加工工件；

b：车床加工完成后，发出加工完成信号并将信号传送给机器人；

c：机器人收到信号后对工件进行视觉检测，并为车床下料；若工件不合格，机器人发出信号，为车床提供下一次加工的补偿数据；

d：重复上述步骤，直至达到约束条件。

2.根据权利要求1所述的一种车床在线监测系统，其特征在于：所述机器人为六自由度机器人，包括末端执行器；所述末端执行器包括夹爪，所述末端执行器上设置有视觉装置，用于进行视觉检测；所述视觉装置包括摄像机、镜头和光圈，所述摄像机与工控机相连接，所述工控机与PLC相连接，所述PLC用于控制车床和机器人。

3.根据权利要求2所述的一种车床在线监测系统，其特征在于：所述步骤c中机器人收到信号后对工件进行视觉检测的步骤为：首先通过摄像机获取工件的图像；其次通过工控机计算得出工件的尺寸测量结果和逻辑控制值。

4.根据权利要求3所述的一种车床在线监测系统，其特征在于：所述摄像机获得的工件图像为黑白图像；所述工控机首先通过轮廓提取算法提取工件的外轮廓线，所述外轮廓线提取算法为梯度算法或者拉普拉斯-高斯锐化或者Canny边缘检测算法；其次通过直线判别算法获取检测需求要求的尺寸数据；所述直线判别算法为Hough变换、直线拟合；最后根据预先用标定板标定的像素/距离关系参数，换算出需要检测的几何参数，从而得出工件的尺寸测量结果和逻辑控制值。

5.根据权利要求2所述的一种车床在线监测系统，其特征在于：所述步骤c中车床下料的具体方法为：所述机器人由初始位置运动到指定区域顶部后，向视觉装置发出拍照指令；视觉装置获取工件的位置坐标后回馈给机器人；机器人运动到工件的位置坐标的上方，视觉装置对工件进行尺寸检测的同时，打开夹爪；机器人垂直向下运动，达到抓取位置后，驱动夹爪关闭。

6.根据权利要求5所述的一种车床在线监测系统，其特征在于：所述初始位置为测量平台上方；所述视觉装置获取工件的位置坐标的过程为：当工件进入到摄像机的视野中时，设置计时器，每1秒钟一个图像触发了相机的采集功能，图像约大小为640×480，采用模板匹配的方法来确定工件的重心位置，通过两帧确定的工作图像位移与拍摄时间确定工件的速度；采用卡尔曼滤波来预测下一个时钟周期工件的位置，并对机器人的运动轨迹规划，使工件运动到待抓取位置时，机器人的末端执行器上位置和目标位置重叠，逆解对机器人的位姿信息动态转换到熟悉的工业机器人关节角和信息角度的控制，从而实现利用视觉引导机器人来准确的抓取工件。

7.根据权利要求1所述的一种车床在线监测系统，其特征在于：所述步骤c中机器人为车床下料后根据分拣条件进行分拣。

8.根据权利要求7所述的一种车床在线监测系统，其特征在于：所述分拣条件为机器人根据已抓取工件的放置要求将工件的定位放置。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种车床在线监测系统，其特征在于：所述摄像机为Basler acA 1300-60gm型摄像机，所述镜头为Computar Lens M0814-MP2F1.4f8mm 2/3＂型镜头，所述工控机内加载有NI视觉软件。