CN109571152A - 一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加工技术领域，尤其是一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法。它包括如下步骤：S1、依待加工工件的3D图档数据，在离线编程软件中生成参考打磨轨迹；S2、扫描工件的实物标准件，以提取实物标准件的3D点云模型并将此3D点云模型保存为标准模板模型；S3、按参考打磨轨迹对实物标准件进行走位以通过获取的轨迹偏差数据对参考打磨轨迹进行修正，从而生成符合实物标准件的标准打磨轨迹；S4、按标准打磨轨迹对待加工工件进行逐一打磨作业。本发明以机器人装夹工件为基准，通过扫描对比、轨迹差异补偿等步骤即可完成对每个工件(尤其是小型工件)的精准化表面处理作业，不但能够有效地保证的工件产品的均一性和质量，而且降低了自动化表面处理作业的程序设计难度。

Description

一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法

技术领域

本发明涉及加工技术领域，尤其是一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法。

背景技术

随着制造业的迅速发展，诸如打磨、抛光等表面处理工艺已经成为工件加工过程中的一道关键工序，表面处理的效果也将直接决定工件产品的质量。

传统的打磨、抛光等表面处理工艺主要采用人工、专用机床、机器人等三种处理方式；其中，人工处理方式的作业量大、劳动强度高、作业效率低、工件加工的均一性较差，容易产生废品；专用机床处理方式的通用性较差，只能适合特定工件的批量加工；而机器人处理方式虽然可以完全实现对具有规则形状的工件的机械化、自动化表面处理，但对于外形结构复杂(如存在不规则的样条曲面、样条曲线)的工件，由于无法预知工件的结构和形状且机器人只能按照预定的路径进行打磨，使得机器人仍然无法完全取代人工处理或专用机床处理方式。

目前，行业内已经提出了诸多利用机器人对工件进行表面处理的技术方案，比如：

1、专利申请号为201610943988.4的中国发明专利所公开的《一种有障碍物曲面的打磨方法》，此技术方案基本原理是利用固定在机器人末端的打磨工具对工件进行打磨，主要流程为：S1、实物扫描，获取点云模型；S2、对点云模型进行降噪精简处理和实物重构；S3、通过测量，获取实物特征点在机器人坐标系下的坐标值；S4、模型导入及特征点匹配；S5、机器人离线编程及仿真模拟；S6、生成打磨轨迹，进行实物打磨。此方案虽然可以对具有障碍物的曲面进行打磨，但实质上却存在如下问题：a、在对工件进行实际打磨的过程中，往往需要用到多种打磨工具，由于打磨工具是固定在机器人的末端，则必然会产生更换打磨工具的步骤，如此，不但需要对打磨工具、工件等重新进行定位测量，增加打磨方法实现的难度，也无法保证打磨效果；b、每扫描一个工件后，都需要对其进行重新测量才能获得实物特征点以及其在机器人坐标系下的坐标值，使得其只能适用于大型单体工件的打磨。

2、专利申请号为201810637745.7的中国发明专利所公开的《一种打磨加工方法和装置》，此技术方案的主要流程为：S1、获取待加工工件的3D数据；S2、利用计算机将获取的3D数据与标准3D数据进行匹配，获得缺陷部位；S3、利用加工激光器对缺陷部位进行反复加工打磨。此方案虽然是利用机器人来装设待打磨工件，能够在一定程度上解决更换打磨工具所产生的系列问题，但其也存在如下问题：a、获取待加工工件的3D数据只是用来找出产品的缺陷部位，而且获取3D数据的步骤比较复杂主；b、要是针对产品的缺陷部位进行反复加工打磨的，而非针对工件的整体进行打磨；c、在实际应用中，利用激光器对工件进行打磨抛光的技术并不成熟。

鉴于此，有必要对现有的诸如打磨、抛光等表面处理方法提出改进方案。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法，它包括如下步骤：

S1、依待加工工件的3D图档数据，在离线编程软件中生成参考打磨轨迹；

S2、扫描工件的实物标准件，以提取实物标准件的3D点云模型并将此3D点云模型保存为标准模板模型；

S3、按参考打磨轨迹对实物标准件进行走位以获取实物标准件与打磨工具之间的偏差数据，依偏差数据对参考打磨轨迹进行修正以生成符合实物标准件的标准打磨轨迹；

S4、按标准打磨轨迹对待加工工件进行逐一打磨作业。

优选地，在所述步骤S2中，由机器人夹取实物标准件并将实物标准件移动至扫描装置内进行扫描以提取实物标准件的3D点云模型，随后机器人再将实物标准件移动至打磨工具处并依参考打磨轨迹在打磨工具上进行走位，以获取实物标准件与打磨工具相接触的临界点之间的偏差数据；

在所述步骤S3中，依偏差数据对参考打磨轨迹进行修正以生成符合实物标准件的标准打磨轨迹。

优选地，所述步骤S1包括：

S1-1、预设机器人、扫描装置及打磨工具在加工场所内的坐标位置数据；

S1-2、依待加工工件的3D图档数据和坐标位置数据，在离线编程软件中生成参考打磨轨迹。

优选地，所述打磨工具包括砂带机和/或布轮机。

优选地，所述扫描装置包括CCD相机和/或激光扫描仪和/或红外扫描仪。

优选地，所述步骤S4包括：

S4-1、扫描第一待加工工件以提取第一待加工工件的3D点云模型与标准模板模型之间的偏差数据；

S4-2、依提取到的偏差数据对标准打磨轨迹进行补偿，生成符合第一待加工工件的实际打磨轨迹；

S4-3、按实际打磨轨迹对第一待加工工件进行打磨；

S4-4、重复步骤S4-1至S4-3，逐一完成对第二待加工工件直至第N待加工工件的打磨作业。

优选地，在所述步骤S4-1中，由机器人夹取待加工工件并将待加工工件移动至扫描装置内进行扫描；在所述步骤S4-3中，机器人将所夹取的待加工工件移动至打磨工具处并实际打磨轨迹对待加工工件进行打磨作业。

由于采用了上述方案，本发明以机器人夹持工件(扫描装置及打磨工具位置固定)、对当前待加工工件进行定位扫描后直接与预存的标准模板模型进行对比、通过差异补尝将标准打磨轨迹补偿修正为适合当前待加工工件的实际打磨轨迹以及机器人执行实际打磨轨迹以完成对当前待加工工件的打磨、抛光等表面处理作业为总体加工思路，使得每个待加工工件均具有适合自身的打磨轨迹；整个方法实现的过程，无需对机器人、扫描装置、打磨工具、工件的夹持位置进行重新测量，仅进行扫描对比、轨迹补偿等，从而能够适用于对各种规则或非规则工件(尤其是小型工件)的表面处理作业，不但能够有效地保证的工件产品的均一性和质量，而且降低了自动化表面处理作业的程序设计难度。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本实施例提供的一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法，它包括如下步骤：

S1、将待加工工件的3D图档数据(其可根据实际情况采用以诸如PROE、UG等三维软件所设计的3D图档格式)导入离线编程软件中，以利用离线编程软件生成参考打磨轨迹；

S2、选取一与待加工工件的3D图档模型相符的工件作为实物标准工件(其中，所述及的“相符”可以指实物标准工件在数据理论上与3D图档模型相一致或者近似，而实物标准工件则可根据实际情况预先加工成型，加工的方法包括但不限于传统的浇铸、人工打磨、专用机床打磨或者机器人自动打磨等手段；作为实物标准工件的待加工工件可选用同一成型批次中的其中一个待加工工件)，通过对实物标准件进行扫描，以提取实物标准件的3D点云模型，并将此3D点云模型保存为标准模板模型；

S3、按照参考打磨轨迹对实物标准件进行走位以获取实物标准件与打磨工具之间的偏差数据，并利用偏差数据对参考打磨轨迹进行修正以生成符合实物标准件的标准打磨轨迹；由于参考打磨轨迹是与3D图档相对应的理论轨迹，理论上如果实物标准件与3D图档完全一致，则按照参考打磨轨迹对实物标准件进行走位时，实物标准件的每个轨迹点均应该是与打磨工具相接触的临界点；但实物标准件在实际制作过程中必然会存在变形等问题，从而导致实物标准件与3D图档之间必然会存在一定的偏差，按照参考打磨轨迹对实物标准件进行走位时，实物标准件与打磨工具之间必然会存在过度接触或脱离接触等问题(即：存在偏差)，从而通过获取这些偏差数据，即可实现对实际打磨轨迹的修正，以生成完全符合实物标准件的打磨轨迹(即：标准打磨轨迹)。

S4、按标准打磨轨迹对待加工工件进行逐一打磨作业。

由于利用工件的3D图档数据所生成的参考打磨轨迹只是理论上的最为完美的打磨轨迹，而在实际加工过程中，工件在加工制作(如浇铸)过程中肯定会存在诸如变形等问题，从而会在3D图档模型与工件之间形成数据差异，即便整个打磨的硬件作业系统被预先精准定位，若照传统的方式直接利用参考打磨轨迹进行打磨作业，便会因为数据差异的存在而严重削减打磨的质量效果、甚至出现废品；同时，虽然每个工件都是其依照3D图档加工成型的，但实际上各个工件之间会因为加工工序中所存在的各种干扰因素，导致每个工件之间均存在差异，从而也会导致被打磨、抛光后的成品的均一性较差。基于此，本实施例利用3D图档数据所生成的参考打磨轨迹仅仅作为一个原始的参考轨迹，通过对实物标准工件的扫描所形成的标准模板模型能够更为接近待加工工件，而依据差异数据对参考打磨轨迹进行修正后所形成的标准打磨轨迹则更符合对待加工工件进行打磨、抛光的实际作业轨迹，从而可有利于保证各个工件产品的均一性以及实际表面处理的质量效果。

为能够以标准打磨轨迹作为基础参考轨迹，同时改变传统方式中因利用机器人带动打磨工具对待加工工件进行表面处理而产生的系列问题；在步骤S2中，由机器人(其可根据实际情况采用诸如具有六轴机械臂的机器人)夹取实物标准件并将实物标准件移动至扫描装置内进行扫描以使离线编程软件能够提取到实物标准件的3D点云模型，随后机器人再将实物标准件移动至打磨工具处并依参考打磨轨迹在打磨工具上进行走位，以使离线编程软件能够获取实物标准件与打磨工具相接触时的临界点之间的偏差数据(此数据的获取可通过预先在打磨轨迹上设置由诸位位移传感器、光电传感器等器件构成自动校准装置，通过测量实物标准件与打磨工具之间的位置偏差来获得偏差数据)；而在步骤S3中，则可临界点的偏差数据等，对参考打磨轨迹进行修正以生成完全符合实物标准件的标准打磨轨迹。由此，利用过预先走位所获取的临界点数据，可为离线编程软件提供更为充分、全面的数据支持，保证其所生成的标准打磨轨迹更为适合实物标准件，并可为针对后续的待加工工件的实际打磨轨迹提供了更为精准的参照；同时，由机器人带动待加工工件移动至扫描装置处进行扫描、移动至打磨工具处进行打磨、抛光等表面处理，仅需预先对机器人、扫描装置以及打磨工具等进行定位即可，在对待加工工件进行表面处理作业时，不但无需再重新调整或测量三者的相对位置(即：坐标位置)，而且避免了出现更换打磨工具的工序步骤，从而使得整个方法可适用于对各种工件(尤其是异形小型工件)的表面处理作业。

为能够最大限度地提高生成标准打磨轨迹的精度，为后续待加工工件的表面处理作业提供基础，本实施例的步骤S1包括：

S1-1、根据机器人、扫描装置、打磨工具、工件初始出料装置等在加工场所内的实际布置状况，预先获取并设定机器人、扫描装置及打磨工具相互间在加工场所的坐标位置数据；

S1-2、由离线编程软件依据待加工工件的3D图档数据和坐标位置数据等生成参考打磨轨迹。

由此，离线编程软件所生成的参考打磨轨迹则可兼顾3D图档模型与整个打磨作业硬件系统的相关特性，为后续通过对参考打磨轨迹的修正以生成更为符合实物标准件的标准打磨轨迹提供了差异化更小、数据更为精准的参考标准。

作为优选方案，本实施例的打磨工具可根据实际情况采用砂带机、布轮机等表面处理装置。由于利用此类装置进行打磨、抛光等表面处理工艺更为成熟，可保证本实施例的打磨加工方法能够被完美地进行实际应用。

作为优选方案，本实施例的扫描装置可根据实际情况采用CCD相机、激光扫描仪、红外扫描仪等等，主要利用此类装置来获取实物标准件的3D点云数据，并可以此类装置作为对待加工工件进行坐标定位及扫描的工装部件来使用，从而为更为精细化地实施整个方法创造条件。

为能够最大限度地对每个待加工工件进行更为精确地打磨、抛光等表面处理，保证工件产品的质量；本实施例的步骤S4包括：

S4-1、由机器人来夹取处于待加工工件的原始放置的第一个待加工工件，并将第一待加工工件移动至扫描装置内进行定位扫描以获取第一待加工工件的3D点云模型，从而直接将第一待加工工件的3D点云模型与预存的标准模板模型进行对比，以得出两者在六维空间内的坐标点的差异(即：偏差数据)，；

S4-2、依照提取到的偏差数据并可结合差异补偿算法对标准打磨轨迹进行补偿修正，从而使离线编程软件生成符合第一待加工工件的实际打磨轨迹；

S4-3、机器人继续夹持第一待加工工件至打磨工具所处的位置并按实际打磨轨迹对第一待加工工件进行打磨，即可完成对第一待加工工件的表面处理作业；

S4-4、逐一对第二待加工工件直至第N待加工工件进行打磨、抛光等表面处理作业时，仅需重复步骤S4-1至S4-3。

由此，在对每个待加工工件进行表面处理时，由于机器人均会夹取当前的待加工工件并将其移动至扫描工具处进行扫描以形成各自的3D点云模型，而每个3D点云模型均是与预存的标准模板模型进行直接对比的，在得出差异数据后即可通过诸如差异补偿算法等将数据差异补偿至编译好的标准打磨轨迹的程序中，从而将标准打磨轨迹补正为(或生成为)适合当前待加工工件的新的实际打磨轨迹，以此可有效消除待加工工件个体之间的形变差异或者装夹过程中所产生的定位误差，保证了工件产品表面处理的均一性和质量效果。

本实施例的差异补偿算法可基于以下原理来实现，具体为：

1、机器人的空间坐标P可表示为式(1.1)：

2、设实物标准件在扫描装置内的坐标为P₁，而待加工工件在扫描装置内的坐标为P₁ ^！，则有式(1.2):P₁ ^！·Δ＝P₁。

3、由式(1.2)可得出式(1.3)：Δ＝P₁ ^！-1·P₁；其中Δ为两坐标之间的差值，利用这个差值对标准打磨轨迹进行差值补偿则可得到新的实际打磨轨迹。

4、设标准工件打磨轨迹坐标为P_i(i＝1Λn)，待加工工件打磨轨迹坐标为P₁ ^！(i＝1Λn)，则有轨迹调整公式式(1.4)：P_i ^！＝P_i·Δ^-1,(i＝1Λn)；

5、将P_i ^！的数据保存至机器人内存中，即可使机器人按新的实际打磨轨迹执行动作，从而完成对工件打磨。

综上所述，本发明实施例以机器人夹持工件(扫描装置及打磨工具位置固定)、对当前待加工工件进行定位扫描后直接与预存的标准模板模型进行对比、通过差异补尝将标准打磨轨迹补偿修正为适合当前待加工工件的实际打磨轨迹以及机器人执行实际打磨轨迹以完成对当前待加工工件的打磨、抛光等表面处理作业为总体加工思路，使得每个待加工工件均具有适合自身的打磨轨迹；整个方法实现的过程，无需对机器人、扫描装置、打磨工具、工件的夹持位置进行重新测量，仅进行扫描对比、轨迹补偿等，从而能够适用于对各种规则或非规则工件(尤其是小型工件)的表面处理作业，不但能够有效地保证的工件产品的均一性和质量，而且降低了自动化表面处理作业的程序设计难度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1、依待加工工件的3D图档数据，在离线编程软件中生成参考打磨轨迹；

S2、扫描工件的实物标准件，以提取实物标准件的3D点云模型并将此3D点云模型保存为标准模板模型；

S3、按参考打磨轨迹对实物标准件进行走位以获取实物标准件与打磨工具之间的偏差数据，依偏差数据对参考打磨轨迹进行修正以生成符合实物标准件的标准打磨轨迹；

S4、按标准打磨轨迹对待加工工件进行逐一打磨作业。

2.如权利要求1所述的一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法，其特征在于：在所述步骤S2中，由机器人夹取实物标准件并将实物标准件移动至扫描装置内进行扫描以提取实物标准件的3D点云模型，随后机器人再将实物标准件移动至打磨工具处并依参考打磨轨迹在打磨工具上进行走位，以获取实物标准件与打磨工具相接触的临界点之间的偏差数据；

在所述步骤S3中，依偏差数据对参考打磨轨迹进行修正以生成符合实物标准件的标准打磨轨迹。

3.如权利要求1所述的一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法，其特征在于：所述步骤S1包括：

S1-1、预设机器人、扫描装置及打磨工具在加工场所内的坐标位置数据；

S1-2、依待加工工件的3D图档数据和坐标位置数据，在离线编程软件中生成参考打磨轨迹。

4.如权利要求3所述的一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法，其特征在于：所述打磨工具包括砂带机和/或布轮机。

5.如权利要求3所述的一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法，其特征在于：所述扫描装置包括CCD相机和/或激光扫描仪和/或红外扫描仪。

6.如权利要求1-5中任一项所述的一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法，其特征在于：所述步骤S4包括：

S4-1、扫描第一待加工工件以提取第一待加工工件的3D点云模型与标准模板模型之间的偏差数据；

S4-2、依提取到的偏差数据对标准打磨轨迹进行补偿，生成符合第一待加工工件的实际打磨轨迹；

S4-3、按实际打磨轨迹对第一待加工工件进行打磨；

S4-4、重复步骤S4-1至S4-3，逐一完成对第二待加工工件直至第N待加工工件的打磨作业。

7.如权利要求6所述的一种基于离线编程的工件自动打磨加工方法，其特征在于：在所述步骤S4-1中，由机器人夹取待加工工件并将待加工工件移动至扫描装置内进行扫描；在所述步骤S4-3中，机器人将所夹取的待加工工件移动至打磨工具处并实际打磨轨迹对待加工工件进行打磨作业。