CN109848951A - 大型工件的自动加工设备及方法 - Google Patents

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张楠楠
郭磊
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Abstract

本发明公开了一种大型工件的自动加工设备及方法，大型工件安装于工装支架上，该设备包括控制器、AGV小车、安装于AGV小车上的机器人，以及固定设置于工装支架附近的标定靶；AGV小车沿预设轨道运动；机器人末端设置相对位置固定的加工机械手及视觉检测设备；标定靶与机器人在某位置相对固定；视觉检测设备获取标定靶图像，控制器对图像数据进行解算，求取机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系；AGV小车运动到预设测量位置，静止，采集工件上包含位置标记的图像，解算工件相对于示教位置的偏移量，机器人调节位姿，令加工机械手准确到达待加工位置。该设备及方法在每个加工位置仅需数秒即可完成位姿解算，极大提升了加工效率。

Description

大型工件的自动加工设备及方法
技术领域
本发明涉及智能制造领域，具体涉及一种大型工件的自动加工设备及方法。
背景技术
对于大型构件的现场加工，传统方法是采用工装定位或机器人重复轨迹加工的方式，但是这种方法不能满足现场柔性加工的需求。解决该问题的关键是如何获取机器人与工件待加工位置的相对位姿。现有方法是采用激光跟踪仪等外部测量设备，在机器人到位后，分别测量机器人和工件的坐标系，从而确定两者之间的位姿关系，反馈给机器人进行轨迹调整。此方法在现场操作较为繁琐，耗时较长，测量单个加工位置大概需要半个小时，严重影响加工效率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种大型工件的自动加工设备及方法，其不需使用激光跟踪仪等外部设备，即可获取机器人与工件待加工位置的相对位姿，每个加工位置仅需数秒即可完成位姿解算，极大提升了加工效率，同时可降低成本。
为此，本发明的技术方案如下：
一种大型工件的自动加工设备，所述大型工件安装于工装支架上，所述自动加工设备包括控制器、AGV小车、安装于AGV小车上的机器人，以及固定设置于所述工装支架附近的标定靶；
所述AGV小车沿预设轨道运动，携带机器人到达预定测量位置；
所述机器人末端设置相对位置固定的加工机械手及视觉检测设备；
所述控制器与机器人、视觉检测设备分别实现通讯；
所述标定靶与在特定位置处于静止状态的机器人的相对位置固定；在预定位置，所述视觉检测设备从多角度获取标定靶的图像，并将图像数据发送至控制器，所述控制器对图像数据进行解算，求取机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系
所述AGV小车运动到预设测量位置，静止，所述视觉检测设备采集工件上包含位置标记的图像，将图像数据传输到控制器，所述控制器解算工件相对于示教位置的偏移量，并将此数据信息反馈给机器人，所述机器人基于接收到的数据，调节位姿，令所述加工机械手准确到达待加工位置进行加工。
进一步，所述机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系通过如下公式得到：
其中，PW为世界坐标系下标定靶的三维坐标；PS为视觉检测设备坐标系下标定靶的三维坐标；为世界坐标系到机器人坐标系的转换关系；为机器人坐标系下机器人原点到机器人末端之间的转换关系。
进一步，所述控制器解算工件相对于示教位置的偏移量时，先计算视觉检测设备坐标系下工件的偏移量，再结合机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系及机器人末端与机器人原点之间的转换关系，获取工件在机器人坐标下的偏移量。
进一步，所述位置标记为待加工点周边区域轮廓、孔、棱角、拐点或人为贴点。
进一步，所述机器人为混联加工机器人、工业加工机器人或并联加工机器人。
进一步，所述加工机械手能进行焊接、铆接、钻孔、涂胶、打磨或喷涂。
一种大型工件的自动加工方法，包括如下步骤：
1)AGV小车沿预设轨道运动到预定测量位置，停止；所述AGV小车上固定设置有机器人，所述机器人末端设有相对位置固定的加工机械手及视觉检测设备；
2)所述视觉检测设备从多个角度采集标定靶图像，并将图像数据发送至控制器，所述控制器对标定靶图像数据进行解算，求取机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系
所述标定靶固定设置于工装支架附近；
所述控制器与机器人、视觉检测设备分别实现通讯；
3)所述AGV小车运动到预设测量位置，静止，所述视觉检测设备采集工件上包含位置标记的图像，将图像数据传输到控制器，所述控制器解算工件相对于示教位置的偏移量，并将此数据信息反馈给机器人，所述机器人基于接收到的数据，调节位姿，令所述加工机械手准确到达待加工位置进行加工。
进一步，所述机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系通过如下公式得到：
其中，PW为世界坐标系下标定靶的三维坐标；PS为视觉检测设备坐标系下标定靶的三维坐标；为世界坐标系到机器人坐标系的转换关系；为机器人坐标系下机器人原点到机器人末端之间的转换关系。
进一步，所述控制器解算工件相对于示教位置的偏移量时，先计算视觉检测设备坐标系下工件的偏移量，再结合机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系及机器人末端与机器人原点之间的转换关系，获取工件在机器人坐标下的偏移量。
进一步，所述位置标记为待加工点周边区域轮廓、孔、棱角、拐点或人为贴点。
常规的利用激光跟踪仪的方式，在每个加工位置加工前均需事先确定激光跟踪仪与工件坐标系之间的关系，在每个加工位置加工时还需要测量机器人上多个特征点的位置，以此来确定机器人的位姿；在此过程中激光跟踪仪的位置不允许移动，如果机器人到达激光跟踪仪不可测的区域，便需要对激光跟踪仪进行转站，又重复确定激光跟踪仪与工件坐标系之间的关系，费时费力，大大降低了加工效率。
本发明提出的大型工件的自动加工设备及方法，将大型工件的每个加工位置的测量时间缩短到几秒钟；如需要获得工件坐标系，也只需要在加工前测量一次即可，加工过程中无需反复测量；并且该方法可根据局部待测区域的之前实际加工状态来实时调整加工轨迹，因此使得该整体系统拥有更高的柔性，也大大减少了后续装配环节的误差。
附图说明
图1为本发明提供的大型工件的自动加工设备的使用状态示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细描述。
一种大型工件的自动加工设备，大型工件6安装于工装支架8上，自动加工设备包括控制器3、AGV小车4、安装于AGV小车4上的机器人2，以及固定设置于工装支架8附近的标定靶5；机器人2为混联加工机器人、工业加工机器人或并联加工机器人，优选为混联加工机器人；
AGV小车4沿预设轨道运动，携带机器人2到达预定测量位置；
机器人2末端设置相对位置固定的加工机械手9及视觉检测设备1；加工机械手9能进行焊接、铆接、钻孔、涂胶、打磨或喷涂；标定靶5在AGV小车4静止时，视觉检测设备的检测视野内；
控制器3与机器人2、视觉检测设备1分别实现通讯；
标定靶5与在特定位置处于静止状态的机器人2的相对位置固定；
在预定位置，视觉检测设备1从多角度获取标定靶5的图像，从多角度获取标定靶5的图像，并将图像数据发送至控制器3，控制器3对图像数据进行解算，求取机器人2末端与视觉检测设备1之间的转换关系
AGV小车4运动到预设测量位置7，静止，视觉检测设备1采集工件6上包含位置标记的图像，将图像数据传输到控制器3，控制器3解算工件相对于示教位置的偏移量，并将此数据信息反馈给机器人2，机器人2基于接收到的数据，调节位姿，令加工机械手9准确到达待加工位置进行加工。
具体来说：位置标记可以为待加工点周边区域轮廓、孔、棱角、拐点或人为贴点。在本发明实施时，机器人末端与视觉检测设备1之间的转换关系通过如下公式得到：
其中，PW为世界坐标系下标定靶的三维坐标(通过标定已知)；PS为视觉检测设备坐标系下标定靶的三维坐标(通过标定已知)；为世界坐标系到机器人坐标系的转换关系(通过标定已知)；为机器人坐标系下机器人原点到机器人末端之间的转换关系(基于机器人参数已知)。
作为本发明的一个实施例，控制器3解算工件相对于示教位置的偏移量时，先计算视觉检测设备坐标系下工件的偏移量，再结合机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系及机器人末端与机器人原点之间的转换关系，获取工件在机器人坐标下的偏移量。
视觉检测设备是将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。通常包括照明部件、摄像机、图像部件及软件工具。
使用时，一种大型工件的自动加工方法，包括如下步骤：
1)AGV小车4沿预设轨道运动到预定测量位置，停止；AGV小车4上固定设置有机器人，机器人末端设有相对位置固定的加工机械手9及视觉检测设备；
2)视觉检测设备从多个角度采集标定靶图像，并将图像数据发送至控制器3，控制器3对标定靶图像数据进行解算，求取机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系
标定靶固定设置于工装支架8附近；
控制器3与机器人、视觉检测设备分别实现通讯；
3)AGV小车4运动到预设测量位置，静止，视觉检测设备采集工件上包含位置标记的图像，将图像数据传输到控制器3，控制器3解算工件相对于示教位置的偏移量，并将此数据信息反馈给机器人，机器人基于接收到的数据，调节位姿，令加工机械手9准确到达待加工位置进行加工。
控制器3解算工件相对于示教位置的偏移量时，先计算视觉检测设备坐标系下工件的偏移量，再结合机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系及机器人末端与机器人原点之间的转换关系，通过公式获取工件在机器人坐标下的偏移量。其中，Ow为空间中一点在世界坐标系下的三维坐标(未知)；Os为空间中一点在视觉检测设备坐标系下的三维坐标(已知)； (已知)；可求得Ow。
位置标记指待加工点周边区域轮廓、孔、棱角、拐点或人为贴点。
该方法不需使用激光跟踪仪等外部设备，即可获取机器人与工件待加工位置的相对位姿，每个加工位置仅需数秒即可完成位姿解算，极大提升了加工效率，同时可降低成本。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等价形式所限定。

Claims (10)

1.一种大型工件的自动加工设备，所述大型工件安装于工装支架上，其特征在于所述自动加工设备包括控制器、AGV小车、安装于AGV小车上的机器人，以及固定设置于所述工装支架附近的标定靶；
所述AGV小车沿预设轨道运动，携带机器人到达预定测量位置；
所述机器人末端设置相对位置固定的加工机械手及视觉检测设备；
所述控制器与机器人、视觉检测设备分别实现通讯；
所述标定靶与在特定位置处于静止状态的机器人的相对位置固定；在预定位置，所述视觉检测设备从多角度获取标定靶的图像，并将图像数据发送至控制器，所述控制器对图像数据进行解算，求取机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系
所述AGV小车运动到预设测量位置，静止，所述视觉检测设备采集工件上包含位置标记的图像，将图像数据传输到控制器，所述控制器解算工件相对于示教位置的偏移量，并将此数据信息反馈给机器人，所述机器人基于接收到的数据，调节位姿，令所述加工机械手准确到达待加工位置进行加工。
2.如权利要求1所述大型工件的自动加工设备，其特征在于：所述机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系通过如下公式得到：
其中，Pw为世界坐标系下标定靶的三维坐标；PS为视觉检测设备坐标系下标定靶的三维坐标；为世界坐标系到机器人坐标系的转换关系；为机器人坐标系下机器人原点到机器人末端之间的转换关系。
3.如权利要求1所述大型工件的自动加工设备，其特征在于：所述控制器解算工件相对于示教位置的偏移量时，先计算视觉检测设备坐标系下工件的偏移量，再结合机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系及机器人末端与机器人原点之间的转换关系，获取工件在机器人坐标下的偏移量。
4.如权利要求1或2或3所述大型工件的自动加工设备，其特征在于：所述位置标记为待加工点周边区域轮廓、孔、棱角、拐点或人为贴点。
5.如权利要求1或2或3所述大型工件的自动加工设备，其特征在于：所述机器人为混联加工机器人、工业加工机器人或并联加工机器人。
6.如权利要求1或2或3所述大型工件的自动加工设备，其特征在于：所述加工机械手能进行焊接、铆接、钻孔、涂胶、打磨或喷涂。
7.一种大型工件的自动加工方法，其特征在于包括如下步骤：
1)AGV小车沿预设轨道运动到预定测量位置，停止；所述AGV小车上固定设置有机器人，所述机器人末端设有相对位置固定的加工机械手及视觉检测设备；
2)所述视觉检测设备从多个角度采集标定靶图像，并将图像数据发送至控制器，所述控制器对标定靶图像数据进行解算，求取机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系
所述标定靶固定设置于工装支架附近；
所述控制器与机器人、视觉检测设备分别实现通讯；
3)所述AGV小车运动到预设测量位置，静止，所述视觉检测设备采集工件上包含位置标记的图像，将图像数据传输到控制器，所述控制器解算工件相对于示教位置的偏移量，并将此数据信息反馈给机器人，所述机器人基于接收到的数据，调节位姿，令所述加工机械手准确到达待加工位置进行加工。
8.如权利要求7所述自动加工方法，其特征在于：所述机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系通过如下公式得到：
其中，Pw为世界坐标系下标定靶的三维坐标；PS为视觉检测设备坐标系下标定靶的三维坐标；为世界坐标系到机器人坐标系的转换关系；为机器人坐标系下机器人原点到机器人末端之间的转换关系。
9.如权利要求7所述自动加工方法，其特征在于：所述控制器解算工件相对于示教位置的偏移量时，先计算视觉检测设备坐标系下工件的偏移量，再结合机器人末端与视觉检测设备之间的转换关系及机器人末端与机器人原点之间的转换关系，获取工件在机器人坐标下的偏移量。
10.如权利要求7所述自动加工方法，其特征在于：所述位置标记为待加工点周边区域轮廓、孔、棱角、拐点或人为贴点。
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