CN109955122A - 基于机器视觉的全自动打磨系统及全自动打磨方法 - Google Patents

基于机器视觉的全自动打磨系统及全自动打磨方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了本发明首先提出了一种基于机器视觉的全自动打磨系统，包括：工件装夹平台，用于装夹定位待打磨工件；打磨装置，包括安装在所述工件装夹平台一侧的工业机器人，工业机器人上安装设有用于打磨所述待打磨工件的打磨执行装置；机器视觉图像系统，用于采集所述待打磨工件的待打磨面的图像数据；上位机控制系统，所述上位机控制系统根据所述机器视觉图像系统采集得到的所述待打磨面的图像数据，建立所述待打磨面的三维模型，并得到所述待打磨面的打磨轨迹；机器人控制柜，所述机器人控制柜接收来自所述上位机控制系统的打磨控制指令，并控制所述工业机器人按照所述打磨轨迹执行打磨动作。本发明还公开了一种基于机器视觉的全自动打磨方法。

Description

基于机器视觉的全自动打磨系统及全自动打磨方法
技术领域
本发明涉及机器视觉、自动控制及机器人自动打磨技术，具体是一种基于机器视觉的全自动打磨系统及全自动打磨方法。
背景技术
在现代化生产过程中，打磨和抛光是常见的加工工序。目前,很多工件的打磨和抛光工作都是由人工完成，人工打磨不仅效率低、打磨周期长、经济性差、打磨质量难以保持一致性，不利于后续的精加工处理；而且由于打磨环境粉尘对人体有较大伤害，同时存在工人劳动强度大等问题，这些因素都不利于有效提高生产效率。
随着工业机器人技术在现代化生产中的应用，其在打磨抛光领域的应用也日益深入。其中，用于规划机器人运动轨迹的一种常见方法是人工示教，但人工示教周期长，轨迹规划通常更加依赖操作人员经验，在轨迹的优化和工作节拍的处理方面比较难以达到最佳状态。尤其是当加工工件差异性大、型线复杂、弧度变化时，需要频繁示教，通用性较差，频繁停机进行示教也不利于提高整体加工的自动化程度。
机器视觉在图像识别和定位方面扮演着越来越重要的角色。机器视觉的应用目前主要表现在引导和定位、外观检测、高精度检测和产品溯源等方面。在国内，通过图像空间的路径规划和基于图像的控制方法，主要应用于焊接机器人对焊缝的跟踪，在机器人打磨领域应用还比较有限，而且相关技术的应用对操作人员要求较高，推广起来比较困难。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的全自动打磨系统及全自动打磨方法，具有集成度高、操作容易、方便高效、经济实用、智能化程度高和打磨质量稳定且可靠的优点。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提出了一种基于机器视觉的全自动打磨系统，包括：
工件装夹平台，用于装夹定位待打磨工件；
打磨装置，包括安装在所述工件装夹平台一侧的工业机器人，所述工业机器人上安装设有用于打磨所述待打磨工件的打磨执行装置；
机器视觉图像系统，用于采集所述待打磨工件的待打磨面的图像数据；
上位机控制系统，所述上位机控制系统根据所述机器视觉图像系统采集得到的所述待打磨面的图像数据，建立所述待打磨面的三维模型，并得到所述待打磨面的打磨轨迹；
机器人控制柜，所述机器人控制柜接收来自所述上位机控制系统的打磨控制指令，并控制所述工业机器人按照所述打磨轨迹执行打磨动作。
进一步，所述打磨执行装置包括电主轴；
还包括电气控制柜，所述电气控制器内设有PLC控制器和用于控制所述电主轴的变频器，所述PLC控制器根据所述上位机控制系统的控制指令通过所述变频器控制所述电主轴动作。
进一步，所述打磨执行装置还包括用于控制所述电主轴沿其轴向方向移动的恒力浮动控制机构、用于检测所述电主轴移动距离的位移传感器和用于检测所述电主轴运动姿态的姿态传感器；
所述位移传感器以所述电主轴的轴线为中心环形均布设置为多个，所述上位机控制系统根据所述位移传感器检测得到的所述电主轴的浮动位移数据判断安装在所述电主轴上的打磨工具的磨损情况。
进一步，所述恒力浮动控制机构包括套装在所述电主轴上的外轴套，所述外轴套的两端分别与所述电主轴的外周壁之间密闭配合，所述电主轴的中部设有活塞环，所述活塞环与所述外轴套之间密闭配合、并在所述活塞环的两侧分别形成两个密闭腔体，两个所述密闭腔体上分别设有用于连通气源或液压源的接口。
进一步，所述打磨执行装置还包括与所述外轴套固定连接的连接支架，所述连接支架上设有用于与所述工业机器人固定连接的连接法兰；所述电主轴外固定套装设有内轴套，所述外轴套套装在所述内轴套外；所述外轴套与所述电主轴同轴。
进一步，还包括打磨工具自动更换系统，所述打磨工具自动更换系统包括固定安装在所述工业机器人一侧的工具架，所述工具架上设有未使用打磨工具库和已磨损打磨工具库，所述未使用打磨工具库上放置设有多个未使用打磨工具，每一个所述未使用打磨工具上均固定安装设有刀柄，所述电主轴的前端端部设有与所述刀柄配合的夹紧装置。
进一步，所述工业机器人采用六自由度机器人。
进一步，所述机器视觉图像系统包括工业相机和结构光源，所述工业相机和结构光源固定安装在所述工业机器人的法兰安装架上。
本发明还提出了一种采用如上所述基于机器视觉的全自动打磨系统的全自动打磨方法，包括如下步骤：
1)将待打磨工件装夹固定在所述工件装夹平台上，使待打磨工件的待打磨面朝上；
2)利用机器视觉图像系统采集待打磨面的图像数据，并将图像数据传输至上位机控制系统；
3)所述上位机控制系统根据所述机器视觉图像系统采集得到的图像数据生成所述待打磨面的三维模型，并通过三维模型生成待打磨面的打磨轨迹和所述待打磨面的预期打磨效果三维模型；
4)打磨装置根据所述上位机控制系统生成得到的打磨轨迹打磨所述待打磨面，直至所述待打磨面打磨完成；
5)利用机器视觉图像系统再次采集打磨后的所述待打磨面的图像数据并传输至所述上位机控制系统，生成所述待打磨面的打磨后三维模型，将所述打磨后三维模型与所述预期打磨效果三维模型进行对比；
若存在效果差异大于等于设定阈值的打磨缺失区域时，则通过所述上位机控制系统重新生成用于打磨所述打磨缺失区域的修正打磨轨迹，并重复步骤4)和步骤5)；
若不存在效果差异大于设定阈值的打磨缺失区域时，则打磨完成。
进一步，所述机器视觉图像系统采用单目视觉方式或采用双目视觉方式。
本发明的有益效果在于：
本发明基于机器视觉的全自动打磨系统，通过采用机器视觉图像系统采集待打磨工件的待打磨面的图像数据，并将图像数据传输至上位机控制系统后生产待打磨面的三维模型，利用该三维模型进行路径规划，得到打磨轨迹，并最终利用工业机器人和打磨执行装置打磨待打磨工件的待打磨面，整个打磨过程全自动进行，具有集成度高、操作容易、方便高效、经济实用、智能化程度高和打磨质量稳定且可靠的优点。
本发明基于机器视觉的全自动打磨系统还具有以下技术效果：
1、本发明基于现有成熟的工业机器人，并在打磨执行装置内设置恒力浮动控制机构，同时利用PLC控制器控制电主轴动作，同时结合位移传感器实时检测打磨工具的磨损量，以便及时更换打磨工具，结合姿态传感器实时检测电主轴的运动姿态，从而消除重力的作用对打磨浮动力的影响，以便能进行全方位浮动恒力打磨，能有效保证打磨的可靠性和安全性；
2、本发明利用机器视觉图像系统采集待打磨面的图像数据，再经上位机控制系统中的运算及处理，最终生成打磨轨迹；对待打磨工件能进行自动、智能化的统一标准的打磨处理，打磨完成后又经机器视觉图像系统进行检测把控，从而使打磨质量得到全面、有效、稳定、可靠的保证；
3、本发明从上位机控制系统生成的打磨轨迹到控制工业机器人运行的代码均自动进行，并可以适配不同厂商的工业机器人，使得整个打磨操作过程简单、容易、方便和高效，能够有效减轻工人劳动强度，经济效益突出，实用性强。
4、通过在电主轴的前端设置与刀柄配合的夹紧装置，夹紧装置与标准的BT系列刀柄配合，并利用位移传感器检测打磨工具的磨损量数据，而后利用上位机控制系统和机器人控制柜实现在打磨工具自动更换系统中自动放下已磨损打磨工具并装上未使用打磨工具，实现打磨工具的快速自动更换；
5、在打磨完成后，利用机器视觉图像系统识再次采用待打磨面的图像数据、并根据比较结果生成修正打磨轨迹对待打磨面进行修正打磨，能够确保打磨的最终效果达到预设的要求。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明基于机器视觉的全自动打磨系统实施例的结构示意图；
图2为图1的A详图；
图3为打磨执行装置的结构示意图；
图4为图3的B详图。
附图标记说明：
1-工件装夹平台；2-待打磨工具；2a-待打磨面；3-工业机器人；4-打磨执行装置；5-工业相机；6-上位机控制系统；7-机器人控制柜；8-电主轴；9-电气控制柜；10-外轴套；11-活塞环；12-密闭腔体；13-接口；14-内轴套；15-工具架；15a-未使用打磨工具库；15b-已磨损打磨工具库；16-结构光源；17-法兰安装架；18-连接支架；19-连接法兰；20-打磨工具。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明基于机器视觉的全自动打磨系统实施例的结构示意图。本实施例的基于机器视觉的全自动打磨系统，包括：
工件装夹平台1，用于装夹定位待打磨工件2；
打磨装置，包括安装在工件装夹平台1一侧的工业机器人3，工业机器人3上安装设有用于打磨待打磨工件2的打磨执行装置4；
机器视觉图像系统，用于采集待打磨工件2的待打磨面2a的图像数据；
上位机控制系统6，上位机控制系统6根据机器视觉图像系统采集得到的待打磨面2a的图像数据，建立待打磨面2a的三维模型，并得到待打磨面的打磨轨迹；
机器人控制柜7，机器人控制柜7接收来自上位机控制系统6的打磨控制指令，并控制工业机器人3按照打磨轨迹执行打磨动作。
进一步，本实施例的打磨执行装置4包括电主轴8。本实施例基于机器视觉的全自动打磨系统还包括电气控制柜9，电气控制器9内设有PLC控制器和用于控制电主轴8的变频器，PLC控制器根据上位机控制系统6的控制指令通过变频器控制电主轴8动作，保证打磨的可靠性和安全性。
进一步，如图3所示，本实施例的打磨执行装置4还包括用于控制电主轴8沿其轴向方向移动的恒力浮动控制机构、用于检测电主轴8移动距离的位移传感器和用于检测电主轴8运动姿态的姿态传感器。位移传感器以电主轴8的轴线为中心环形均布设置为多个，上位机控制系统6根据位移传感器检测得到的电主轴8的浮动位移数据判断安装在电主轴8上的打磨工具的磨损情况。上位机控制系统6利用姿态传感器检测打磨工具的运动姿态，从而消除重力的作用对打磨浮动力的影响，以便能进行全方位浮动恒力打磨。
具体的，本实施例的恒力浮动控制机构包括套装在电主轴8上的外轴套10，外轴套10的两端分别与电主轴8的外周壁之间密闭配合，电主轴8的中部设有活塞环11，活塞环11与外轴套10之间密闭配合、并在活塞环11的两侧分别形成两个密闭腔体12，两个密闭腔体12上分别设有用于连通气源或液压源的接口13。即在电主轴8和外轴套10之间成型气缸或液压缸的结构，利用从两个接口13内通入不同气压的气源或液压源，能够驱动电主轴8沿其轴向移动，同时也可通过在两个接口13通过恒定气压和具有恒定压差的气源或液压源，能够使电主轴8输出恒定的打磨力。具体的，本实施例的打磨执行装置4还包括与外轴套10固定连接的连接支架18，连接支架18上设有用于与工业机器人3固定连接的连接法兰19。电主轴8外固定套装设有内轴套14，外轴套10套装在内轴套14外，活塞环11设置在内轴套14上，本实施例的外轴套10与电主轴8同轴。
进一步，本实施例基于机器视觉的全自动打磨系统还包括打磨工具自动更换系统，打磨工具自动更换系统包括固定安装在工业机器人3一侧的工具架15，工具架15上设有未使用打磨工具库15a和已磨损打磨工具库15b，未使用打磨工具库15b上放置设有多个未使用打磨工具，每一个未使用打磨工具上均固定安装设有刀柄，电主轴8的前端端部设有与刀柄配合的夹紧装置。通过在电主轴的前端设置与刀柄配合的夹紧装置，夹紧装置与标准的BT系列刀柄配合，并利用位移传感器检测打磨工具的磨损量数据，而后利用上位机控制系统和机器人控制柜实现在打磨工具自动更换系统中自动放下已磨损打磨工具并装上未使用打磨工具，实现打磨工具的快速自动更换；
进一步，本实施例的工业机器人采用六自由度机器人，机器视觉图像系统包括工业相机5和结构光源16，工业相机5和结构光源16固定安装在工业机器人的法兰安装架17上。
本实施例基于机器视觉的全自动打磨系统，通过采用机器视觉图像系统采集待打磨工件的待打磨面的图像数据，并将图像数据传输至上位机控制系统后生产待打磨面的三维模型，利用该三维模型进行路径规划，得到打磨轨迹，并最终利用工业机器人和打磨执行装置打磨待打磨工件的待打磨面，整个打磨过程全自动进行，具有集成度高、操作容易、方便高效、经济实用、智能化程度高和打磨质量稳定且可靠的优点。
下面对采用本实施例基于机器视觉的全自动打磨系统的全自动打磨方法的具体实施方式进行详细说明。
本实施例基于机器视觉的全自动打磨方法，包括如下步骤：
1)将待打磨工件2装夹固定在工件装夹平台1上，使待打磨工件的待打磨面朝上；
2)利用机器视觉图像系统采集待打磨面的图像数据，并将图像数据传输至上位机控制系统6；具体的，机器视觉图像系统可以采用单目视觉方式，也可以采用双目视觉方式
3)上位机控制系统6根据机器视觉图像系统采集得到的图像数据生成待打磨面2a的三维模型，并通过三维模型生成待打磨面的打磨轨迹和待打磨面2a的预期打磨效果三维模型；
4)打磨装置根据上位机控制系统生成得到的打磨轨迹打磨待打磨面2a，直至待打磨面2a打磨完成；
5)利用机器视觉图像系统再次采集打磨后的待打磨面2a的图像数据并传输至上位机控制系统6，生成待打磨面2a的打磨后三维模型，将打磨后三维模型与预期打磨效果三维模型进行对比；
若存在效果差异大于等于设定阈值的打磨缺失区域时，则通过上位机控制系统重新生成用于打磨该打磨缺失区域的修正打磨轨迹，并重复步骤4和步骤5；
若不存在效果差异大于设定阈值的打磨缺失区域时，则打磨完成。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉的全自动打磨系统，其特征在于：包括：
工件装夹平台(1)，用于装夹定位待打磨工件(2)；
打磨装置，包括安装在所述工件装夹平台(1)一侧的工业机器人(3)，所述工业机器人(3)上安装设有用于打磨所述待打磨工件(2)的打磨执行装置(4)；
机器视觉图像系统，用于采集所述待打磨工件(2)的待打磨面(2a)的图像数据；
上位机控制系统(6)，所述上位机控制系统(6)根据所述机器视觉图像系统采集得到的所述待打磨面(2a)的图像数据，建立所述待打磨面(2a)的三维模型，并得到所述待打磨面的打磨轨迹；
机器人控制柜(7)，所述机器人控制柜(7)接收来自所述上位机控制系统(6)的打磨控制指令，并控制所述工业机器人(3)按照所述打磨轨迹执行打磨动作。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的全自动打磨系统，其特征在于：所述打磨执行装置(4)包括电主轴(8)；
还包括电气控制柜(9)，所述电气控制器(9)内设有PLC控制器和用于控制所述电主轴(8)的变频器，所述PLC控制器根据所述上位机控制系统(6)的控制指令通过所述变频器控制所述电主轴(8)动作。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的全自动打磨系统，其特征在于：所述打磨执行装置(4)还包括用于控制所述电主轴(8)沿其轴向方向移动的恒力浮动控制机构、用于检测所述电主轴(8)移动距离的位移传感器和用于检测所述电主轴(8)运动姿态的姿态传感器；
所述位移传感器以所述电主轴(8)的轴线为中心环形均布设置为多个，所述上位机控制系统(6)根据所述位移传感器检测得到的所述电主轴(8)的浮动位移数据判断安装在所述电主轴(8)上的打磨工具的磨损情况。
4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的全自动打磨系统，其特征在于：所述恒力浮动控制机构包括套装在所述电主轴(8)上的外轴套(10)，所述外轴套(10)的两端分别与所述电主轴(8)的外周壁之间密闭配合，所述电主轴(8)的中部设有活塞环(11)，所述活塞环(11)与所述外轴套(10)之间密闭配合、并在所述活塞环(11)的两侧分别形成两个密闭腔体(12)，两个所述密闭腔体(12)上分别设有用于连通气源或液压源的接口(13)。
5.根据权利要求4所述的基于机器视觉的全自动打磨系统，其特征在于：所述打磨执行装置(4)还包括与所述外轴套(10)固定连接的连接支架(18)，所述连接支架(18)上设有用于与所述工业机器人(3)固定连接的连接法兰(19)；所述电主轴(8)外固定套装设有内轴套(14)，所述外轴套(10)套装在所述内轴套(14)外；所述外轴套(10)与所述电主轴(8)同轴。
6.根据权利要求2-5任一项所述的基于机器视觉的全自动打磨系统，其特征在于：还包括打磨工具自动更换系统，所述打磨工具自动更换系统包括固定安装在所述工业机器人(3)一侧的工具架(15)，所述工具架(15)上设有未使用打磨工具库(15a)和已磨损打磨工具库(15b)，所述未使用打磨工具库(15b)上放置设有多个未使用打磨工具，每一个所述未使用打磨工具上均固定安装设有刀柄，所述电主轴(8)的前端端部设有与所述刀柄配合的夹紧装置。
7.根据权利要求2-5任一项所述的基于机器视觉的全自动打磨系统，其特征在于：所述工业机器人采用六自由度机器人。
8.根据权利要求2-5任一项所述的基于机器视觉的全自动打磨系统，其特征在于：所述机器视觉图像系统包括工业相机(5)和结构光源(16)，所述工业相机(5)和结构光源(16)固定安装在所述工业机器人的法兰安装架(17)上。
9.一种采用如权利要求1-8任一项所述基于机器视觉的全自动打磨系统的全自动打磨方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将待打磨工件(2)装夹固定在所述工件装夹平台(1)上，使待打磨工件的待打磨面朝上；
2)利用机器视觉图像系统采集待打磨面的图像数据，并将图像数据传输至上位机控制系统(6)；
3)所述上位机控制系统(6)根据所述机器视觉图像系统采集得到的图像数据生成所述待打磨面(2a)的三维模型，并通过三维模型生成待打磨面的打磨轨迹和所述待打磨面(2a)的预期打磨效果三维模型；
4)打磨装置根据所述上位机控制系统生成得到的打磨轨迹打磨所述待打磨面(2a)，直至所述待打磨面(2a)打磨完成；
5)利用机器视觉图像系统再次采集打磨后的所述待打磨面(2a)的图像数据并传输至所述上位机控制系统(6)，生成所述待打磨面(2a)的打磨后三维模型，将所述打磨后三维模型与所述预期打磨效果三维模型进行对比；
若存在效果差异大于等于设定阈值的打磨缺失区域时，则通过所述上位机控制系统重新生成用于打磨所述打磨缺失区域的修正打磨轨迹，并重复步骤4)和步骤5)；
若不存在效果差异大于设定阈值的打磨缺失区域时，则打磨完成。
10.根据权利要求9所述的基于机器视觉的全自动打磨方法，其特征在于：所述机器视觉图像系统采用单目视觉方式或采用双目视觉方式。
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