CN110539309A - 基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统及方法 - Google Patents

基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统，包括激光测距传感器，通过测量机械臂电主轴与工件的位置，智能相机，通过图像识别系统完成制孔位置精确定位；制孔执行器平台，用于固定激光测距传感器和智能相机，采用高精度伺服驱动，保证制孔的深度精度；机械臂制孔控制系统，用于处理从激光测距传感器和智能相机测得的数据；机械臂本体控制系统，用于控制机械臂的高精度高可靠运动。本发明可以通过激光法线找正控制算法实现机械臂姿态的校准，通过视觉精度测量校准方法实现机械臂制孔位置精确定位，从而引导机械臂精确制孔，在航空、航天等领域具有广泛的应用前景。

Description

基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统及方法
技术领域
本发明涉及智能装备及自动化装配领域，具体地，涉及一种基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统及方法。
背景技术
当前，卫星结构多采用铝蜂窝结构板、碳纤维蒙皮蜂窝承力筒的结构。由于卫星布局越来越多采用了在结构侧板上安装高精度的星载仪器，因此对结构侧板的重复安装精度提出了更高的要求。
由于复合材料结构件预制孔精度偏差较大，为确保装配质量，卫星结构装配螺孔普遍采用配钻工艺，即根据结构件的通孔配作被连接件的螺纹孔。采用手枪钻配钻底孔，存在以下问题：
1.手工钻攻参数及孔深难定量控制，易发生质量问题。卫星结构多为蜂窝板、碳纤维承力筒等复合材料结构，对钻孔以及攻丝的要求比较高。手工操作时，由于转速、进给等无法精确控制，极易发生质量问题。
2.螺纹孔精度离散性较大、垂直度不易保证。配钻时手工打孔一般使用钻套导向，但实际操作时由于钻套固定不良，使螺孔垂直度不能准确保证。
3.劳动强度大、操作效率低。星上配打孔时，操作工需要处于登高、俯身、伸臂操作等体位，劳动强度大，易对卫星造成磕碰损伤。有时为保证垂直度，还需有人配合观测钻头进给垂直度，效率低。
申请号为201811218616.0的发明提供了一种钻孔设备及钻孔系统，涉及钻孔加工技术领域，钻孔设备包括：第一传输装置、定位装置和钻孔装置；板体包括侧边和围绕侧边设置的第一端部和第二端部；定位装置包括分别对应板体第一端部和第二端部设置的第一定位机构和第二定位机构，第一传输装置能带动板体沿第一运动方向移动至预设第一端定位位置，并能带动板体沿第二运动方向移动至预设第二端定位位置，第一定位机构配置为对第一端部在预设第一端定位位置进行定位，第二定位机构配置为对第二端部在预设第二端定位位置进行定位；钻孔装置在板体被定位后，在板体的被定位端进行钻孔加工。本申请减少了板体因翘曲变形导致的钻孔位置定位偏差，提高了钻孔定位的精度。但是上述方案提供的钻孔方法螺纹孔精度离散性较大、垂直度不易保证。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统和方法。
根据本发明提供的一种基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统，包括激光测距传感器、智能相机、制孔执行器平台、机械臂制孔控制系统以及机械臂本体控制系统，其中：
激光测距传感器、智能相机设置在制孔执行器平台上；
所述激光测距传感器、智能相机分别采集测距数据、图像数据并发送给机械臂制孔控制系统；
机械臂制孔控制系统用于处理从激光测距仪和智能相机测得的数据；
机械臂本体控制系统用于控制机械臂的运动。
优选地，所述激光测距传感器包括安全监测激光测距传感器和法线找正激光测距传感器，其中：
所述安全监测激光测距传感器的激光射出方向与机械臂电主轴伸出方向平行；
所述法线找正激光测距传感器用于测量机械臂电主轴与加工件产品的位置，提供给机械臂所加工件平面的法线向量。
优选地，所述智能相机包括广角镜头智能相机和长焦镜头智能相机，其中：
所述广角镜头智能相机用于对加工件平面阶梯孔扫描，确定孔位粗定位；
所述长焦镜头智能相机用于确定制孔位置和判断制孔大小。
优选地，所述广角镜头智能相机和长焦镜头智能相机内均包括成像系统和图像处理系统。
优选地，所述机械臂制孔控制系统包括数据采集接口和数据处理系统，其中；
数据采集接口采用总线通信方式，采集激光测距传感器、智能相机和机械臂本体控制系统传来的位置、距离信息，由数据处理系统进行数据处理解算后，得到制孔位置信息。
优选地，所述机械臂本体控制系统接收机械臂制孔控制系统发送的指令，机械臂根据所述指令进行制孔位置定位。
本发明还提供一种基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位方法，包括如下步骤：
坐标系确认步骤：人工引导机械臂选择加工件的多个点进行导教，确认加工件坐标系；
机械臂姿态调节步骤：激光测距传感器对机械臂姿态进行调节；
智能相机定位步骤：智能相机对加工件进行定位；
制孔步骤：根据加工件的阶梯孔精确位置、大小和校正后阶梯孔工作面法向，由机械臂自动调用工具，对加工件框架结构的待制孔区域逐个制孔。
优选地，所述机械臂姿态调节步骤包括：
粗调机械臂姿态步骤：机械臂在人工引导的多个点的每点周围各选取多个点，作为1组，采用法线找正激光测距传感器测量，记录每组多个点的数据，取平均值，作为计算依据，根据多组点位信息，计算工件坐标系，粗调机械臂姿态；
微调机械臂姿态步骤：根据步骤粗调机械臂姿态步骤确定的工件坐标系，机械臂再次携带法线找正激光测距传感器，进行更精确工件坐标系测量，微调机械臂姿态，当机械臂电主轴刀具轴向与加工平面之间的夹角γ≤0.5°时，即找到精确的加工面法向，实现机械臂姿态的精确校准。
优选地，智能相机定位步骤包括：
广角镜头智能相机阶梯孔位扫描粗定位步骤：机械臂法线找正修调完成后，机械臂携带广角镜头智能相机扫描加工件平面，经机械臂制孔控制系统数据处理解算后，绘制加工件平面阶梯孔大概位置和数量信息；
长焦镜头智能相机阶梯孔圆心精准定位步骤：机械臂根据矫正后的法向和阶梯孔大概位置，携带长焦镜头智能相机，依次对每个阶梯孔进行拍照，机械臂制孔控制系统进行数据处理解算后，实现阶梯孔圆心精准位置。
优选地，广角镜头智能相机的像素为200万像素，长焦镜头智能相机的像素为500万像素。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过安全监测激光测距传感器实时监测制孔执行器平台与加工件产品的距离，最大程度保护产品安全；通过法线找正激光测距传感器来测量机械臂电主轴与工件的位置，准确寻找加工件平面的法线向量，保证制孔的垂直度；通过广角镜头智能相机实现阶梯孔位扫描粗定位，再利用长焦镜头智能相机实现阶梯孔圆心精准定位，保证制孔位置精度；采用高精度伺服驱动制孔执行器平台，保证制孔的深度精度。
2、本发明将2个激光测距传感器、2个智能相机、制孔执行器平台、机械臂本体控制系统通过机械臂制孔控制系统的软硬件联动起来，采用激光法线找正控制算法实现机械臂姿态的校准，采用视觉精度测量校准方法实现机械臂制孔位置精确定位，从而引导机械臂精确制孔，形成精密的自反馈系统，在航空、航天等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一种基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统的原理框图；
图2是本发明一种基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔应用场景示意图；
图3是本发明一种基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位方法流程图。
图中：
机械臂制孔定位系统1
制孔执行器平台11
激光测距传感器12
安全监测激光测距传感器121
法线找正激光测距传感器122
智能相机13
广角镜头智能相机131
第一成像系统1311
第一图像处理系统1312
长焦镜头智能相机132
第二成像系统1321
第二图像处理系统1322
机械臂制孔控制系统14
数据采集接口141
数据处理系统142
机械臂本体控制系统15。
加工件2
加工件平面阶梯孔21
制孔位置22
加工体框架结构23
加工件产品24
制孔区域25
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明提供的一种基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统1，包括：2个激光测距传感器12；2个智能相机13；制孔执行器平台11；机械臂制孔控制系统14；机械臂本体控制系统15。2个激光测距传感器12，分别为安全监测激光测距传感器121和法线找正激光测距传感器122。所述安全监测激光测距传感器121激光射出方向与机械臂电主轴伸出方向平行，实时监测制孔执行器平台11与加工件产品24的距离，最大程度保护产品安全；所述法线找正激光测距传感器122用来测量机械臂电主轴与加工件产品24的位置，且通过测量三点位置，提供给机械臂所加工件平面法线向量，使主轴刀具垂直于平面进行制孔，保证制孔的垂直度精度。2个智能相机13，分别为广角镜头智能相机131和长焦镜头智能相机132。所述广角镜头智能相机131负责所加工件平面阶梯孔21扫描，确定孔位粗定位，相机内建有强大的专业机器视觉系统，包括第一成像系统1311和第一图像处理系统1312；所述长焦镜头智能相机132负责确定制孔精确位置22和判断孔大小，相机内建有强大的专业机器视觉系统，包括第二成像系统1321和第二图像处理系统1322。制孔执行器平台11，用于固定激光测距传感器和智能相机，采用高精度伺服驱动，保证制孔的深度精度，上述2个激光测距传感器12和2个智能相机13均安装在执行器平台11上。机械臂制孔控制系统14，用于处理从激光测距仪和智能相机测得的数据，包括数据采集接口141和数据处理系统142。其中，数据采集接口141采用总线通信方式，采集2个激光测距传感器12、2个智能相机13和机械臂本体控制系统15传来的位置、距离等信息，由数据处理系统142进行数据处理解算后，得到制孔位置信息，机械臂制孔控制系统14发送指令给机械臂本体控制系统15，使机械臂根据这些信息进行制孔位置精准定位。机械臂本体控制系统15，用于控制机械臂的高精度高可靠运动。
本发明还提供一种基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位方法，如图3所示，实施步骤如下：
粗测工件坐标系步骤：人工引导机械臂选择加工件产品24上的三个点进行导教，初步确认工件坐标系；
粗调机械臂姿态步骤：切换到机械臂标定工件坐标系功能程序，机械臂在人工引导的3个点的每点周围各选取3个点，作为1组，采用法线找正激光测距传感器测量，记录每组三个点的数据，求其平均值，作为计算依据，对数据异常、突变的点进行报警处理；根据3组点位信息，计算工件坐标系，粗调机械臂姿态；
微调机械臂姿态步骤：根据步骤②确定的工件坐标系，机械臂再次携带法线找正激光测距传感器，进行更精确工件坐标系测量，微调机械臂姿态，当机械臂电主轴刀具轴向与加工平面之间的夹角γ≤0.5°时，即找到了精确的加工面法向，实现了机械臂姿态的精确校准；
广角镜头智能相机阶梯孔位扫描粗定位步骤：机械臂法线找正修调完成后，机械臂携带广角镜头智能相机200万像素扫描加工件平面，经机械臂制孔控制系统14数据处理解算后，绘制加工件平面阶梯孔21大概位置和数量信息；
长焦镜头智能相机阶梯孔圆心精准定位步骤：机械臂根据矫正后的法向和阶梯孔21大概位置，携带长焦镜头智能相机500万像素，依次对每个阶梯孔进行拍照，机械臂制孔控制系统进行数据处理解算后，实现阶梯孔圆心位置22；
制孔步骤：根据阶梯孔精确位置、大小和校正后阶梯孔工作面法向，由机械臂自动调用对应工具，对加工体框架结构23的待制孔区域25逐个制孔。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统，其特征在于，包括激光测距传感器、智能相机、制孔执行器平台、机械臂制孔控制系统以及机械臂本体控制系统，其中：
激光测距传感器、智能相机设置在制孔执行器平台上；
所述激光测距传感器、智能相机分别采集测距数据、图像数据并发送给机械臂制孔控制系统；
机械臂制孔控制系统用于处理从激光测距仪和智能相机测得的数据；
机械臂本体控制系统用于控制机械臂的运动。
2.根据权利要求1所述的基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统，其特征在于，所述激光测距传感器包括安全监测激光测距传感器和法线找正激光测距传感器，其中：
所述安全监测激光测距传感器的激光射出方向与机械臂电主轴伸出方向平行；
所述法线找正激光测距传感器用于测量机械臂电主轴与加工件产品的位置，提供给机械臂所加工件平面的法线向量。
3.根据权利要求1所述的基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统，其特征在于，所述智能相机包括广角镜头智能相机和长焦镜头智能相机，其中：
所述广角镜头智能相机用于对加工件平面阶梯孔扫描，确定孔位粗定位；
所述长焦镜头智能相机用于确定制孔位置和判断制孔大小。
4.根据权利要求3所述的基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统，其特征在于，所述广角镜头智能相机和长焦镜头智能相机内均包括成像系统和图像处理系统。
5.根据权利要求1所述的基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统，其特征在于，所述机械臂制孔控制系统包括数据采集接口和数据处理系统，其中；
数据采集接口采用总线通信方式，采集激光测距传感器、智能相机和机械臂本体控制系统传来的位置、距离信息，由数据处理系统进行数据处理解算后，得到制孔位置信息。
6.根据权利要求1所述的基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统，其特征在于，所述机械臂本体控制系统接收机械臂制孔控制系统发送的指令，机械臂根据所述指令进行制孔位置定位。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位系统的基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
坐标系确认步骤：人工引导机械臂选择加工件的多个点进行导教，确认加工件坐标系；
机械臂姿态调节步骤：激光测距传感器对机械臂姿态进行调节；
智能相机定位步骤：智能相机对加工件进行定位；
制孔步骤：根据加工件的阶梯孔精确位置、大小和校正后阶梯孔工作面法向，由机械臂自动调用工具，对加工件框架结构的待制孔区域逐个制孔。
8.根据权利要求7所述的基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位方法，其特征在于，所述机械臂姿态调节步骤包括：
粗调机械臂姿态步骤：机械臂在人工引导的多个点的每点周围各选取多个点，作为1组，采用法线找正激光测距传感器测量，记录每组多个点的数据，取平均值，作为计算依据，根据多组点位信息，计算工件坐标系，粗调机械臂姿态；
微调机械臂姿态步骤：根据步骤粗调机械臂姿态步骤确定的工件坐标系，机械臂再次携带法线找正激光测距传感器，进行更精确工件坐标系测量，微调机械臂姿态，当机械臂电主轴刀具轴向与加工平面之间的夹角γ≤0.5°时，即找到精确的加工面法向，实现机械臂姿态的精确校准。
9.根据权利要求7所述的基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位方法，其特征在于，智能相机定位步骤包括：
广角镜头智能相机阶梯孔位扫描粗定位步骤：机械臂法线找正修调完成后，机械臂携带广角镜头智能相机扫描加工件平面，经机械臂制孔控制系统数据处理解算后，绘制加工件平面阶梯孔大概位置和数量信息；
长焦镜头智能相机阶梯孔圆心精准定位步骤：机械臂根据矫正后的法向和阶梯孔大概位置，携带长焦镜头智能相机，依次对每个阶梯孔进行拍照，机械臂制孔控制系统进行数据处理解算后，实现阶梯孔圆心精准位置。
10.根据权利要求9所述的基于激光找正和视觉测量的机械臂制孔定位方法，其特征在于，
广角镜头智能相机的像素为200万像素，长焦镜头智能相机的像素为500万像素。
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