CN110549351B - 一种物料氧化层打磨机器人控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物料氧化层打磨机器人的控制系统及其控制方法，该系统由视觉识别相机、微控制器、运动执行机构以及控制算法组成，视觉识别相机完成物料表面情况与物料高度的信息采集；微控制器完成采集数据融合和控制算法的实现；运动执行机构驱动打磨机器人机械部件运动；控制算法采用融合视觉识别与高度差最小二分法的算法，使打磨机器人对氧化工件进行精确打磨。本发明能解决因物料氧化层厚度不固定而无法打磨固定厚度的问题，从而提高生产效率并降低生产成本。

Description

一种物料氧化层打磨机器人控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种自动化系统，具体是涉及一种用于物料氧化层打磨机器人控制系统及其控制方法。

背景技术

工厂内生产过程中，工件氧化现象经常发生。工件氧化后，会对工件的机械结构、工件气密性、工件的其他应用等造成极大损伤。因此在应用工件前对工件的打磨非常重要。传统打磨分为机器打磨与人工打磨。机器打磨一般采用单一信号控制打磨，因此打磨精度不高，甚至会损伤工件。人工打磨效率低下，有些工件甚至会危害工人健康。因此，迫切需要研究一种高精度、更可靠的控制系统来对工件进行打磨。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种结构简单、系统稳定、精度高、成本低的物料氧化层打磨机器人控制系统及其控制方法，以期能解决因物料氧化层厚度不固定而无法采用机器自动化打磨固定厚度的问题，从而提高生产效率并降低生产成本。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种物料氧化层打磨机器人的控制系统的特点是包括：视觉识别相机、微控制器、运动执行机构；所述视觉识别相机由表面成像相机与高度测量相机构成；

所述表面成像相机采集物料表面图像信号后判断物料表面是否有氧化层，如存在氧化层，则所述微控制器控制所述高度测量相机采集物料高度信号并计算物料表面的氧化层厚度，再利用高度差最小二分法得到打磨厚度后，判断打磨厚度是否大于运动执行机打磨的最小精度△x，若大于，则所述微控制器将所述打磨厚度传递给所述运动执行机构，由所述运动执行机构对物料表面的氧化层进行打磨，并在打磨完成后反馈暂时完成信号给所述微控制器，若不大于，则微控制器将所述最小精度△x传递给所述运动执行机构，由所述运动执行机构对物料表面的氧化层进行打磨，并在打磨完成后反馈完成信号给所述微控制器；若不存在氧化层，则所述微控制器发送等待信号给所述高度测量相机和运动执行机构；

所述微控制若接收到所述暂时完成信号，则控制所述表面成像相机再次采集物料表面图像信号并进行判断和处理，直到物料表面不存在氧化层为止；

所述微控制若接收到所述完成信号，则所述微控制器发送等待信号给所述高度测量相机和运动执行机构。

本发明一种物料氧化层打磨机器人的控制方法的特点是应用于由表面成像相机、高度测量相机、微控制器、运动执行机构所组成的打磨工作站系统中，并按如下步骤进行：

步骤1、定义循环变量为n，并初始化n＝1；

步骤2、所述表面成像相机第n次采集物料表面图像信号后判断物料表面是否有氧化层，如存在氧化层，则执行步骤2；若不存在氧化层，则执行步骤8；

步骤3、所述微控制器控制所述高度测量相机第n次采集物料高度信号并利用式(1)计算物料表面的第n次氧化层厚度h’：

h’⁽ⁿ⁾＝h1⁽ⁿ⁾–h2 (1)

式(1)中，h1⁽ⁿ⁾为第n次采集的物料与氧化层的整体高度，h2为物料高度；

步骤4、所述微控制器利用式(2)所示的高度差最小二分法得到第n次打磨厚度h3⁽ⁿ⁾：

h3⁽ⁿ⁾＝h’⁽ⁿ⁾/2 (2)

步骤5、所述微控制器判断第n次打磨厚度h3⁽ⁿ⁾是否大于运动执行机打磨的最小精度△x，若大于，执行步骤6；若不大于，则执行步骤7；

步骤6、所述微控制器将所述第n次打磨厚度h3⁽ⁿ⁾传递给所述运动执行机构，由所述运动执行机构对物料表面的氧化层进行第n次打磨，并在第n次打磨完成后反馈暂时完成信号给所述微控制器后，将n+1赋值给n后，返回步骤2；

步骤7、所述微控制器将所述最小精度△x传递给所述运动执行机构，由所述运动执行机构对物料表面的氧化层进行第n次打磨，并在第n次打磨完成后执行步骤8；

步骤8、所述微控制器发送等待信号给所述高度测量相机和运动执行机构。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明通过将多信息融合技术(视觉识别表面图像与物料高度)、高度差最小二分法相结合，对物料氧化层进行自动化打磨，克服了现有技术中因物料氧化层厚度不固定而无法采用机器自动化打磨固定厚度的问题，提高了生产系统的效率，提升了生产系统的精度，降低了人工成本，缩减了打磨过程对物料造成的损害，增强了对生产系统的管理与控制，减少了打磨后工业粉尘对人体的伤害。

2.本发明通过多信息融合技术，采用表面成像相机采集物料表面图像信号与高度测量相机采集物料高度信号，改善了了现有技术中仅以单一信号作为判断标志的问题，解决了因单一信号工作站无法对氧化层厚度不固定的物料进行打磨的问题并取代了人工打磨氧化层厚度不固定的物料的模式，提升了工作效率，缩减了人工成本，减少了工业粉尘对人的伤害。

3.本发明通过高度差最小二分法，并将结果与运动执行机构做比较，反复计算出每次打磨的厚度，根据实际情况对物料进行打磨，形成负反馈闭环，取代了传统打磨工作站打磨固定厚度的方法，从而大大提高了打磨精度，不断地负反馈调节使打磨过程大大减少了对物料的磨损，提升了工艺质量。

附图说明

图1是本发明控制系统整体结构示意图；

图2是本发明视觉识别与高度差最小二分法的算法原理示意图；

图3是本发明控制方法示意图；

图中标号：h1⁽ⁿ⁾为n次测量物料与氧化层整体高度，h2为物料高度，h3⁽ⁿ⁾为n次打磨厚度，△h⁽ⁿ⁾为n次打磨后的剩余高度。

具体实施方式

本实施例中，一种物料氧化层打磨机器人的控制系统是一种结合了表面视觉识别与物料高度构成多信息融合打磨工作站系统，如图1所示，包括：视觉识别相机、微控制器、运动执行机构和控制算法；

本实施例中，视觉识别相机采用KEYENCE LJ-X8000，该视觉识别相机测量的信号并非单一信号是由表面成像相机与高度测量相机构成，并为系统提供2路融合的视觉识别信号，即物料表面图像信号和物料高度信号；从而完成物料表面情况识别与物料高度的测量；物料表面图像信号的作用是观察物料表面是否有氧化层，为视觉识别与高度差最小二分法的算法中视觉识别提供数据，从而判断物料是否需要进行打磨；物料高度信号的作用是测量物料与氧化层的共同高度，为视觉识别与高度差最小二分法的算法中最小二分法部分提供数据，计算出每次需要打磨的厚度。视觉识别相机采集到2路数据后，通过其自身的总线接口，用总线通信Profibus与PLC进行通信。本实施例中的多信息融合技术为系统提供了2路标志位，从而使系统可以对拥有非固定厚度氧化层的物料进行自动化打磨；同时为系统提供负反馈调节，提高系统打磨精度，减少打磨对物料的损耗。

该运动执行机构由工业机器人构成，本实施例中，工业机器人采用FANUC ARCMATE100iB，其含有总线接口和视觉识别相机支架，视觉识别相机安装在工业机器人的支架上，工业机器人带动其运动到指定位置，进行视觉识别工作。通过总线通信Profibus与PLC进行交互，使工业机器人能携带视觉识别相机到达指定位置并开始进行物料氧化层打磨工作，从而完成带动相机运动和测量以及物料氧化层打磨过程；

该微控制器由可编程逻辑控制器PLC构成，本实施例中，PLC采用SIEMENS 1215C，PLC内部带有总线接口、IO接口、ADC模块、DAC模块等，可以通过总线通信Profibus与视觉识别相机通信，并获取视觉信号，再将采集的视觉信号信号统一转化并进行处理，最终生成控制信号并通过总线通信Profibus反馈至工业机器人，使运动机器人带动相机到指定坐标，并执行打磨工序，从而完成处理视觉识别信号、执行控制算法与控制工业机器人的功能；

该控制算法采用融合视觉识别与高度差最小二分法的算法，根据物料氧化层的表面情况和物料的剩余高度，对下次打磨的程度进行调节。

具体的说，该系统中的表面成像相机采集物料表面图像信号后判断物料表面是否有氧化层，如存在氧化层，则微控制器控制高度测量相机采集物料高度信号并计算物料表面的氧化层厚度，再利用高度差最小二分法得到打磨厚度后，判断打磨厚度是否大于运动执行机打磨的最小精度△x，若大于，则微控制器将打磨厚度传递给运动执行机构，由运动执行机构对物料表面的氧化层进行打磨，并在打磨完成后反馈暂时完成信号给微控制器，若不大于，则微控制器将最小精度△x传递给运动执行机构，由运动执行机构对物料表面的氧化层进行打磨，并在打磨完成后反馈完成信号给微控制器；若不存在氧化层，则微控制器发送等待信号给高度测量相机和运动执行机构；

微控制若接收到暂时完成信号，则控制表面成像相机再次采集物料表面图像信号并进行判断和处理，直到物料表面不存在氧化层为止；通过对打磨过程进行负反馈控制，使得系统能根据打磨氧化层情况对物料进行强度递减的打磨，直至物料氧化层消失。

微控制若接收到完成信号，则微控制器发送等待信号给高度测量相机和运动执行机构。该算法利用负反馈调节，不断修改每次打磨氧化层的厚度，从而大幅提高打磨精度，同时也不会对物料本身造成过多损耗，提升了工艺质量。

本实施例中，一种物料氧化层打磨机器人的控制方法是应用于由表面成像相机、高度测量相机、微控制器、运动执行机构所组成的打磨工作站系统中，如图3所示，并按如下步骤进行：

步骤1、上电后，系统先进行初始化操作，根据要求配置各个模块参数，然后进行系统自检，在确保各个模块工作正常的情况下，系统进入主循环。如果发现故障，则进入错误报警状态。定义循环变量为n，并初始化n＝1；

步骤2、系统开始运行时，表面成像相机第n次采集物料表面图像信号后判断物料表面是否有氧化层，如存在氧化层，则执行步骤2；若不存在氧化层，则执行步骤8；

步骤3、如图2所示，微控制器控制高度测量相机第n次采集物料高度信号并利用式(1)计算物料表面的第n次氧化层厚度h’：

h’⁽ⁿ⁾＝h1⁽ⁿ⁾–h2 (1)

式(1)中，h1⁽ⁿ⁾为第n次采集的物料与氧化层的整体高度，h2为物料高度，并根据物料工艺参数获得；

步骤4、为保证打磨不损伤物料，机器人不直接打磨氧化层厚度h1⁽ⁿ⁾，而是打磨初次测得氧化层厚度的一半，即微控制器利用式(2)所示的高度差最小二分法得到第n次打磨厚度h3⁽ⁿ⁾：

h3⁽ⁿ⁾＝h’⁽ⁿ⁾/2 (2)

步骤5、微控制器判断第n次打磨厚度h3⁽ⁿ⁾是否大于运动执行机打磨的最小精度△x，若大于，执行步骤6；若不大于，则系统进行最后一次打磨，并执行步骤7；

步骤6、微控制器将第n次打磨厚度h3⁽ⁿ⁾传递给运动执行机构，由运动执行机构对物料表面的氧化层进行第n次打磨，并在第n次打磨完成后反馈暂时完成信号给微控制器后，将n+1赋值给n后，返回步骤2；

步骤7、微控制器将最小精度△x传递给运动执行机构，由运动执行机构对物料表面的氧化层进行第n次打磨，并在第n次打磨完成后执行步骤8；

步骤8、当打磨过程结束后，进入暂时打磨完成状态，微控制器发送等待信号给高度测量相机和运动执行机构。

综上所述，本发明解决了物料氧化层厚度不固定无法打磨固定厚度的问题；解决了人工打磨的高昂成本问题；解决了生产效率低下的问题；解决了生产精度低的问题，解决了工业粉尘对人体造成伤害的问题。此系统具有结构简单、容易实现、成本低、方便管理等优点。

Claims (2)

1.一种物料氧化层打磨机器人的控制系统，其特征是包括：视觉识别相机、微控制器、运动执行机构；所述视觉识别相机由表面成像相机与高度测量相机构成；

所述表面成像相机采集物料表面图像信号后判断物料表面是否有氧化层，如存在氧化层，则所述微控制器控制所述高度测量相机采集物料高度信号即物料与氧化层的整体高度并减去根据物料工艺参数获得的物料高度，从而得到物料表面的氧化层厚度，再利用高度差最小二分法得到打磨厚度后，判断打磨厚度是否大于运动执行机打磨的最小精度△x，若大于，则所述微控制器将所述打磨厚度传递给所述运动执行机构，由所述运动执行机构对物料表面的氧化层进行打磨，并在打磨完成后反馈暂时完成信号给所述微控制器，若不大于，则微控制器将所述最小精度△x传递给所述运动执行机构，由所述运动执行机构对物料表面的氧化层进行打磨，并在打磨完成后反馈完成信号给所述微控制器；若不存在氧化层，则所述微控制器发送等待信号给所述高度测量相机和运动执行机构；

所述微控制若接收到所述暂时完成信号，则控制所述表面成像相机再次采集物料表面图像信号并进行判断和处理，直到物料表面不存在氧化层为止；

所述微控制若接收到所述完成信号，则所述微控制器发送等待信号给所述高度测量相机和运动执行机构。

2.一种物料氧化层打磨机器人的控制方法，其特征是应用于由表面成像相机、高度测量相机、微控制器、运动执行机构所组成的打磨工作站系统中，并按如下步骤进行：

步骤1、定义循环变量为n，并初始化n＝1；

步骤2、所述表面成像相机第n次采集物料表面图像信号后判断物料表面是否有氧化层，如存在氧化层，则执行步骤2；若不存在氧化层，则执行步骤8；

步骤3、所述微控制器控制所述高度测量相机第n次采集物料高度信号并利用式(1)计算物料表面的第n次氧化层厚度h’：

h’⁽ⁿ⁾＝h1⁽ⁿ⁾–h2 (1)

式(1)中，h1⁽ⁿ⁾为第n次采集的物料与氧化层的整体高度，h2为物料高度；

步骤4、所述微控制器利用式(2)所示的高度差最小二分法得到第n次打磨厚度h3⁽ⁿ⁾：

h3⁽ⁿ⁾＝h’⁽ⁿ⁾/2 (2)

步骤5、所述微控制器判断第n次打磨厚度h3⁽ⁿ⁾是否大于运动执行机打磨的最小精度△x，若大于，执行步骤6；若不大于，则执行步骤7；

步骤6、所述微控制器将所述第n次打磨厚度h3⁽ⁿ⁾传递给所述运动执行机构，由所述运动执行机构对物料表面的氧化层进行第n次打磨，并在第n次打磨完成后反馈暂时完成信号给所述微控制器后，将n+1赋值给n后，返回步骤2；

步骤7、所述微控制器将所述最小精度△x传递给所述运动执行机构，由所述运动执行机构对物料表面的氧化层进行第n次打磨，并在第n次打磨完成后执行步骤8；

步骤8、所述微控制器发送等待信号给所述高度测量相机和运动执行机构。

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