CN111390764A - 机器人智能抛光的砂纸自动更换装置和砂纸自动更换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人智能抛光的砂纸自动更换装置，属于机器人研磨抛光设备技术领域。其结构包括气动夹爪、工业相机、砂纸盒及电动推杆。机器人将磨头上的磨损砂纸放入气动夹爪位置，夹爪夹持砂纸边缘，机器人移动将砂纸撕下；利用工业相机进行图像采集，得到磨头吸尘孔与砂纸吸尘孔的角度偏差；机器人将磨头按照角度偏差旋转一定角度并放入装有不同粒度砂纸的砂纸盒中粘取新的砂纸；电动推杆向上推进一个位置，使砂纸盒中的砂纸一直保持一定高度。本发明解决了机器人智能抛光过程中人工参与频繁跟换砂纸的现象，提高了机器人智能抛光的自动化水平及设备整体加工效率。

Description

机器人智能抛光的砂纸自动更换装置和砂纸自动更换方法

技术领域

本发明涉及机器人研磨抛光设备技术领域，具体的说是一种机器人智能抛光的砂纸自动更换装置和砂纸自动更换方法。

背景技术

目前我国的研磨抛光方法仍然以手工研磨、手工抛光为主，不仅劳动强度大，加工效率低，对工人技术熟练程度要求高，而且是工人职业病高发领域。因此，研磨抛光机器人的大量应用是实现“机械换人”，推动传统制造业实现技术转型升级的重要途径。

研磨抛光机器人是指不切除或从工件表面上切除极薄材料层，以减小工件表面粗糙度为目的的工业机器人系统，其工艺形式包括机器人研磨、机器人抛光、机器人去毛刺等。研磨抛光机器人覆盖的应用领域包括汽车、航空、航天、精密仪器、模具等国民经济的多个领域，是工业机器人的重要应用领域之一。

砂纸的更换是研磨抛光机器人自动化运转的重要环节，传统砂纸更换方式是在机器人研磨抛光过程中砂纸磨损时，暂停设备手动更换砂纸，在研磨抛光现场还保留一定人工参与程度，对人的身体仍有一定危害，同时存在操作失误风险，生产效率低，是研磨抛光机器人自动化程度不足的现象。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的是提供一种机器人智能抛光的砂纸自动更换装置和砂纸自动更换方法，解决机器人智能抛光过程中人工参与频繁跟换砂纸的现象，提高机器人智能抛光的自动化水平及设备整体加工效率。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种机器人智能抛光的砂纸自动更换装置，该装置包括打磨头、气动夹爪、工业相机、砂纸盒、电动推杆和工作平台；其中：

所述打磨头固定于机器人末端法兰上，打磨头的工作面上粘有砂纸；所述打磨头带有吸尘孔，所述砂纸为带吸尘孔的背绒圆盘砂纸，采用按压方式即贴合到打磨头上，打磨头的吸尘孔需要与砂纸上的吸尘孔相对应；

所述气动夹爪固定在工作平台上表面，并高出工作平台上表面一定高度，用于破损砂纸的夹取；

所述工业相机嵌入工作平台上表面并位于所述气动夹爪的旁侧，所述工业相机用于打磨头吸尘孔图像采集，并确定打磨头吸尘孔与砂纸吸尘孔的角度偏差；

所述砂纸盒设置于工作平台的上表面，用于放置不同粒度的砂纸；所述砂纸盒为上端开口的圆筒状结构，砂纸盒内设有活塞，活塞能在圆筒内自由滑动，所述砂纸放置在砂纸盒内的活塞上面；砂纸盒横截面积略大于砂纸面积，砂纸内的砂纸按吸尘孔以固定角度摆放，砂纸盒内可装任意数量的砂纸。

所述电动推杆固定在工作平台上，并设置于所述砂纸盒的下方；所述电动推杆能够向上推进砂纸盒内的活塞，从而带动砂纸动作并使砂纸盒内的砂纸保持在一定高度。

用于抛光的抛光机器人、打磨头、气动夹爪、工业相机和砂纸盒等部件在同一坐标系下具有固定不变的相对位置关系。

所述砂纸的面积比打磨头的打磨面面积稍大一圈；所述气动夹爪采用平口尖形结构夹爪，保证夹持接触力，气动夹爪开度略大于砂纸厚度；机器人将打磨头精准送至气动夹爪位置，控制夹爪闭合紧扣砂纸边缘，然后机器人斜向上动作，以将砂纸撕下。

利用工业相机进行打磨头吸尘孔图像采集，并确定磨头吸尘孔与砂纸吸尘孔的角度偏差的过程为：利用图像检测算法，工业相机检测得到打磨头上最外圈圆形吸尘孔区域，计算得到所有最外圈圆形吸尘孔区域的中心位置及磨头中心P，中心P与所有圆形吸尘孔区域的中心连线所成夹角为360°除以n，n为磨头上最外圈吸尘孔的数量。计算该中心P与任意圆形吸尘孔区域中心的向量和水平方向所成的角度α。利用α对

取余，得到角度偏差β，根据就近原则，若β<180°/n，则打磨头需要转动角度为β，若β>180°/n，则打磨头需要反向转动角度为(360°/n-β)。

PC机将角度与方向信息以数字量的方式传给PLC控制系统，PLC控制系统将信息转化为机器人可执行代码控制机器人末端法兰转动以匹配打磨头及砂纸的吸尘孔位置。

砂纸盒活塞下设有的电动推杆当砂纸减少一张时自动向上移动一个位置，保证盒内最外层砂纸平面高度固定，砂纸盒及电动推杆的设计根据砂纸盒内需要配置的砂纸尺寸及数量完成。

利用所述装置进行机器人智能抛光的砂纸自动更换方法，该方法首先利用抛光机器人将磨头上的磨损砂纸移至气动夹爪位置，夹爪闭合夹持砂纸边缘后，机器人移动将砂纸撕下；利用工业相机进行打磨头吸尘孔图像采集，确定磨头吸尘孔与砂纸吸尘孔的角度偏差；机器人将磨头按照角度偏差旋转一定角度后，移至装有不同粒度砂纸的砂纸盒中粘取新的砂纸；电动推杆向上推进一个位置，使砂纸盒中的最表面的砂纸一直保持在固定高度。

该更换方法具体包括如下步骤：

(1)将气动夹爪、工业相机和砂纸盒等部件按照合适位置安装在工作平台上，保证研磨抛光机器人、智能打磨头、气动夹爪和工业相机在同一坐标系下具有不变的相对位置关系；

(2)当智能抛光机器人判定砂纸需要更换后，生成断点信息，打磨头停止转动，此时打磨头吸尘孔方位不可知，机器人将磨头上的磨损砂纸放入气动夹爪位置，机器人停止，将信号反馈回下位机PLC控制系统，PLC发出指令控制夹爪闭合夹持砂纸边缘，返回夹紧信号，系统控制机器人按照程序规划好的路径斜向上45度，将砂纸撕下；

(3)机器人按规划好的路径将打磨头送至工业相机正上方，获取打磨头吸尘孔图像信息，将图像信息通过以太网传给PC机，利用图像检测算法，工业相机检测得到打磨头最外圈圆形吸尘孔区域，计算得到所有圆形吸尘孔区域的中心位置及磨头中心P，中心P与所有圆形区域的中心连线所成夹角为360°除以n。计算该中心P与任意圆形吸尘孔区域中心的向量和水平方向所成的角度α。利用α对

取余，得到角度偏差β，根据就近原则，若β<180°/n，则需要转动角度为β，若β>180°/n，则需要反向转动角度为(360°/n-β)；打磨头转动后，打磨头上吸尘孔的位置回归到步骤(1)中的初始位置；

(4)PC机将角度与方向信息以数字量的方式传给PLC，PLC将信息转化为机器人可执行代码控制机器人末端法兰转动以匹配打磨头及砂纸的吸尘孔位置；

(5)机器人调整吸尘孔方位后按照规划好的路径移动至砂纸盒位置，垂直向下粘取所需要粒度的新的砂纸，机器人按照之前的断点信息继续打磨抛光工作，同时对应砂纸盒下方的电动推杆向上推进一个位置，使砂纸盒中的砂纸保持相同高度。

本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明所述的砂纸更换装置主要采用夹爪、相机、砂纸盒及电动推杆，成本低，可靠性高。

(2)本发明所述的砂纸更换装置利用视觉系统进行吸尘孔方位识别，利用机器人自身调整姿态来对正吸尘孔，对打磨头自身没有过多的功能要求，对原有的研磨抛光机器人结构无附加更改。

(3)本发明所述的砂纸自动更换装置能够适应不同尺寸及数量的砂纸更换要求，在机器人可达空间范围内，任意添加不同粒度及材质的砂纸，具有很强的适应性。

附图说明

图1为本发明装置整体结构图。

图2为研磨抛光机器人端部一般结构图。

图3为砂纸及打磨头吸尘孔一般布置图。

图4为气动夹爪撕除磨损砂纸示意图。

其中：1-气动夹爪，2-工业相机，3-砂纸盒，4-电动推杆，5-工业机器人，6-柔顺装置，7-打磨头，8-砂纸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种机器人智能抛光的砂纸自动更换装置和更换方法，更换装置的结构如图1-4。该装置包括打磨头7、气动夹爪1、工业相机2、砂纸盒3、电动推杆4和工作平台；用于抛光的抛光机器人、打磨头、气动夹爪、工业相机和砂纸盒等部件在同一坐标系下具有固定不变的相对位置关系。

如图2所示，所述打磨头固定于工业机器人5末端法兰上，打磨头的工作面上粘有砂纸；所述打磨头带有吸尘孔(图3)，所述砂纸为带吸尘孔的背绒圆盘砂纸，采用按压方式即贴合到打磨头上，打磨头的吸尘孔需要与砂纸上的吸尘孔相对应；本发明适合的智能打磨抛光机器人的一般结构为机器人末端依次连接智能柔顺装置(包括主动柔顺及被动柔顺装置)6，以背绒式砂纸为打磨工具的打磨头。

所述气动夹爪固定在工作平台上表面，并高出工作平台上表面一定高度，用于破损砂纸的夹取；所述砂纸的面积比打磨头的打磨面面积稍大一圈；所述气动夹爪采用平口尖形结构夹爪，保证夹持接触力，气动夹爪开度略大于砂纸厚度；机器人将打磨头精准送至气动夹爪位置，控制夹爪闭合紧扣砂纸边缘，然后机器人斜向上动作，以将砂纸撕下。

所述工业相机嵌入工作平台上表面并位于所述气动夹爪的旁侧，所述工业相机用于打磨头吸尘孔图像采集，并确定打磨头吸尘孔与砂纸吸尘孔的角度偏差；

所述砂纸盒设置于工作平台的上表面，用于放置不同粒度的砂纸；所述砂纸盒为上端开口的圆筒状结构，砂纸盒内设有活塞，活塞能在圆筒内自由滑动，所述砂纸放置在砂纸盒内的活塞上面；砂纸盒横截面积略大于砂纸面积，砂纸内的砂纸按吸尘孔以固定角度摆放，砂纸盒内可装任意数量的砂纸。所述电动推杆固定在工作平台上，并设置于所述砂纸盒的下方；所述电动推杆能够向上推进砂纸盒内的活塞，当砂纸减少一张时自动向上移动一个位置，保证盒内最外层砂纸平面高度固定，砂纸盒及电动推杆的设计根据砂纸盒内需要配置的砂纸尺寸及数量完成。

利用工业相机进行打磨头吸尘孔图像采集，并确定磨头吸尘孔与砂纸吸尘孔的角度偏差的过程为：利用图像检测算法，工业相机检测得到打磨头上最外圈圆形吸尘孔区域，计算得到所有最外圈圆形吸尘孔区域的中心位置及磨头中心P，中心P与所有圆形吸尘孔区域的中心连线所成夹角为360°除以n，n为磨头上最外圈吸尘孔的数量。计算该中心P与任意圆形吸尘孔区域中心的向量和水平方向所成的角度α。利用α对

取余，得到角度偏差β，根据就近原则，若β<180°/n，则打磨头需要转动角度为β，若β>180°/n，则打磨头需要反向转动角度为(360°/n-β)。

PC机将角度与方向信息以数字量的方式传给PLC控制系统，PLC控制系统将信息转化为机器人可执行代码，控制机器人末端法兰转动以匹配打磨头及砂纸的吸尘孔位置。

利用所述装置进行机器人智能抛光的砂纸自动更换方法，包括如下步骤：

(1)将气动夹爪、工业相机和砂纸盒等部件按照合适位置安装在工作平台上，保证研磨抛光机器人、智能打磨头、气动夹爪和工业相机在同一坐标系下具有不变的相对位置关系；

(2)当智能抛光机器人判定砂纸需要更换后，生成断点信息，打磨头停止转动，此时打磨头吸尘孔方位不可知，机器人将磨头上的磨损砂纸放入气动夹爪位置，机器人停止，将信号反馈回下位机PLC控制系统，PLC发出指令控制夹爪闭合夹持砂纸边缘，返回夹紧信号，系统控制机器人按照程序规划好的路径斜向上45度，以最小的力将砂纸撕下；

(3)机器人按规划好的路径将打磨头以最适合识别距离送至工业相机正上方，获取打磨头吸尘孔图像信息，将图像信息通过以太网传给PC机，利用图像检测算法，工业相机检测得到打磨头最外圈圆形吸尘孔区域，计算得到所有圆形吸尘孔区域的中心位置及磨头中心P，中心P与所有圆形区域的中心连线所成夹角为360°除以n。计算该中心P与任意圆形吸尘孔区域中心的向量和水平方向所成的角度α。利用α对

取余，得到角度偏差β，根据就近原则，若β<180°/n，则需要转动角度为β，若β>180°/n，则需要反向转动角度为(360°/n-β)；打磨头转动后，打磨头上吸尘孔的位置回归到步骤(1)中的初始位置；

(4)PC机将角度与方向信息以数字量的方式传给PLC，PLC将信息转化为机器人可执行代码控制机器人末端法兰转动以匹配打磨头及砂纸的吸尘孔位置；

(5)机器人调整吸尘孔方位后按照规划好的路径移动至砂纸盒位置，垂直向下粘取所需要粒度的新的砂纸，机器人按照之前的断点信息继续打磨抛光工作，同时对应砂纸盒下方的电动推杆向上推进一个位置，使砂纸盒中的砂纸保持相同高度。

Claims (8)

1.一种机器人智能抛光的砂纸自动更换装置，其特征在于：该装置包括打磨头、气动夹爪、工业相机、砂纸盒、电动推杆和工作平台；其中：

所述打磨头固定于机器人末端法兰上，打磨头的工作面上粘有砂纸；所述打磨头带有吸尘孔，所述砂纸为带吸尘孔的背绒圆盘砂纸，采用按压方式即贴合到打磨头上，打磨头的吸尘孔需要与砂纸上的吸尘孔相对应；

所述气动夹爪固定在工作平台上表面，并高出工作平台上表面一定高度，用于破损砂纸的夹取；

所述工业相机嵌入工作平台上表面并位于所述气动夹爪的旁侧，所述工业相机用于打磨头吸尘孔图像采集，并确定打磨头吸尘孔与砂纸吸尘孔的角度偏差；

所述砂纸盒设置于工作平台的上表面，用于放置不同粒度的砂纸；所述砂纸盒为上端开口的圆筒状结构，砂纸盒内设有活塞，活塞能在圆筒内自由滑动，所述砂纸放置在砂纸盒内的活塞上面；砂纸盒横截面积略大于砂纸面积，砂纸内的砂纸按吸尘孔以固定角度摆放，砂纸盒内可装任意数量的砂纸。

所述电动推杆固定在工作平台上，并设置于所述砂纸盒的下方；所述电动推杆能够向上推进砂纸盒内的活塞，从而带动砂纸动作并使砂纸盒内的砂纸保持在一定高度。

2.根据权利要求1所述的机器人智能抛光的砂纸自动更换装置，其特征在于：用于抛光的抛光机器人、打磨头、气动夹爪、工业相机和砂纸盒等部件在同一坐标系下具有固定不变的相对位置关系。

3.根据权利要求1所述的机器人智能抛光的砂纸自动更换装置，其特征在于：所述砂纸的面积比打磨头的打磨面面积稍大一圈；所述气动夹爪采用平口尖形结构夹爪，保证夹持接触力，气动夹爪开度略大于砂纸厚度；机器人将打磨头精准送至气动夹爪位置，控制夹爪闭合紧扣砂纸边缘，然后机器人斜向上动作，以将砂纸撕下。

4.根据权利要求1所述的机器人智能抛光的砂纸自动更换装置，其特征在于：利用工业相机进行打磨头吸尘孔图像采集，并确定磨头吸尘孔与砂纸吸尘孔的角度偏差的过程为：利用图像检测算法，工业相机检测得到打磨头上最外圈圆形吸尘孔区域，计算得到所有最外圈圆形吸尘孔区域的中心位置及磨头中心P，中心P与所有圆形吸尘孔区域的中心连线所成夹角为360°除以n，n为磨头上最外圈吸尘孔的数量；计算该中心P与任意圆形吸尘孔区域中心的向量和水平方向所成的角度α。利用α对

取余，得到角度偏差β，根据就近原则，若β<180°/n，则打磨头需要转动角度为β，若β>180°/n，则打磨头需要反向转动角度为(360°/n-β)。

5.根据权利要求4所述的机器人智能抛光的砂纸自动更换装置，其特征在于：PC机将角度与方向信息以数字量的方式传给PLC控制系统，PLC控制系统将信息转化为机器人可执行代码控制机器人末端法兰转动以匹配打磨头及砂纸的吸尘孔位置。

6.根据权利要求1所述的机器人智能抛光的砂纸自动更换装置，其特征在于：砂纸盒活塞下设有的电动推杆当砂纸减少一张时自动向上移动一个位置，保证盒内最外层砂纸平面高度固定，砂纸盒及电动推杆的设计根据砂纸盒内需要配置的砂纸尺寸及数量完成。

7.一种利用权利要求1所述装置进行的机器人智能抛光的砂纸自动更换方法，其特征在于：该方法首先利用抛光机器人将磨头上的磨损砂纸移至气动夹爪位置，夹爪闭合夹持砂纸边缘后，机器人移动将砂纸撕下；

利用工业相机进行打磨头吸尘孔图像采集，确定磨头吸尘孔与砂纸吸尘孔的角度偏差；

机器人将磨头按照角度偏差旋转一定角度后，移至装有不同粒度砂纸的砂纸盒中粘取新的砂纸；

电动推杆向上推进一个位置，使砂纸盒中的最表面的砂纸一直保持在固定高度。

8.根据权利要求7所述的机器人智能抛光的砂纸自动更换方法，其特征在于：该更换方法具体包括如下步骤：

(1)将气动夹爪、工业相机和砂纸盒等部件按照合适位置安装在工作平台上，保证研磨抛光机器人、智能打磨头、气动夹爪和工业相机在同一坐标系下具有不变的相对位置关系；

(2)当智能抛光机器人判定砂纸需要更换后，生成断点信息，打磨头停止转动，此时打磨头吸尘孔方位不可知，机器人将磨头上的磨损砂纸放入气动夹爪位置，机器人停止，将信号反馈回下位机PLC控制系统，PLC发出指令控制夹爪闭合夹持砂纸边缘，返回夹紧信号，系统控制机器人按照程序规划好的路径斜向上45度，将砂纸撕下；

(3)机器人按规划好的路径将打磨头送至工业相机正上方，获取打磨头吸尘孔图像信息，将图像信息通过以太网传给PC机，利用图像检测算法，工业相机检测得到打磨头最外圈圆形吸尘孔区域，计算得到所有圆形吸尘孔区域的中心位置及磨头中心P，中心P与所有圆形区域的中心连线所成夹角为360°除以n。计算该中心P与任意圆形吸尘孔区域中心的向量和水平方向所成的角度α。利用α对

取余，得到角度偏差β，根据就近原则，若β<180°/n，则需要转动角度为β，若β>180°/n，则需要反向转动角度为(360°/n-β)；打磨头转动后，打磨头上吸尘孔的位置回归到步骤(1)中的初始位置；

(4)PC机将角度与方向信息以数字量的方式传给PLC，PLC将信息转化为机器人可执行代码控制机器人末端法兰转动以匹配打磨头及砂纸的吸尘孔位置；

(5)机器人调整吸尘孔方位后按照规划好的路径移动至砂纸盒位置，垂直向下粘取所需要粒度的新的砂纸，机器人按照之前的断点信息继续打磨抛光工作，同时对应砂纸盒下方的电动推杆向上推进一个位置，使砂纸盒中的砂纸保持相同高度。

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