CN111558870B - 一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统，包括：控制系统模块、机器人模块、导轨模块、末端工具模块、吸尘装置模块，所述控制系统模块用于控制所述打磨系统；所述导轨模块用于承载并带动机器人移动；所述机器人模块用于带动所述末端工具在打磨过程中运动；所述末端工具模块包括传感器、快换装置、结构光扫描装置、柔性打磨头，所述快换装置用于快速更换所述结构光扫描装置或所述柔性打磨头；所述吸尘装置用于吸收所述柔性打磨头在打磨过程中产生的粉尘。通过上述方案，能够实现飞机机体复合材料构件快速测量、智能规划与精确加工一体化的机器人打磨，提高了打磨质量和效率，并减少了粉尘危害。此外，本发明的实施方式提供了一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法。

Description

一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统及方法

技术领域

本发明属于材料打磨技术领域，更具体地，涉及一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统及方法。

背景技术

飞机发动机、汽轮机叶片和模具等机械零部件，其外形轮廓复杂、精度要求高，国内外对这些复杂自由曲面的精加工多以手工打磨加工为主，但同时存在对工人经验技术要求较高且产品合格率不高的问题，因此采用机器人打磨已成为当前产业实现升级换代的理想的解决方案。

轻量化是飞机结构发展永恒的追求，碳纤维、玻璃纤维类复合材料具有密度小、模量高、强度高、热膨胀系数小的固有特点，以及具有良好的抗腐蚀、抗疲劳、阻尼特性等优异性能，此类材料在飞机中所占比例越来越大。飞机机体复合材料构件具有型面复杂、结构刚性弱等特点，其打磨加工要求苛刻，加工品质直接影响构件后期表面涂覆性能。目前，人工打磨作业劳动强度大、效率低、表面质量一致性差。因此实现飞机复合材料大部件的高精度、高效率、绿色化的生产模式，是亟待攻克的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统及方法，通过由机器人模块、导轨模块、末端工具模块、吸尘装置模块组成的智能打磨系统与控制系统模块配合完成对材料构件的智能打磨、恒力打磨，减小打磨过程中飞机复合材料构件的变形量，提高打磨质量和效率。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，包括：控制系统模块、机器人模块、导轨模块、末端工具模块、吸尘装置模块，其中，

所述控制系统模块与各个模块连接，用于控制所述打磨系统；

所述导轨模块与机器人模块相连接，用于承载并带动机器人移动；

所述机器人模块与所述末端工具模块相连接，用于带动所述末端工具在打磨过程中运动；

所述末端工具模块包括传感器、快换装置、结构光扫描装置、柔性打磨头，其中所述传感器一侧与所述机器人模块相连接，所述传感器另一侧与所述快换装置相连接，所述快换装置通过与所述结构光扫描装置或所述柔性打磨头相连接实现工具更换；

所述吸尘装置模块的工作端将所述柔性打磨头末端包裹，用于吸收所述柔性打磨头在打磨过程中产生的粉尘。

优选地，所述机器人模块为六轴工业机器人；

所述传感器为六维力传感器。

优选地，所述控制系统模块包括离线编程插件模块，所述离线编程插件模块用于生成机器人模块中机器人运动轨迹。

优选地，所述结构光扫描装置发射面结构光进行扫描，用于获得构件三维点云数据。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法，应用于上述的一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统，所述一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法包括：

导入待打磨构件的三维模型；

根据所述的三维模型生成机器人的运动轨迹，并通过结构光扫描装置进行扫描，以获得实际构件的三维点云数据；

采用移动最小二乘曲面算法对所述三维点云数据进行拟合与光滑平顺处理，建立精确模型；

根据所述三维模型与所述精确模型获取各个区域去除余量；

根据预设值判断所述去除余量是否在误差允许范围内；

若不符合，则进入打磨程序；

若符合，打磨完成。

优选地，在所述若不符合，则进入打磨程序之后还包括：通过控制系统生成机器人运动轨迹，并仿真运行；所述机器人夹持柔性打磨头根据所述运动轨迹进行打磨，打磨结束后，继续执行根据所述的理想三维模型生成机器人的移动轨迹，并通过结构光扫描装置进行扫描，以获得实际构件的三维点云数据的步骤；

优选地，所述采用移动最小二乘曲面算法对所述三维点云数据进行拟合与光滑平顺处理，建立精确模型包括：采用移动最小二乘法进行法矢估计，将邻域法矢夹角的均值作为三维点的显著性指标进行特征点判别，以快速得到所述精确模型。

优选地，所述通过控制系统生成机器人运动轨迹包括：通过离线编程插件来规划所述机器人的运动轨迹；相应地，离线编程插件来规划所述机器人的运动轨迹包括：所述离线编程插件根据打磨材料构件的模型和设定的打磨参数自动生成机器人运动轨迹。

优选地，所述导入待打磨构件的三维模型之前还包括：初始化打磨系统。

本发明提出一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统，包括：控制系统模块、机器人模块、导轨模块、末端工具模块、吸尘装置模块，其中，所述控制系统模块与各个模块连接，用于控制所述打磨系统；所述导轨模块与机器人模块相连接，用于承载并带动机器人移动；所述机器人模块与所述末端工具模块相连接，用于带动所述末端工具在打磨过程中运动；所述末端工具模块包括传感器、快换装置、结构光扫描装置、柔性打磨头，其中所述传感器一侧与所述机器人模块相连接，所述传感器另一侧与所述快换装置相连接，所述快换装置通过与所述结构光扫描装置或所述柔性打磨头相连接实现工具更换；所述吸尘装置模块的工作端将所述柔性打磨头末端包裹，用于吸收所述柔性打磨头在打磨过程中产生的粉尘。通过上述方案，能够实现材料构件快速测量、智能规划与精确加工一体化的闭环机器人打磨，提高了打磨质量和效率，减小打磨过程中飞机复合材料构件的变形量，并减少了粉尘危害。

附图说明

图1为本发明实施例一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统示意图；

图2为本发明实施例一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法流程图；

图3为本发明实施例一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法另一流程图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施例一

参见图1所示，为本发明实施例一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统示意图，具体包括：控制系统模块、机器人模块、导轨模块、末端工具模块、吸尘装置模块，其中，

所述控制系统模块与各个模块连接，用于控制所述打磨系统；

所述导轨模块与机器人模块相连接，用于承载并带动机器人移动；

所述机器人模块与所述末端工具模块相连接，用于带动所述末端工具在打磨过程中运动；

所述末端工具模块包括传感器、快换装置、结构光扫描装置、柔性打磨头，其中所述传感器一侧与所述机器人模块相连接，所述传感器另一侧与所述快换装置相连接，所述结构光扫描装置和所述柔性打磨头均可与快换装置连接；

所述吸尘装置模块的工作端将所述柔性打磨头末端包裹，用于吸收所述柔性打磨头在打磨过程中产生的粉尘。

本发明实施例提供了一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统，具体应用场景为打磨飞机复合材料构件，但本发明并不限于上述场景。具体包括：控制系统模块、机器人模块、导轨模块、末端工具模块、吸尘装置模块。其中控制系统模块属于智能控制系统，而机器人模块、导轨模块、末端工具模块、吸尘装置模块属于智能打磨系统，因此，本系统由智能打磨系统和智能控制系统组成。

控制系统模块与各个模块连接，用于控制所述打磨系统。实现复合材料构件快速测量、智能规划、精确加工一体化的机器人打磨。

导轨模块用来承载工业机器人，并带动工业机器人移动，以增加自由度，扩大工业机器人工作范围。

机器人模块与末端工具模块相连接，用于带动所述末端工具在打磨过程中运动。在本发明实施例中，机器人模块优选六轴工业机器人，常见的六轴工业机器人包含旋转(S轴)，下臂(L轴)、上臂(U轴)、手腕旋转(R轴)、手腕摆动(B轴)和手腕回转(T轴)。6个关节合成实现末端的6自由度动作。

末端工具模块包括传感器、快换装置、结构光扫描装置、柔性打磨头，其中传感器一侧与所述机器人模块相连接，传感器另一侧与快换装置相连接，快换装置通过与结构光扫描装置或柔性打磨头相连接实现工具更换。

在本发明实施例中，传感器优先选用六维力传感器。可见，六维力传感器一侧始终与工业机器人相连接，另一侧与快换装置相连接，结构光扫描装置和和柔性打磨头均可与快换装置连接，以减少更换工具的时间。

这里，快换装置通过与结构光扫描装置或柔性打磨头相连接实现工具更换，指的是实现两种末端工具的快速更换，可以举例为一种气动的夹具，放气后即可松开结构光扫描装置，然后移动到柔性打磨头上方，通气后即可夹持住柔性打磨头。其中两种末端工具具有相同结构、相同尺寸的连接结构。

这里，结构光扫描装置发射面结构光进行扫描，单次扫描覆盖面积大，快速获得构件三维点云数据。

所述吸尘装置模块的工作端将所述柔性打磨头末端包裹，用于吸收柔性打磨头在打磨过程中产生的粉尘。这里，吸尘装置模块的工作端可呈圆柱形将柔性打磨头末端包裹，吸收打磨过程中95％以上的粉尘，减少对环境和人员的影响。

进一步地，所述控制系统模块包括离线编程插件模块，所述离线编程插件模块用于生成机器人模块中机器人运动轨迹。

在本发明实施例中，控制系统模块包括离线编程插件模块，离线编程插件模块是指一种SDK(Software Development Kit，软件工具开发包)插件，可根据待打磨材料构建的模型和设定的打磨参数自动生成机器人运动轨迹。这里的离线编程是与人工手动编程相对的表达方式。

进一步地，所述结构光扫描装置发射面结构光进行扫描，用于获得构件三维点云数据。

在本发明实施例中，所述的结构光扫描装置由一个居中的投影仪和两侧的两个摄影头组成，投影仪按正弦曲线的形式投影出条纹，摄影头捕捉条纹，在算法计算下生成点云，所述点云是指在同一空间参考系下表达目标空间分布和目标表面特性的海量点集合。

进一步地，在本发明实施例中，所述末端工具可更替，除打磨外亦可满足搬运、码垛、焊接、喷涂类工作的需求。另外，本控制系统可控制多个机器人，使其实现协同加工。增强了系统的可拓展性。

本发明提出一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统，包括：控制系统模块、机器人模块、导轨模块、末端工具模块、吸尘装置模块，其中，所述控制系统模块与各个模块连接，用于控制所述打磨系统；所述导轨模块与机器人模块相连接，用于承载并带动机器人移动；所述机器人模块与所述末端工具模块相连接，用于带动所述末端工具在打磨过程中运动；所述末端工具模块包括传感器、快换装置、结构光扫描装置、柔性打磨头，其中所述传感器一侧与所述机器人模块相连接，所述传感器另一侧与所述快换装置相连接，所述快换装置通过与所述结构光扫描装置或所述柔性打磨头相连接实现工具更换；所述吸尘装置模块的工作端将所述柔性打磨头末端包裹，用于吸收所述柔性打磨头在打磨过程中产生的粉尘。通过上述方案，能够实现材料构件快速测量、智能规划与精确加工一体化的闭环机器人打磨，提高了打磨质量和效率，减小打磨过程中飞机复合材料构件的变形量，并减少粉尘危害。且本发明的可拓展性强，可与其它系统配合使用。

实施例二

参见图2所示，为本发明实施例一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法流程图，应用于所述一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统，具体包括：

S10：导入待打磨构件的三维模型；

S20：根据所述的三维模型生成机器人的运动轨迹，并通过结构光扫描装置进行扫描，以获得实际构件的三维点云数据；

S30：采用移动最小二乘曲面算法对所述三维点云数据进行拟合与光滑平顺处理，建立精确模型；

S40：根据所述三维模型与所述精确模型获取各个区域去除余量；

S50：根据预设值判断所述去除余量是否在误差允许范围内；

若不符合，则进入打磨程序；

若符合，打磨完成。

具体地，步骤S10导入待打磨构件的三维模型；

这里，待打磨构件的三维模型，即导入理想的材料构件设计模型。

进一步地，在步骤S10导入待打磨构件的三维模型之前还包括：

初始化打磨系统；

在本实施例中，在对材料构件进行打磨之前还需要对系统进行初始化。

步骤S20：根据所述的三维模型生成机器人的运动轨迹，并通过结构光扫描装置进行扫描，以获得实际构件的三维点云数据；

这里，根据导入的理想三维模型智能生成机器人的运动轨迹，此处指调用离线编程插件实现，即保证结构光扫描装置与待加工表面保持相对垂直并保持恒定距离后，沿S型轨迹移动。所述结构光扫描装置在实施例一中已经详细描述，这里不再赘述。最终获得实际材料构件的三维点云数据。

步骤S30：采用移动最小二乘曲面算法对所述三维点云数据进行拟合与光滑平顺处理，建立精确模型；

在本发明实施例中，采用动最小二乘曲面算法对所述三维点云数据进行拟合与光滑平顺处理，建立精确模型。所述拟合就是把平面上一系列的点，用一条光滑的曲线连接起来。因为这条曲线有无数种可能，从而有各种拟合方法。拟合的曲线一般可以用函数表示。而光滑平顺处理为剔除于整体差异较大的点，并使曲线更加光滑，消除锯齿。

步骤S40：根据所述三维模型与所述精确模型获取各个区域去除余量；

在本步骤中，根据上述得到的两种模型获取各个区域的去除余量。这里的去除余量类似于加工余量的概念。此过程具体算法存储在工业计算机中，由扫描并处理优化后得到的三维模型减去设计模型后得到，这里的设计模型即为精确模型。

步骤S50：根据预设值判断所述去除余量是否在误差允许范围内；

最后，根据预设值去判断步骤S40得到的去除余量是否在允许的误差范围内，这里的预设值为人为设置，而允许误差范围即误差值由设计时的公差带和曲面的光滑性共同决定。若不符合，则进入打磨程序；若符合，打磨完成。

进一步地，具体参见图3，为本发明实施例一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法另一流程图。具体为：若不符合，则进入打磨程序。

所述打磨程序包括：

步骤S51：通过控制系统生成机器人运动轨迹，并仿真运行；

步骤S52：所述机器人夹持柔性打磨头根据所述运动轨迹进行打磨，打磨结束后，继续执行根据所述的理想三维模型生成机器人的运动轨迹，并通过结构光扫描装置进行扫描，以获得实际构件的三维点云数据的步骤；

首先，通过控制系统生成机器人运动轨迹，并仿真运行。这里通过控制系统可以智能生成机器人运动轨迹，生成时间由电脑的算力和待打磨区域面积共同决定。

其次，所述机器人夹持柔性打磨头根据所述运动轨迹进行打磨，打磨结束后，继续执行根据所述的理想三维模型生成机器人的运动轨迹，并通过结构光扫描装置进行扫描，以获得实际构件的三维点云数据的步骤，直至打磨完成。

进一步地，步骤S30：采用移动最小二乘曲面算法对所述三维点云数据进行拟合与光滑平顺处理，建立精确模型包括：

采用移动最小二乘法进行法矢估计，将邻域法矢夹角的均值作为三维点的显著性指标进行特征点判别，以快速得到所述精确模型。

具体地，本发明实施例采用移动最小二乘法进行估算，所述移动最小二乘法是形成无网格方法逼近函数的方法之一。已在无网格方法中得到广泛应用，其优点是有很好的数学理论支持，因为基于最小二乘法，所以数值精度较高。这里，法矢即法向量，由于得到的是点云模型，点云是离散的难以直接确定其法平面，所以需要运用移动最小二乘法，并结合K邻域算法，将临近的几个点看成一个整体，进而得到最具代表性的法平面或法线。然后将邻域法矢夹角的均值作为三维点的显著性指标进行特征点判别，能显著提高计算精度，并对提取出的特征点集进行下采样大大减少了冗余数据，最终可快速得到实际模型。

进一步地，步骤S51通过控制系统生成机器人运动轨迹包括：通过离线编程插件来规划所述机器人的运动轨迹；相应地，离线编程插件来规划所述机器人的运动轨迹包括：所述离线编程插件根据打磨材料构件的模型和设定的打磨参数自动生成机器人运动轨迹。

首先说明，这里的机器人运动轨迹含与导轨的联动，由开发的离线编程插件来实现其轨迹规划的功能。所述离线编程插件，补充说明中离线编程插件是指由开发人员开发的SDK插件，可根据待打磨工件的模型和设定的打磨参数自动生成机器人运动轨迹。该离线编程是与人工手动编程相对的表达方式。值得注意的是，此步骤的运动轨迹与步骤S20的运动轨迹均是通过离线编程插件实现的，但两者实现的前提不同。

本发明提出一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法，包括：导入待打磨构件的三维模型；根据所述的三维模型生成机器人的运动轨迹，并通过结构光扫描装置进行扫描，以获得实际构件的三维点云数据；采用移动最小二乘曲面算法对所述三维点云数据进行拟合与光滑平顺处理，建立精确模型；根据所述三维模型与所述精确模型获取各个区域去除余量；根据预设值判断所述去除余量是否在误差允许范围内；若不符合，则进入打磨程序；若符合，打磨完成。通过上述方案，能够实现材料构件快速测量、智能规划与精确加工一体化的闭环机器人打磨，提高了打磨质量和效率，减小打磨过程中飞机复合材料构件的变形量，并减少粉尘危害。且本发明的可拓展性强，可与其它系统配合使用。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法，其特征在于，采用飞机机体复合材料构件机器人智能打磨系统实现，该系统包括控制系统模块、机器人模块、导轨模块、末端工具模块以及吸尘装置模块，所述方法包括：

导入待打磨构件的三维模型；

根据所述的三维模型生成机器人的运动轨迹，并通过结构光扫描装置进行扫描，以获得实际构件的三维点云数据；

采用移动最小二乘曲面算法对所述三维点云数据进行拟合与光滑平顺处理，建立精确模型；

根据所述三维模型与所述精确模型获取各个区域去除余量；

根据预设值判断所述去除余量是否在误差允许范围内；

若不符合，则进入打磨程序，包括：

通过控制系统生成机器人运动轨迹，并仿真运行；

所述机器人夹持柔性打磨头根据所述运动轨迹进行打磨，打磨结束后，继续执行根据所述三维模型生成机器人的运动轨迹，并通过结构光扫描装置进行扫描，以获得实际构件的三维点云数据；

若符合，打磨完成。

2.根据权利要求1所述的一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法，其特征在于，所述采用移动最小二乘曲面算法对所述三维点云数据进行拟合与光滑平顺处理，建立精确模型包括：

采用移动最小二乘法进行法矢估计，将邻域法矢夹角的均值作为三维点的显著性指标进行特征点判别，以快速得到所述精确模型。

3.根据权利要求1所述的一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法，其特征在于，所述通过控制系统生成机器人运动轨迹包括：

通过离线编程插件来规划所述机器人的运动轨迹；

相应地，离线编程插件来规划所述机器人的运动轨迹包括：

所述离线编程插件根据待打磨构件的三维模型及精确模型和设定的打磨参数自动生成机器人运动轨迹。

4.根据权利要求1所述的一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法，其特征在于，所述导入待打磨构件的三维模型之前还包括：

初始化打磨系统。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法，其特征在于，

所述控制系统模块与各个模块连接，用于控制所述打磨系统；

所述导轨模块与机器人模块相连接，用于承载并带动机器人移动；

所述机器人模块与所述末端工具模块相连接，用于带动所述末端工具模块在打磨过程中运动；

所述末端工具模块包括传感器、快换装置、结构光扫描装置、柔性打磨头，其中所述传感器一侧与所述机器人模块相连接，所述传感器另一侧与所述快换装置相连接，所述快换装置通过与所述结构光扫描装置或所述柔性打磨头相连接实现工具更换；

所述吸尘装置模块的工作端将所述柔性打磨头末端包裹，用于吸收所述柔性打磨头在打磨过程中产生的粉尘。

6.根据权利要求5所述的一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法，其特征在于，

所述机器人模块为六轴工业机器人；

所述传感器为六维力传感器。

7.根据权利要求5所述的一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法，其特征在于，

所述控制系统模块包括离线编程插件模块，所述离线编程插件模块用于生成机器人模块中机器人运动轨迹。

8.根据权利要求5所述的一种飞机机体复合材料构件机器人智能打磨方法，其特征在于，

所述结构光扫描装置发射面结构光进行扫描，用于获得实际构件的三维点云数据。

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