CN111805247A - 一种大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大型尺寸工件自动化加工技术领域，具体公开了一种大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，其中，包括：工业六轴机器人、机器人水平第七轴系统、末端加工工具集成系统、视觉扫描系统和上位机，工业六轴机器人、机器人水平第七轴系统、末端加工工具集成系统和视觉扫描系统均与上位机通信连接，工业六轴机器人设置在机器人水平第七轴系统上，末端加工工具集成系统和视觉扫描系统均设置在工业六轴机器人上。本发明还公开了一种应用大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统进行铣削磨抛复合加工的方法。本发明提供的一种大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统能够实现对目标工件的自动化铣削磨抛加工，从而提高了加工精度，保证了加工的一致性。

Description

一种大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统及方法

技术领域

本发明涉及大型尺寸工件自动化加工技术领域，尤其涉及一种大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统及应用大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统进行铣削磨抛复合加工的方法。

背景技术

大型尺寸工件（具体是指工件整体加工面尺寸大于10m×10m）的自动化加工是目前我国智能制造业需攻克的一大难关，常规情况下，一般大型尺寸工件毛坯需最后经过铣削、磨抛两道工序，才可将其外形尺寸控制到给定精度，而国内目前的机器人加工产线，大多仅适用于中小型尺寸工件的自动化加工，并且加工能力单一，仅可实现单一工序加工，尤其在机器人自动化铣削领域，由于较大的铣削力与震动，目前尚缺乏成熟的解决方案。而人工加工效率低，对于加工精度难以保证，而大型尺寸工件的毛坯制造十分困难，如果出现加工问题难以补救，大型的尺寸也需要很多工人协同作业，其加工一致性很差。

发明内容

本发明提供了一种大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统及应用大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统进行铣削磨抛复合加工的方法，解决相关技术中存在的无法实现对大型工件自动化加工的问题。

作为本发明的第一个方面，提供一种大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，其中，包括：工业六轴机器人、机器人水平第七轴系统、末端加工工具集成系统、视觉扫描系统和上位机，所述工业六轴机器人、机器人水平第七轴系统、末端加工工具集成系统和视觉扫描系统均与所述上位机通信连接，所述工业六轴机器人设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述末端加工工具集成系统和所述视觉扫描系统均设置在所述工业六轴机器人上；

所述视觉扫描系统用于对目标工件进行三维扫描并形成点云数据；

所述上位机用于根据所述点云数据形成目标工件的拟合曲面，并根据所述拟合曲面获得目标工件的加工余量；

所述末端加工工具集成系统用于根据所述目标工件的加工余量实现对目标工件的加工；

所述工业六轴机器人用于根据所述目标工件的加工余量带动所述末端加工工具运动到目标工件的加工位置；

所述机器人水平第七轴系统用于根据所述目标工件的加工余量带动所述工业六轴机器人相对目标工件进行水平移动以实现所述工业六轴机器人带动所述末端加工工具移动到目标工件的加工区域。

进一步地，所述视觉扫描系统包括视觉扫描相机和激光跟踪仪系统，所述视觉扫描相机设置在所述末端加工工具集成系统上，所述激光跟踪仪系统设置在所述工业六轴机器人上，所述视觉扫描相机与所述激光跟踪仪系统通信连接，所述视觉扫描相机用于对目标工件进行三维扫描，所述激光跟踪仪系统用于对机器人水平第七轴系统进行标定，并根据所述视觉扫描相机的三维扫描结果形成点云数据。

进一步地，所述末端加工工具集成系统包括：铣削电主轴、力控磨抛工具和工具快换装置，所述铣削电主轴、力控磨抛工具和工具快换装置均设置在所述工业六轴机器人上，所述铣削电主轴和力控磨抛工具与所述工具快换装置连接，所述铣削电主轴用于实现对目标工件的铣削加工，所述力控磨抛工具用于实现对目标工件的磨抛加工，所述工具快换装置用于实现切换铣削磨抛工序。

进一步地，所述末端加工工具集成系统还包括安装支架，所述安装支架用于安装所述视觉扫描系统的视觉扫描相机。

进一步地，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括磨抛工具控制柜，所述磨抛工具控制柜设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述磨抛工具控制柜分别与所述力控磨抛工具和所述上位机通信连接，所述磨抛工具控制柜用于根据所述目标工件的加工余量控制所述力控磨抛工具对目标工件进行磨抛加工。

进一步地，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括机器人控制柜，所述机器人控制柜设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述机器人控制柜分别与所述上位机和所述工业六轴机器人通信连接，所述机器人控制柜用于根据目标工件的加工余量控制所述工业六轴机器人的运动。

进一步地，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括配电柜，所述配电柜设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述配电柜用于为所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统的工作提供电源供应。

进一步地，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括冷却系统，所述冷却系统设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述冷却系统与所述上位机通信连接，所述冷却系统用于在所述上位机的控制下对所述末端加工工具集成系统进行冷却。

进一步地，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括工业集尘器，所述工业集尘器设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述工业集尘器的吸尘管能够跟随所述工业六轴机器人延伸至所述末端加工工具集成系统，用于去除铣削过程中的飞屑与磨抛粉尘。

作为本发明的另一个方面，提供一种应用前文所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统进行铣削磨抛复合加工的方法，其中，包括：

视觉扫描系统对目标工件进行三维扫描并形成点云数据；

上位机根据点云数据形成目标工件的拟合曲面，并根据拟合曲面获得目标工件的加工余量；

上位机根据目标工件的加工余量生成工业六轴机器人的运动轨迹以及机器人水平第七轴系统的移动轨迹；

机器人水平第七轴系统根据机器人水平第七轴系统的移动轨迹带动工业六轴机器人移动以实现所述工业六轴机器人带动末端加工工具移动到目标工件的加工区域；

工业六轴机器人根据工业六轴机器人的运动轨迹带动末端加工工件集成系统运动到当前的加工区域的加工位置，实现对目标工件的加工。

本发明提供的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，通过设置工业六轴机器人、机器人水平第七轴系统、末端加工工具集成系统、视觉扫描系统和上位机，能够实现对目标工件的自动化铣削磨抛加工，从而提高了加工精度，保证了加工的一致性。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1为本发明提供的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统的结构示意图。

图2为本发明提供的末端工具集成系统的铣削结构示意图。

图3为本发明提供的末端工具集成系统的磨抛结构示意图。

图4为本发明提供的应用大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统进行铣削磨抛复合加工的方法的一种实施过程流程图。

图5为本发明提供的应用大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统进行铣削磨抛复合加工的方法的另一种实施过程流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实施例中提供了一种大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，图1是根据本发明实施例提供的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统的结构示意图，如图1所示，包括：工业六轴机器人3、机器人水平第七轴系统4、末端加工工具集成系统1、视觉扫描系统2和上位机5，所述工业六轴机器人3、机器人水平第七轴系统4、末端加工工具集成系统1和视觉扫描系统2均与所述上位机5通信连接，所述工业六轴机器人3设置在所述机器人水平第七轴系统2上，所述末端加工工具集成系统1和所述视觉扫描系统2均设置在所述工业六轴机器人3上；

所述视觉扫描系统2用于对目标工件进行三维扫描并形成点云数据；

所述上位机5用于根据所述点云数据形成目标工件的拟合曲面，并根据所述拟合曲面获得目标工件的加工余量；

所述末端加工工具集成系统1用于根据所述目标工件的加工余量实现对目标工件的加工；

所述工业六轴机器人3用于根据所述目标工件的加工余量带动所述末端加工工具运动到目标工件的加工位置；

所述机器人水平第七轴系统4用于根据所述目标工件的加工余量带动所述工业六轴机器人相对目标工件进行水平移动以实现所述工业六轴机器人带动所述末端加工工具移动到目标工件的加工区域。

本发明实施例提供的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，通过设置工业六轴机器人、机器人水平第七轴系统、末端加工工具集成系统、视觉扫描系统和上位机，能够实现对目标工件的自动化铣削磨抛加工，从而提高了加工精度，保证了加工的一致性。

需要说明的是，本发明所述目标工件均是指工件整体加工面尺寸大于10m×10m的大型尺寸工件。

具体地，所述视觉扫描系统2包括视觉扫描相机和激光跟踪仪系统，所述视觉扫描相机设置在所述末端加工工具集成系统1上，所述激光跟踪仪系统设置在所述工业六轴机器人3上，所述视觉扫描相机与所述激光跟踪仪系统通信连接，所述视觉扫描相机用于对目标工件进行三维扫描，所述激光跟踪仪系统用于对机器人水平第七轴系统4进行标定，并根据所述视觉扫描相机的三维扫描结果形成点云数据。

具体地，如图2和图3所示，所述末端加工工具集成系统1包括：铣削电主轴10、力控磨抛工具11和工具快换装置12，所述铣削电主轴10、力控磨抛工具11和工具快换装置12均设置在所述工业六轴机器人3上，所述铣削电主轴10和力控磨抛工具11与所述工具快换装置12连接，所述铣削电主轴10用于实现对目标工件的铣削加工，所述力控磨抛工具11用于实现对目标工件的磨抛加工，所述工具快换装置12用于实现切换铣削磨抛工序。

具体地，所述末端加工工具集成系统1还包括安装支架，所述安装支架用于安装所述视觉扫描系统的视觉扫描相机。

应当理解的是，末端加工工具集成系统1包含铣削电主轴10、力控磨抛工具11、工具快换装置12，同时提供支架，用于安装视觉扫描系统关键部件视觉扫描相机。工具台放置在机器人水平第七轴系统1的侧面，根据不同工序通过机器人与工具快换装置的协同控制，合理更换工具，切换铣削磨抛工序。同时，末端加工工具集尘系统1具体布局，根据机器人轨迹仿真进行分析，确保加工过程中，工序切换快速有效无干涉。

应当理解的是，所述视觉扫描系统2用于实现对目标工件的三维扫描、曲面重构、点云拼接、点云匹配，保证系统加工精度。

可以理解的是，视觉扫描系统2包括集成在机器人末端的视觉扫描相机和激光跟踪仪系统，系统布设过程中，激光跟踪仪系统可标定机器人水平第七轴系统精度，根据工件尺寸标定各工位基准点。根据具体工件尺寸，细分三维扫描区域，视觉扫描系统可实现转站测量，与相应的视觉点云拼接

具体地，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括磨抛工具控制柜8，所述磨抛工具控制柜8设置在所述机器人水平第七轴系统4上，所述磨抛工具控制柜8分别与所述力控磨抛工具11和所述上位机5通信连接，所述磨抛工具控制柜8用于根据所述目标工件的加工余量控制所述力控磨抛工具11对目标工件进行磨抛加工。

具体地，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括机器人控制柜7，所述机器人控制柜7设置在所述机器人水平第七轴系统4上，所述机器人控制柜7分别与所述上位机5和所述工业六轴机器人3通信连接，所述机器人控制柜7用于根据目标工件的加工余量控制所述工业六轴机器人3的运动。

具体地，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括配电柜9，所述配电柜9设置在所述机器人水平第七轴系统4上，所述配电柜9用于为所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统的工作提供电源供应。

具体地，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括冷却系统6，所述冷却系统6设置在所述机器人水平第七轴系统4上，所述冷却系统6与所述上位机5通信连接，所述冷却系统6用于在所述上位机5的控制下对所述末端加工工具集成系统1进行冷却。

应当理解的是，所述冷却系统6可实现对铣削工具的及时冷却，保证加工稳定性、安全性。

需要说明的是，所述上位机1设置在机器人水平第七轴系统4的侧面，通过操控屏一键式操控，同时设置系统急停系统，通过三色报警灯示警，操控台一键式停机。

优选地，所述上位机包括MCU。

具体地，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括工业集尘器，所述工业集尘器设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述工业集尘器的吸尘管能够跟随所述工业六轴机器人延伸至所述末端加工工具集成系统，用于去除铣削过程中的飞屑与磨抛粉尘。

作为本发明的另一实施例，提供一种应用前文所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统进行铣削磨抛复合加工的方法，其中，包括：

视觉扫描系统对目标工件进行三维扫描并形成点云数据；

上位机根据点云数据形成目标工件的拟合曲面，并根据拟合曲面获得目标工件的加工余量；

上位机根据目标工件的加工余量生成工业六轴机器人的运动轨迹以及机器人水平第七轴系统的移动轨迹；

机器人水平第七轴系统根据机器人水平第七轴系统的移动轨迹带动工业六轴机器人移动以实现所述工业六轴机器人带动末端加工工具移动到目标工件的加工区域；

工业六轴机器人根据工业六轴机器人的运动轨迹带动末端加工工件集成系统运动到当前的加工区域的加工位置，实现对目标工件的加工。

本发明实施例提供的应用前文所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统进行铣削磨抛复合加工的方法，通过工业六轴机器人、机器人水平第七轴系统、末端加工工具集成系统、视觉扫描系统和上位机，实现对目标工件的自动化铣削磨抛加工，从而提高了加工精度，保证了加工的一致性。

下面结合图4和图5对本发明实施例提供的应用前文所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统进行铣削磨抛复合加工的方法进行详细描述。

首先，根据工件尺寸，合理选择和布设系统，进行自动化测量。

具体地，根据工件尺寸，规划水平第七轴模块数与机器人加工工位；

标定各工位位置，标定系统坐标系与机器人工具坐标系转换矩阵；

设计机器人测量轨迹，并通过轨迹仿真确定测量轨迹合理性；

测量系统参数设定，设定机器人在各测量点停留时间；

开始三维扫描和视觉扫描仪位姿跟踪，机器人沿测量轨迹运行并在测量点停留相应时间，视觉扫描仪测量三维数据，并传递给工控机并生成三维点云数据，激光跟踪仪对视觉扫描仪进行六维数据测量并传递给工控机；

对点云数据进行点云拼接，并判断拼接质量；

对点云文件进行曲面重构，并进行曲面拟合；

计算每个数据点到拟合曲面的距离并选出最小负值，将拟合曲面向平面法向的反方向偏置该值绝对值，根据数据点到偏置平面的距离计算所需加工余量。

其次，根据测量数据，规划机器人工序及加工轨迹，并进行铣削磨抛复合加工。

具体地，根据上述步骤规划机器人加工工位与工序；

根据所需加工余量，设置粗铣、精铣、磨抛加工阈值；

在机器人轨迹规划软件中规划机器人各工序加工轨迹；

进行系统复合加工仿真，判断加工轨迹合理性；

电主轴装夹粗铣刀具，调整机器人移动到工位i并对对应加工区域I进行粗铣加工，冷却、除尘系统开始工作；

对粗铣表面进行扫描，如满足阈值要求，则更换精铣刀具；

电主轴装夹精铣刀具，对加工区域I进行精铣加工；

对精铣表面进行扫描，如满足阈值要求，则更换磨抛工具；

对加工区域I进行磨抛加工；

对磨抛表面进行扫描，如满足阈值要求，则该工位加工完成；

判断全部工位是否加工完成，若否，则移动机器人至工位i=i+1，对应加工区域I=I+1，重复前述电主轴装夹粗铣刀具步骤至对磨抛表面进行扫描的步骤，若是，则全部加工工作完成。

关于本发明实施例提供的应用前文所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统进行铣削磨抛复合加工的方法的具体实施过程还可以参照前文的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统的描述，此处不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，其特征在于，包括：工业六轴机器人、机器人水平第七轴系统、末端加工工具集成系统、视觉扫描系统和上位机，所述工业六轴机器人、机器人水平第七轴系统、末端加工工具集成系统和视觉扫描系统均与所述上位机通信连接，所述工业六轴机器人设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述末端加工工具集成系统和所述视觉扫描系统均设置在所述工业六轴机器人上；

所述视觉扫描系统用于对目标工件进行三维扫描并形成点云数据；

所述上位机用于根据所述点云数据形成目标工件的拟合曲面，并根据所述拟合曲面获得目标工件的加工余量；

所述末端加工工具集成系统用于根据所述目标工件的加工余量实现对目标工件的加工；

所述工业六轴机器人用于根据所述目标工件的加工余量带动所述末端加工工具运动到目标工件的加工位置；

所述机器人水平第七轴系统用于根据所述目标工件的加工余量带动所述工业六轴机器人相对目标工件进行水平移动以实现所述工业六轴机器人带动所述末端加工工具移动到目标工件的加工区域。

2.根据权利要求1所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，其特征在于，所述视觉扫描系统包括视觉扫描相机和激光跟踪仪系统，所述视觉扫描相机设置在所述末端加工工具集成系统上，所述激光跟踪仪系统设置在所述工业六轴机器人上，所述视觉扫描相机与所述激光跟踪仪系统通信连接，所述视觉扫描相机用于对目标工件进行三维扫描，所述激光跟踪仪系统用于对机器人水平第七轴系统进行标定，并根据所述视觉扫描相机的三维扫描结果形成点云数据。

3.根据权利要求1所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，其特征在于，所述末端加工工具集成系统包括：铣削电主轴、力控磨抛工具和工具快换装置，所述铣削电主轴、力控磨抛工具和工具快换装置均设置在所述工业六轴机器人上，所述铣削电主轴和力控磨抛工具与所述工具快换装置连接，所述铣削电主轴用于实现对目标工件的铣削加工，所述力控磨抛工具用于实现对目标工件的磨抛加工，所述工具快换装置用于实现切换铣削磨抛工序。

4.根据权利要求3所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，其特征在于，所述末端加工工具集成系统还包括安装支架，所述安装支架用于安装所述视觉扫描系统的视觉扫描相机。

5.根据权利要求3所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，其特征在于，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括磨抛工具控制柜，所述磨抛工具控制柜设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述磨抛工具控制柜分别与所述力控磨抛工具和所述上位机通信连接，所述磨抛工具控制柜用于根据所述目标工件的加工余量控制所述力控磨抛工具对目标工件进行磨抛加工。

6.根据权利要求1所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，其特征在于，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括机器人控制柜，所述机器人控制柜设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述机器人控制柜分别与所述上位机和所述工业六轴机器人通信连接，所述机器人控制柜用于根据目标工件的加工余量控制所述工业六轴机器人的运动。

7.根据权利要求1所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，其特征在于，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括配电柜，所述配电柜设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述配电柜用于为所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统的工作提供电源供应。

8.根据权利要求1所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，其特征在于，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括冷却系统，所述冷却系统设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述冷却系统与所述上位机通信连接，所述冷却系统用于在所述上位机的控制下对所述末端加工工具集成系统进行冷却。

9.根据权利要求1所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统，其特征在于，所述大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统还包括工业集尘器，所述工业集尘器设置在所述机器人水平第七轴系统上，所述工业集尘器的吸尘管能够跟随所述工业六轴机器人延伸至所述末端加工工具集成系统，用于去除铣削过程中的飞屑与磨抛粉尘。

10.一种应用权利要求1至9中任意一项所述的大型工件自动化铣削磨抛复合加工系统进行铣削磨抛复合加工的方法，其特征在于，包括：

视觉扫描系统对目标工件进行三维扫描并形成点云数据；

上位机根据点云数据形成目标工件的拟合曲面，并根据拟合曲面获得目标工件的加工余量；

上位机根据目标工件的加工余量生成工业六轴机器人的运动轨迹以及机器人水平第七轴系统的移动轨迹；

机器人水平第七轴系统根据机器人水平第七轴系统的移动轨迹带动工业六轴机器人移动以实现所述工业六轴机器人带动末端加工工具移动到目标工件的加工区域；

工业六轴机器人根据工业六轴机器人的运动轨迹带动末端加工工件集成系统运动到当前的加工区域的加工位置，实现对目标工件的加工。

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