CN111922496B - 基于等离子气刨的工件缺陷消除方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子气刨的铸锻件缺陷消除方法及系统，首先利用视觉扫描系统扫描获取工件表面三维模型数据；根据工件加工参数设置阈值；根据阈值对比工件表面三维模型数据获取工件缺陷特征；在工件表面三维模型数据上标识工件缺陷特征；然后根据工件缺陷特征并与标准特征匹配得到对应工件缺陷特征的等离子气刨区域；根据等离子气刨区域生成气刨路径数据；将生成的气刨路径数据发送到机器人；最后设置并启动等离子气刨设备；通过等离子气刨设备对工件上的等离子气刨区域内的缺陷进行气刨。该系统及方法能自动对大型锻件进行表面处理，使其达到大型铸锻件的设计要求，操作者不需要处于现场环境中进行工作，改善了操作者的工作环境，提高了生产效率。

Description

基于等离子气刨的工件缺陷消除方法及系统

技术领域

本发明涉及铸锻件加工技术领域，特别是涉及基于等离子气刨的工件缺陷消除方法及系统。

背景技术

大型铸锻件是经过铸锻形成，在其表面往往会产生各种缺陷，需要对大型锻件进行表面处理，使其达到大型铸锻件的设计要求，现有的表面处理往往是依靠人工进行处理，造成工作现场环境十分恶劣，带来诸多技术、经济及社会问题，特别是高污染、招工难等现象，且人工处理过程很容易出现偏差，进而需要重新修复铸锻件，有时候甚至会对铸锻件造成破坏，无法进行修复，造成巨大损失，延误工期。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于等离子气刨的铸锻件缺陷消除系统及方法，该系统的自动化程度高、操作容易。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的一种基于等离子气刨的工件缺陷消除方法，包括以下步骤：

利用视觉扫描系统扫描获取工件表面三维模型数据；

在工件表面三维模型数据上确定工件缺陷特征；

在工件缺陷三维模型数据上标识工件缺陷特征；

根据工件缺陷特征与工件标准特征确定需要对工件缺陷特征进行等离子气刨的目标特征；

根据工件材质信息、加工状态参数和目标特征获得等离子气刨区域和运行路径；

将等离子气刨区域和运行路径发送到机器人并启动等离子气刨设备；

通过等离子气刨设备对工件上的等离子气刨区域内的缺陷特征进行气刨。

进一步，所述工件标准特征为存储于工艺数据库中的预先采集的工件缺陷特征数据，所述工艺数据库的工件缺陷特征数据包括工件缺陷的形状、类型、大小以及对应的目标形状。

进一步，所述工件缺陷特征数据包括工件表面上形成的孔洞、裂纹或槽痕；所述工件缺陷特征数据的气刨运行路径是根据工件材质信息、工件缺陷特征以及对应的目标形状来设定的。

进一步，所述等离子气刨设备是根据工件材质信息、工件缺陷特征以及对应的目标形状来配置等离子气刨设备的工作电流。

进一步，所述视觉扫描系统采用激光扫描系统。

进一步，所述等离子气刨区域按照以下方式形成：

将机器人移动到加工工件处；

将关键加工识别装置移动到加工工件需要加工的加工点上；

获取机器人当前坐标值和关键加工识别装置的位置，并计算出加工点在加工工件表面三维模型中对应的轨迹加工点；

在加工工件表面三维模型中标出计算出的轨迹加工点；

根据轨迹加工点在加工工件表面三维模型的分布情况将各轨迹加工点连接组成等离子气刨区域。

进一步，所述将关键加工识别装置设置于加工工件所需加工区域边沿的加工点上，具体按照以下步骤进行：

所述关键加工识别装置移动到待加工点上，判断关键加工识别装置是否能够与加工点匹配，如果匹配，则该点为加工点；如果不能够匹配，则调整关键加工识别装置在加工工件上的位置，重复上面的操作过程直到关键加工识别装置与待加工点匹配。

进一步，所述关键加工识别装置为设置于机器人上激光发射装置，所述激光发射装置用于向加工工件发射激光点，通过移动激光发射装置调整激光点在加工工件上的位置，重复上面的操作过程直到激光点与待加工点重合。

本发明提供的基于等离子气刨的工件缺陷消除系统，包括工件表面三维模型单元、工件缺陷特征确定单元、工件缺陷特征标识单元、目标特征确定单元、等离子气刨参数生成单元和等离子气刨加工单元；

所述工件表面三维模型单元，通过视觉扫描系统扫描获取工件表面三维模型数据；

所述工件缺陷特征确定单元，用于在工件表面三维模型数据上确定工件缺陷特征；

所述工件缺陷特征标识单元，用于在工件缺陷三维模型数据上标识工件缺陷特征；

所述目标特征确定单元，根据工件缺陷特征与工件标准特征确定需要对工件缺陷特征进行等离子气刨的目标特征；

所述等离子气刨参数生成单元，根据工件材质信息、加工状态参数和目标特征获得等离

子气刨区域和运行路径；

所述等离子气刨加工单元，将等离子气刨区域和运行路径发送到机器人并启动等离子气刨设备；通过等离子气刨设备对工件上的等离子气刨区域内的缺陷特征进行气刨。

进一步，所述等离子气刨区域按照以下方式形成：

将机器人移动到加工工件处；

将关键加工识别装置移动到加工工件需要加工的加工点上；

获取机器人当前坐标值和关键加工识别装置的位置，并计算出加工点在加工工件表面三维模型中对应的轨迹加工点；

在加工工件表面三维模型中标出计算出的轨迹加工点；

根据轨迹加工点在加工工件表面三维模型的分布情况将各轨迹加工点连接组成等离子气刨区域；

所述将关键加工识别装置设置于加工工件所需加工区域边沿的加工点上，具体按照以下步骤进行：

所述关键加工识别装置移动到待加工点上，判断关键加工识别装置是否能够与加工点匹配，如果匹配，则该点为加工点；如果不能够匹配，则调整关键加工识别装置在加工工件上的位置，重复上面的操作过程直到关键加工识别装置与待加工点匹配。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的基于等离子气刨的工件缺陷消除方法，首先利用视觉扫描系统扫描获取工件表面三维模型数据；根据工件加工参数设置阈值；根据阈值对比工件表面三维模型数据获取工件缺陷特征；在工件表面三维模型数据上标识工件缺陷特征；然后根据工件缺陷特征并与标准特征匹配得到对应工件缺陷特征的等离子气刨区域；根据等离子气刨区域生成气刨路径数据；将生成的气刨路径数据发送到机器人；最后设置并启动等离子气刨设备；通过等离子气刨设备对工件上的等离子气刨区域内的缺陷进行气刨。

该系统及方法能自动对大型锻件进行表面缺陷进行处理，使其达到大型工件的设计要求，操作者不需要处于现场环境中进行工作，改善了操作者的工作环境，提高了生产效率。

本发明提供的等离子气刨区域是基于实物定位选取加工点来确定气刨区域，通过关键加工识别装置从加工工件实物上获取加工工件所需加工区域边沿的待加工点，然后根据加工工件的坐标值和关键加工识别装置的位置，计算出待加工点在加工三维模型中对应的轨迹加工点；在加工三维模型中标出计算出的轨迹加工点；最终形成加工轨迹模型；该方法解决了在实际加工过程中，通过加工工件的三维模型难以确定加工区域的问题，由于需要加工工件的体积大，表面不规则，在三维模型中存在被遮挡的加工位置，从而导致难以确定加工工件的实际加工区域，通过在加工工件上确定被遮挡的加工点，进而根据加工工件在加工现场中的坐标位置计算出被遮挡的加工点在三维模型中的对应位置，就可以准确的确定三维模型的加工区域的选取，提高了加工过程的效率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为基于等离子气刨的工件缺陷消除工作流程图。

图2为基于等离子气刨的工件缺陷消除系统示意图。

标记说明：1：机器人控制柜；2：机器人本体；3：移动导轨；4：导轨锁紧机构；5：安装平台；6：电控柜、7：气刨工件；81：等离子枪电源；82：等离子枪电缆；83：等离子气刨枪；9：辅助排渣喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的基于等离子气刨的工件缺陷消除方法，包括以下步骤：

铸锻件吊装到工作台固定；

利用机器视觉获取工件表面三维图像；

PC上的图形处理软件生成工件实际模型；

根据工件加工参数设置阈值；软件自动提取工件缺陷特征，并在图像上进行标识；例如当缺陷为孔时，主要包含两个方面，一是孔的截面面积(S₀)大小，二是孔的深度(H₀)大小,软件系统根据用户设定的S₀和H₀进行系统自动识别并在模型上进行缺陷标记，同时在缺陷旁边显示出该缺陷的实际S₀和H₀；

用户根据实际图形进行缺陷确认；

调用工艺库，根据缺陷特征自动匹配气刨后的目标形状；本系统的工艺库数据来源于在系统设计时，采集的人工进行缺陷消除的经验数据，该数据包含基于缺陷形状、类型、大小以及对应的目标形状；同时在系统运行中，系统自动根据实际使用情况对工艺库的数据进行适当修正。

PC软件根据目标形状和工件材质，生成气刨路径；

等离子起弧，启动工业机器人，等离子自动调高设备运行；

工业机器人运行，接收生成的气刨路径，自动运行气刨。

本实施例提供的工件缺陷包括工件表面上形成的孔洞、裂纹、槽痕等；

孔洞处理的具体处理过程：

1)根据图像识别后，确定出不同尺寸的孔洞，通过调用工艺库确定出需要等离子气刨的目标形状；

2)系统根据设定的参数信息(等离子气刨的电流、运行速度、气体流量)和工件的材质(高碳钢、低碳钢、不锈钢)，计算出等离子气刨的运行路径(机器人的运行轨迹)；

3)单次等离子气刨结束后，用户根据实际情况确认是否完成；如果部分区域未达到要求，可相同轨迹重复气刨一次。

本实施例提供的工件为大型铸锻件，该大型工件的表面结构比较复杂，实际加工中无法按照单一的模式进行加工操作，因此还可以对需要加工的大型工件的表面进行分区域加工，而大型工件的表面加工区域往往是通过构建三维模型来实现的，在三维模型中选取区域加工的区域，因此，本系统中还设置有基于三维模型选取加工区域选择单元，避免区域选取出现偏差，本实施例提供的加工区域选择单元设置于机器人控制柜中，该加工区域选择单元与视觉扫描系统中的扫描处理装置连接，通过从扫描处理装置生成的三维模型中得到实际加工区域，然后再通过机器人本体对加工工件进行加工。

本实施例提供的所述等离子气刨区域按照以下方式形成：

将机器人移动到工件处；

将设置于机器人上的加工识别装置移动到工件需要加工的加工点上；

获取机器人当前坐标值和加工识别装置的位置，并计算出加工点在工件表面三维模型中对应的轨迹加工点；

在工件表面三维模型中标出计算出的轨迹加工点；

根据轨迹加工点在工件表面三维模型的分布情况将各轨迹加工点连接组成等离子气刨区域。

本实施例提供的所述将加工识别装置设置于工件所需加工区域边沿的加工点上，具体按照以下步骤进行：

所述加工识别装置移动到待加工点上，判断加工识别装置是否能够与加工点匹配，如果匹配，则该点为加工点；如果不能够匹配，则调整加工识别装置在加工工件上的位置，重复上面的操作过程直到加工识别装置与待加工点匹配。

本实施例提供的所述加工识别装置为设置于机器人上激光发射装置，所述激光发射装置用于向加工工件发射激光点，通过移动激光发射装置调整激光点在工件上的位置，重复上面的操作过程直到激光点与待加工点重合。

实施例2

如图2所示，本实施例提供的一种基于等离子气刨的工件缺陷消除系统，包括工件表面三维模型单元、工件缺陷特征确定单元、工件缺陷特征标识单元、目标特征确定单元、等离子气刨参数生成单元和等离子气刨加工单元；

所述工件表面三维模型单元，通过视觉扫描系统扫描获取工件表面三维模型数据；

所述工件缺陷特征确定单元，用于在工件表面三维模型数据上确定工件缺陷特征；

所述工件缺陷特征标识单元，用于在工件缺陷三维模型数据上标识工件缺陷特征；

所述目标特征确定单元，根据工件缺陷特征与工件标准特征确定需要对工件缺陷特征进行等离子气刨的目标特征；

所述等离子气刨参数生成单元，根据工件材质信息、加工状态参数和目标特征获得等离

子气刨区域和运行路径；

所述等离子气刨加工单元，将等离子气刨区域和运行路径发送到机器人并启动等离子气刨设备；通过等离子气刨设备对工件上的等离子气刨区域内的缺陷特征进行气刨。

所述等离子气刨区域按照以下方式形成：

将机器人移动到加工工件处；

将关键加工识别装置移动到加工工件需要加工的加工点上；

获取机器人当前坐标值和关键加工识别装置的位置，并计算出加工点在加工工件表面三维模型中对应的轨迹加工点；

在加工工件表面三维模型中标出计算出的轨迹加工点；

根据轨迹加工点在加工工件表面三维模型的分布情况将各轨迹加工点连接组成等离子气刨区域；

所述将关键加工识别装置设置于加工工件所需加工区域边沿的加工点上，具体按照以下步骤进行：

所述关键加工识别装置移动到待加工点上，判断关键加工识别装置是否能够与加工点匹配，如果匹配，则该点为加工点；如果不能够匹配，则调整关键加工识别装置在加工工件上的位置，重复上面的操作过程直到关键加工识别装置与待加工点匹配。

本实施例中的工件表面三维模型单元、工件缺陷特征确定单元、工件缺陷特征标识单元、目标特征确定单元、等离子气刨参数生成单元是通过设置于机器人控制柜中的中央控制系统来实现的，通过机器人控制柜的中央控制系统与机器人本体连接，用于控制机器人本体的加工过程。

本实施例中的等离子气刨加工单元包括移动导轨、导轨锁紧机构、安装平台、电控柜、气刨工件、等离子枪电源、等离子枪电缆、等离子气刨枪；

所述机器人本体设置于安装平台上，所述安装平台设置于移动导轨上，所述移动导轨上设置有导轨锁紧机构，所述导轨锁紧机构用于固定安装平台；

所述机器人本体与机器人控制柜连接，所述机器人控制柜用于控制机器人本体的运动状态；

所述机器人本体上的机器臂前端设置有等离子气刨枪，所述等离子气刨枪用于将等离子气流喷射到气刨工件加工的预设区域，以适于去除工件表面氧化层；

所述机器人本体设置于安装平台上，所述安装平台设置于移动导轨上，所述移动导轨上设置有导轨锁紧机构，所述导轨锁紧机构用于固定安装平台；

所述机器人本体与机器人控制柜连接，所述机器人控制柜用于控制机器人本体的运动状态；

所述机器人本体上的机器臂前端设置有等离子气刨枪，所述等离子气刨枪用于将等离子气流喷射到气刨工件加工的预设区域，以适于去除工件表面氧化层；

所述等离子气刨枪通过等离子枪电缆与等离子枪电源连接；

所述电控柜分别与移动导轨、导轨锁紧机构、等离子气刨枪连接，所述电控柜上设置有用于控制安装平台在移动导轨上移动的操作按钮，以及用于控制等离子气刨枪产生等离子起弧的操作按钮；

所述电控柜上设置有外部I/O控制器和工控计算机，所述外部I/O控制器用于对本系统各部分输入、输出信号进行控制，协调各部件的运行；工控计算机用于对视觉扫描系统拍摄的图片进行处理，得到工件模型信息，通过设定的路径规划算法，输出机器人进行等离子电刨的轨迹数据。

所述视觉扫描系统，用于获取气刨工件的表面模型数据，并根据表面模型数据确定气刨工件的预设区域；

本实施例提供的视觉扫描系统包括设置于机器人本体上摄像头和扫描处理装置，所述摄像头设置于机器人本体的机器臂的前部，所述摄像头在扫描气刨工件的表面模型数据后，可以将摄像头拆卸，以防止摄像头被气刨时的等离子气流破坏。所述摄像头将获取的气刨工件的表面模型数据传输到扫描处理装置进行分析处理。

本实施例提供的气刨工件为铸锻件，该铸锻件为大型工件，该工件的表面结构比较复杂，无法按照单一的模式进行加工操作。

本实施例提供的表面模型数据为气刨工件的空间几何三维模型。

本实施例提供系统还设置有废渣排除装置，所述废渣排除装置设置于等离子气刨枪侧向上，所述废渣排除装置用于吹离等离子气枪中的等离子气喷射到工件加工预设区域时所产生的废渣。

所述废渣排除装置为高压气嘴。所述废渣排除装置为高压气嘴的出气口为扁平状出气口，避免对加工预设区域造成过大的熔融深度。

本实施例提供的等离子气刨枪和等离子切割枪的差异主要在于：等离子切割枪用于金属板的切割，工艺要求等离子割炬半径小，能量汇聚、切割缝小、切割深度大、切割断面整齐；等离子电刨枪用于金属表面的去量加工，工艺要求等离子割炬半径大，能力分散、表面去除宽度大、厚度浅。为此，等离子电刨枪与切割枪具备较大差异。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.基于等离子气刨的工件缺陷消除方法，其特征在于：包括以下步骤：

利用视觉扫描系统扫描获取工件表面三维模型数据；

在工件表面三维模型数据上确定工件缺陷特征；

在工件缺陷三维模型数据上标识工件缺陷特征；

根据工件缺陷特征与工件标准特征确定需要对工件缺陷特征进行等离子气刨的目标特征；

根据工件材质信息、加工状态参数和目标特征获得等离子气刨区域和运行路径；

将等离子气刨区域和运行路径发送到机器人并启动等离子气刨设备；

通过等离子气刨设备对工件上的等离子气刨区域内的缺陷特征进行气刨；

所述等离子气刨区域按照以下方式形成：

将机器人移动到加工工件处；

将关键加工识别装置移动到加工工件需要加工的加工点上；

获取机器人当前坐标值和关键加工识别装置的位置，并计算出加工点在加工工件表面三维模型中对应的轨迹加工点；

在加工工件表面三维模型中标出计算出的轨迹加工点；

根据轨迹加工点在加工工件表面三维模型的分布情况将各轨迹加工点连接组成等离子气刨区域；

所述将关键加工识别装置设置于加工工件所需加工区域边沿的加工点上，具体按照以下步骤进行：

所述关键加工识别装置移动到待加工点上，判断关键加工识别装置是否能够与加工点匹配，如果匹配，则该点为加工点；如果不能够匹配，则调整关键加工识别装置在加工工件上的位置，重复上面的操作过程直到关键加工识别装置与待加工点匹配；

所述关键加工识别装置为设置于机器人上激光发射装置，所述激光发射装置用于向加工工件发射激光点，通过移动激光发射装置调整激光点在加工工件上的位置，重复上面的操作过程直到激光点与待加工点重合。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述工件标准特征为存储于工艺数据库中的预先采集的工件缺陷特征数据，所述工艺数据库的工件缺陷特征数据包括工件缺陷的形状、类型、大小以及对应的目标形状。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述工件缺陷特征数据包括工件表面上形成的孔洞、裂纹或槽痕；所述工件缺陷特征数据的气刨运行路径是根据工件材质信息、工件缺陷特征以及对应的目标形状来设定的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述等离子气刨设备是根据工件材质信息、工件缺陷特征以及对应的目标形状来配置等离子气刨设备的工作电流。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述视觉扫描系统采用激光扫描系统。

6.根据权利要求1所述的方法构建的基于等离子气刨的工件缺陷消除系统，其特征在于：包括工件表面三维模型单元、工件缺陷特征确定单元、工件缺陷特征标识单元、目标特征确定单元、等离子气刨参数生成单元和等离子气刨加工单元；

所述工件表面三维模型单元，通过视觉扫描系统扫描获取工件表面三维模型数据；

所述工件缺陷特征确定单元，用于在工件表面三维模型数据上确定工件缺陷特征；

所述工件缺陷特征标识单元，用于在工件缺陷三维模型数据上标识工件缺陷特征；

所述目标特征确定单元，根据工件缺陷特征与工件标准特征确定需要对工件缺陷特征进行等离子气刨的目标特征；

所述等离子气刨参数生成单元，根据工件材质信息、加工状态参数和目标特征获得等离子气刨区域和运行路径；

所述等离子气刨加工单元，将等离子气刨区域和运行路径发送到机器人并启动等离子气刨设备；通过等离子气刨设备对工件上的等离子气刨区域内的缺陷特征进行气刨；

所述等离子气刨区域按照以下方式形成：

将机器人移动到加工工件处；

将关键加工识别装置移动到加工工件需要加工的加工点上；

获取机器人当前坐标值和关键加工识别装置的位置，并计算出加工点在加工工件表面三维模型中对应的轨迹加工点；

在加工工件表面三维模型中标出计算出的轨迹加工点；

根据轨迹加工点在加工工件表面三维模型的分布情况将各轨迹加工点连接组成等离子气刨区域；

所述将关键加工识别装置设置于加工工件所需加工区域边沿的加工点上，具体按照以下步骤进行：

所述关键加工识别装置移动到待加工点上，判断关键加工识别装置是否能够与加工点匹配，如果匹配，则该点为加工点；如果不能够匹配，则调整关键加工识别装置在加工工件上的位置，重复上面的操作过程直到关键加工识别装置与待加工点匹配。

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