CN112571159A - 一种基于视觉检测的构件打磨方法及其打磨系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于视觉检测的构件打磨方法，其解决现有系统存在的打磨精度低的问题。其视觉检测装置包括均与系统控制器电控连接的第一线激光器、第二线激光器和面阵相机，第一线激光器、第二线激光器设置成激光垂直投射到构件表面并在构件表面分别形成位于打磨片与构件表面的接触边缘的第一激光投射线、和位于第一激光投射线沿打磨路径方向外侧的第二激光投射线，面阵相机视场至少覆盖第一激光投射线和第二激光投射线并且相机镜头轴线与两个线激光投射面成角度，打磨装置根据预设打磨路径打磨构件表面的过程中实时获取第一激光投射线、第二激光投射线在面阵相机内的成像位置并由此获得打磨片在打磨构件表面时的实际倾角和接触面变形量。

Description

一种基于视觉检测的构件打磨方法及其打磨系统
技术领域
本发明涉及机加工领域，尤其是涉及钢铁构件表面机加工技术领域，具体为一种基于视觉检测的构件打磨方法及其打磨系统。
背景技术
在构件机加工过程中常常需要对构件的边缘或表面进行打磨处理以满足构件光洁、平整度等表面要求从而便于后续的焊接、喷涂、装配等工作；如构件在经等离子、火焰切割后表面会留下不同程度的熔渣、焊瘤、毛刺以及氧化皮，又如构件经冲床冲压或经剪板机剪切后连续突出的毛刺、飞边，再如构件经车削、铣削、刨、磨、钻锯等切削加工后形成的尖锐棱角、边缘毛刺残留和刀痕形成的粗糙表面等，都需要进行打磨处理；而目前本领域内的这些打磨处理大都是操作人员手持角磨机手工完成，其普遍存在工人劳动强度大、作业效率低、打磨质量不稳定、劳动力成本高的问题。
随着自动化生产的不断发展，目前本领域内也出现了自动化打磨装置来进行表面处理，公开号为CN109955122A中国发明专利申请公开了一种基于机器视觉的全自动打磨系统及全自动打磨方法，基于现有成熟的工业机器人，并在打磨执行装置内设置恒力浮动控制机构，并且利用PLC控制器控制电主轴动作，同时结合位移传感器实时检测打磨工具的磨损量，以便及时更换打磨工具，结合姿态传感器实时检测电主轴的运动姿态，从而消除重力的作用对打磨浮动力的影响对待打磨工件能进行自动、智能化的统一标准的打磨处理，同时其利用机器视觉图像系统采集待打磨面的图像数据再经上位机控制系统中的运算及处理，最终生成打磨轨迹，打磨完成后又经机器视觉图像系统进行检测把控，从而使打磨质量得到全面、有效、稳定、可靠的保证；其虽然能够满足打磨处理的自动化及高效打磨的要求，但是其在打磨过程中采用了位移传感器、姿态传感器等传感器来对打磨工具的磨损、运动姿态来进行检测，但是这类物理性传感器的使用会受到打磨工具震动的影响而产生传感精度差的问题，从而影响打磨精度。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于视觉检测的构件打磨方法，其能解决现有手工打磨存在的劳动强度大、效率低、质量不稳定、生产成本高的问题，并能解决现有自动化打磨系统存在的打磨精度达不到加工精度要求的问题；为此，本发明还提供了专用打磨系统。
一种基于视觉检测的构件打磨方法，其包括：
(1)打磨系统构建：将视觉检测装置与装配有打磨片的打磨装置整体安装于工业机器人的末端执行器上，将所述视觉检测装置、打磨装置分别与系统控制器电控连接；
(2)打磨参数设定：在所述系统控制器内预设构件表面的打磨参数，所述打磨参数包括打磨路径、打磨时打磨片与构件表面的打磨倾角以及打磨片的打磨转速；
其特征在于：所述视觉检测装置与打磨装置之间的位置相对固定，所述视觉检测装置包括第一线激光器、第二线激光器和一台面阵相机，在打磨装置对构件表面打磨的过程中所述第一线激光器、第二线激光器设置成激光垂直地投射到构件表面并能在构件表面分别形成相应的第一激光投射线、第二激光投射线且所述面阵相机的镜头组件轴线与第一线激光器、第二线激光器的激光投射面之间具有夹角，所述第一激光投射线位于所述打磨片与构件表面的接触边缘，所述第二激光投射线位于所述第一激光投射线沿打磨路径方向的外侧，所述面阵相机设置成其视场至少覆盖所述第一激光投射线和第二激光投射线，在打磨过程中所述系统控制器根据第一激光投射线、第二激光投射线在面阵相机内的实时成像信息进行打磨片实际打磨倾角与预设打磨倾角的一致性判断，若实际打磨倾角与预设打磨倾角一致则打磨片继续打磨构件表面、若不一致则系统控制器控制工业机器人带动打磨装置动作以使得打磨片按预定的打磨倾角对构件表面进行打磨。
进一步的，所述打磨倾角包括打磨片的俯仰倾角与打磨片的侧倾角，所述俯仰倾角为打磨片与构件表面之间夹角，打磨片与构件表面打磨接触时打磨片与构件表面的接触点与打磨片的旋转中心之间的连线为侧倾轴线，所述侧倾角为打磨片绕所述侧倾轴线的转动角；所述在打磨过程中所述系统控制器根据第一激光投射线、第二激光投射线在面阵相机内的实时成像信息判断打磨片与构件表面的实际打磨倾角是否与预设的打磨倾角一致包括打磨片侧倾角一致性判断与打磨片俯仰倾角一致性判断。
进一步的，所述打磨片侧倾角一致性判断具体为，在打磨过程中所述系统控制器实时采集第一激光投射线与第二激光投射线在面阵相机内的成像，分别为第一激光成像线、第二激光成像线，若第一激光成像线与第二激光成像线相互平行，则打磨片的实际侧倾角与预设侧倾角一致；否则即不一致；若打磨片的实际侧倾角与预设侧倾角不一致，则所述系统控制器控制所述工业机器人动作直到打磨片的实际侧倾角与预设侧倾角一致。
进一步的，所述打磨片俯仰倾角一致性判断具体为：
a、工业机器人在控制打磨装置沿预设打磨路径打磨构件表面的过程中系统控制器定时获取第二激光投射线在面阵相机内的n个成像位置信息；
b、依据光学三角测量原理、根据获得的所述n个成像位置信息分别计算获得打磨装置位于所述n个成像位置信息相对应的n个打磨位置时n个面阵相机与构件表面之间的实际距离；
c、根据所述n个面阵相机与构件表面之间的实际距离获取面阵相机与构件表面之间的形成的俯仰角度，由于面阵相机与打磨装置之间位置相对固定，故根据面阵相机与构件表面之间的形成的俯仰角度即可得到打磨片与构件表面的实际俯仰倾角；
d、最后判断所述打磨片与构件表面的实际俯仰倾角与预设的俯仰倾角是否一致；若不一致，则系统控制器控制工业机器人调节打磨装置姿态直到实际俯仰倾角与预设的俯仰倾角相同。
进一步的，所述系统控制器还根据所述第一激光投射线在面阵相机内成像位置来判断打磨片是否与构件表面接触，若第一激光投射线在面阵相机内的成像位置发生变化则打磨片与构件表面发生接触，根据光学三角测量原理，第一激光投射线在面阵相机内的成像位置的变化量与打磨片在与构件表面发生接触打磨时的变形量成线性关系，所述系统控制器控制工业机器人带动打磨装置的高低位置来调节打磨片与构件表面的接触变形量保持恒定。
一种基于视觉检测的构件打磨系统，其包括
打磨装置，打磨装置上安装有用于打磨构件表面的打磨片；
工业机器人，其末端执行器上安装有所述打磨装置；
系统控制器，用于控制工业机器人带动打磨装置根据预设的打磨路径、打磨片与构件表面的倾角以及打磨片的打磨转速对构件表面进行打磨；所述打磨装置、工业机器人与所述系统控制器电控连接；
其特征在于：其还包括安装于所述工业机器人的末端执行器上的视觉检测装置，且所述视觉检测装置与所述打磨装置之间位置相对固定，所述视觉检测装置包括第一线激光器、第二线激光器和一台面阵相机，在对构件表面打磨的过程中所述第一线激光器、第二线激光器设置成激光垂直地投射到构件表面并能在构件表面分别形成相应的第一激光投射线、第二激光投射线且所述面阵相机的镜头组件轴线与第一线激光器、第二线激光器的激光投射面成角度设置，所述第一激光投射线位于所述打磨片与构件表面的接触边缘，所述第二激光投射线位于所述第一激光投射线沿打磨路径方向的外侧，所述面阵相机设置成其视场至少覆盖所述第一激光投射线和第二激光投射线，所述面阵相机与所述系统控制器电控连接。
进一步的，所述视觉检测装置包括壳体和安装板，所述安装板固装于所述壳体内，所述第一线激光器、第二线激光器和面阵相机固定于所述安装板上。
进一步的，所述视觉检测装置、打磨装置均安装于一连接板，所述连接板安装于所述工业机器人的末端执行器上。
进一步的，所述工业机器人为六轴机器人。
进一步的，所述打磨装置为角磨机。
本发明的有益效果在于：其视觉检测装置的两个线激光器被设置成激光投射方向垂直地射向构件表面并在构件表面分别形成相应的第一激光投射线、第二激光投射线，同时第一激光投射线位于打磨片与构件表面的接触边缘、第二激光投射线位于第一激光投射线沿打磨路径方向的外侧，并且将面阵相机设置成视场至少覆盖第一激光投射线和第二激光投射线，从而在打磨过程中系统控制器根据两道激光投射线在面阵相机内的成像位置及其关系来获得打磨片在打磨构件表面时的实际打磨倾角，系统控制器根据实际打磨倾角与预设打磨倾角之间的差异来控制打磨装置动作以保证打磨片始终与恒定的姿态对要构件表面进行打磨，确保打磨质量；此外，其还根据第一激光投射线在面阵相机内的成像位置的变化量来获得打磨片与构件表面打磨时的接触面变形量，系统控制器根据打磨片的接触变形量来控制打磨装置动作以保证打磨片始终以恒定的下压力来对构件表面进行打磨，进一步确保打磨质量；故本发明采用光学检测的方式在打磨过程中实时地对打磨装置的姿态进行有效控制，不仅能满足高效加工的自动化要求，而且能够满足加工精度要求、避免因使用物理性传感器而导致受震动因素的干扰而影响加工精度的问题。
附图说明
图1为本发明一种基于视觉检测的构件打磨方法中视觉检测装置的原理图；
图2为本发明一种基于视觉检测的构件打磨方法中视觉检测装置的安装结构图；
图3为本发明中的打磨倾角示意图。
附图标记：10-打磨装置，20-打磨片，21-打磨片的旋转轴，22-侧倾轴线，30-视觉检测装置，31-第一线激光器，31a-第一激光投射线，32-第二线激光器，32a-第二激光投射线，33-面阵相机，33a-面阵相机的视场范围，34-壳体，35-安装板，40-构件，50-工业机器人，51-工业机器人的末端执行器，60-连接板。
具体实施方式
本发明一种基于视觉检测的构件打磨方法，其包括：
(1)打磨系统构建：将视觉检测装置30与装配有打磨片20的打磨装置10整体安装于工业机器人的末端执行器51上，将视觉检测装置30、打磨装置10分别与系统控制器电控连接；
(2)打磨参数设定：在系统控制器内预设构件表面的打磨参数，打磨参数包括打磨路径、打磨时打磨片与构件表面的打磨倾角以及打磨片的打磨转速；
将视觉检测装置与打磨装置之间的位置相对固定，视觉检测装置30包括第一线激光器31、第二线激光器32和一台面阵相机33，见图1，在打磨装置30对构件表面打磨的过程中第一线激光器31、第二线激光器32设置成激光垂直地投射到构件表面并能在构件表面分别形成相应的第一激光投射线31a、第二激光投射线32a且面阵相机33的镜头组件轴线与第一线激光器31、第二线激光器32的激光投射面之间具有夹角，第一激光投射线31a位于打磨片20与构件表面的接触边缘，第二激光投射线32a位于第一激光投射线31a沿打磨路径方向的外侧，面阵相机33设置成其视场33a至少覆盖第一激光投射线31a和第二激光投射线32a，在打磨过程中系统控制器根据第一激光投射线31、第二激光投射线32在面阵相机33内的实时成像信息进行打磨片实际打磨倾角与预设打磨倾角的一致性判断，若实际打磨倾角与预设打磨倾角一致则打磨片继续打磨构件表面、若不一致则系统控制器控制工业机器人带动打磨装置10动作以使得打磨片按预定的打磨倾角对构件表面进行打磨。
打磨倾角包括打磨片的俯仰倾角α与打磨片的侧倾角β，见图3；俯仰倾角α为打磨片20与构件40表面之间夹角；打磨片20与构件表面打磨接触时打磨片20与构件40表面的接触点与打磨片的旋转轴21的中心连线为侧倾轴线22，侧倾角β为打磨片20绕侧倾轴线22的转动角；在打磨过程中系统控制器根据第一激光投射线31a、第二激光投射线32a在面阵相机33内的实时成像信息判断打磨片与构件表面的实际打磨倾角是否与预设的打磨倾角一致包括打磨片侧倾角一致性判断与打磨片俯仰倾角一致性判断。
其中，打磨片侧倾角一致性判断具体为，在打磨过程中系统控制器实时采集第一激光投射线31a与第二激光投射线32a在面阵相机33内的成像，分别为第一激光成像线、第二激光成像线，若第一激光成像线与第二激光成像线相互平行，则打磨片20的实际侧倾角与预设侧倾角一致；否则即不一致；若打磨片的实际侧倾角与预设侧倾角不一致，则系统控制器控制工业机器人动作直到打磨片的实际侧倾角与预设侧倾角一致，即直到第一激光成像线与第二激光成像线相互平行。
打磨片俯仰倾角一致性判断具体为：
a、工业机器人在控制打磨装置沿预设打磨路径打磨构件表面的过程中系统控制器定时获取第二激光投射线32a在面阵相机内的n个成像位置信息；在具体实施时，系统控制器可以每隔一个固定时间单位获取一个第二激光投射线32a在面阵相机内的成像位置信息，如每隔100毫秒获取一个第二激光投射线32a在面阵相机内的成像位置信息；
b、依据光学三角测量原理、根据获得的n个成像位置信息分别计算获得打磨装置位于n个成像位置信息相对应的n个打磨位置时n个面阵相机与构件表面之间的实际距离；
c、根据n个面阵相机与构件表面之间的实际距离获取面阵相机与构件表面之间的形成的俯仰角度，由于面阵相机与打磨装置之间位置相对固定，故依据几何原理、根据面阵相机与构件表面之间的形成的俯仰角度即可得到打磨片与构件表面的实际俯仰倾角；
d、最后判断打磨片20与构件表面的实际俯仰倾角与预设的俯仰倾角是否一致；若不一致，则系统控制器控制工业机器人调节打磨装置姿态直到实际俯仰倾角与预设的俯仰倾角相同。
本发明中，系统控制器还根据第一激光投射线31a在面阵相机33内成像位置来判断打磨片是否与构件表面接触，若第一激光投射线31a在面阵相机33内的成像位置发生变化则打磨片与构件表面发生接触，根据光学三角测量原理，第一激光投射线31a在面阵相机33内的成像位置的变化量与打磨片20在与构件表面发生接触打磨时的变形量成线性关系，故系统控制器通过控制工业机器人并带动打磨装置的高低位置调节来使得打磨片20与构件表面的接触变形量保持恒定。
本发明还提供了专用的一种基于视觉检测的构件打磨系统，其包括
打磨装置10，打磨装置10上安装有用于打磨构件表面的打磨片20；
工业机器人，工业机器人的末端执行器51上安装有打磨装置10；
系统控制器，用于控制工业机器人带动打磨装置根据预设的打磨路径、打磨片20与构件40表面的倾角以及打磨片20的打磨转速对构件表面进行打磨；打磨装置10、工业机器人与系统控制器电控连接；
其还包括安装于工业机器人的末端执行器51上的视觉检测装置30，见图1，且视觉检测装置30与打磨装置10之间位置相对固定，视觉检测装置30包括第一线激光器31、第二线激光器32和一台面阵相机33，在对构件表面打磨的过程中第一线激光器31、第二线激光器32设置成激光垂直地投射到构件表面并能在构件表面分别形成相应的第一激光投射线31a、第二激光投射线32a且面阵相机33的镜头组件轴线与第一线激光器31、第二线激光器32的激光投射面成角度设置，第一激光投射线31a位于打磨片20与构件表面的接触边缘，第二激光投射线32a位于第一激光投射线31a沿打磨路径方向的外侧，面阵相机33设置成其视场至少覆盖第一激光投射线31a和第二激光投射线32a，面阵相机33与系统控制器电控连接。
视觉检测装置30包括壳体34和安装板35，见图1和图2，安装板35固装于壳体34内，第一线激光器31、第二线激光器32和面阵相机33固定于安装板35上；视觉检测装置30、打磨装置10均安装于一连接板60，连接板60安装于工业机器人的末端执行器51上。
本发明实施例中，工业机器人优选六轴机器人，打磨装置10优选角磨机。
以上对本发明的具体实施进行了详细说明，但内容仅为本发明创造的较佳实施方案，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于视觉检测的构件打磨方法，其包括：
(1)打磨系统构建：将视觉检测装置与装配有打磨片的打磨装置整体安装于工业机器人的末端执行器上，将所述视觉检测装置、打磨装置分别与系统控制器电控连接；
(2)打磨参数设定：在所述系统控制器内预设构件表面的打磨参数，所述打磨参数包括打磨路径、打磨时打磨片与构件表面的打磨倾角以及打磨片的打磨转速；
其特征在于：所述视觉检测装置与打磨装置之间的位置相对固定，所述视觉检测装置包括第一线激光器、第二线激光器和一台面阵相机，在打磨装置对构件表面打磨的过程中所述第一线激光器、第二线激光器设置成激光垂直地投射到构件表面并能在构件表面分别形成相应的第一激光投射线、第二激光投射线且所述面阵相机的镜头组件轴线与第一线激光器、第二线激光器的激光投射面之间具有夹角，所述第一激光投射线位于所述打磨片与构件表面的接触边缘，所述第二激光投射线位于所述第一激光投射线沿打磨路径方向的外侧，所述面阵相机设置成其视场至少覆盖所述第一激光投射线和第二激光投射线，在打磨过程中所述系统控制器根据第一激光投射线、第二激光投射线在面阵相机内的实时成像信息进行打磨片实际打磨倾角与预设打磨倾角的一致性判断，若实际打磨倾角与预设打磨倾角一致则打磨片继续打磨构件表面、若不一致则系统控制器控制工业机器人带动打磨装置动作以使得打磨片按预定的打磨倾角对构件表面进行打磨。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉检测的构件打磨方法，其特征在于：所述打磨倾角包括打磨片的俯仰倾角与打磨片的侧倾角，所述俯仰倾角为打磨片与构件表面之间夹角，打磨片与构件表面打磨接触时打磨片与构件表面的接触点与打磨片的旋转中心之间的连线为侧倾轴线，所述侧倾角为打磨片绕所述侧倾轴线的转动角；所述在打磨过程中所述系统控制器根据第一激光投射线、第二激光投射线在面阵相机内的实时成像信息判断打磨片与构件表面的实际打磨倾角是否与预设的打磨倾角一致包括打磨片侧倾角一致性判断与打磨片俯仰倾角一致性判断。
3.根据权利要求2所述的一种基于视觉检测的构件打磨方法，其特征在于：所述打磨片侧倾角一致性判断具体为，在打磨过程中所述系统控制器实时采集第一激光投射线与第二激光投射线在面阵相机内的成像，分别为第一激光成像线、第二激光成像线，若第一激光成像线与第二激光成像线相互平行，则打磨片的实际侧倾角与预设侧倾角一致；否则即不一致；若打磨片的实际侧倾角与预设侧倾角不一致，则所述系统控制器控制所述工业机器人动作直到打磨片的实际侧倾角与预设侧倾角一致。
4.根据权利要求2所述的一种基于视觉检测的构件打磨方法，其特征在于：所述打磨片俯仰倾角一致性判断具体为：
a、工业机器人在控制打磨装置沿预设打磨路径打磨构件表面的过程中系统控制器定时获取第二激光投射线在面阵相机内的n个成像位置信息；
b、依据光学三角测量原理、根据获得的所述n个成像位置信息分别计算获得打磨装置位于所述n个成像位置信息相对应的n个打磨位置时n个面阵相机与构件表面之间的实际距离；
c、根据所述n个面阵相机与构件表面之间的实际距离获取面阵相机与构件表面之间的形成的俯仰角度，由于面阵相机与打磨装置之间位置相对固定，故根据面阵相机与构件表面之间的形成的俯仰角度即可得到打磨片与构件表面的实际俯仰倾角；
d、最后判断所述打磨片与构件表面的实际俯仰倾角与预设的俯仰倾角是否一致；若不一致，则系统控制器控制工业机器人调节打磨装置姿态直到实际俯仰倾角与预设的俯仰倾角相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于视觉检测的构件打磨方法，其特征在于：所述系统控制器还根据所述第一激光投射线在面阵相机内成像位置来判断打磨片是否与构件表面接触，若第一激光投射线在面阵相机内的成像位置发生变化则打磨片与构件表面发生接触，根据光学三角测量原理，第一激光投射线在面阵相机内的成像位置的变化量与打磨片在与构件表面发生接触打磨时的变形量成线性关系，所述系统控制器控制工业机器人带动打磨装置的高低位置来调节打磨片与构件表面的接触变形量保持恒定。
6.一种基于视觉检测的构件打磨系统，其包括
打磨装置，打磨装置上安装有用于打磨构件表面的打磨片；
工业机器人，其末端执行器上安装有所述打磨装置；
系统控制器，用于控制工业机器人带动打磨装置根据预设的打磨路径、打磨片与构件表面的倾角以及打磨片的打磨转速对构件表面进行打磨；所述打磨装置、工业机器人与所述系统控制器电控连接；
其特征在于：其还包括安装于所述工业机器人的末端执行器上的视觉检测装置，且所述视觉检测装置与所述打磨装置之间位置相对固定，所述视觉检测装置包括第一线激光器、第二线激光器和一台面阵相机，在对构件表面打磨的过程中所述第一线激光器、第二线激光器设置成激光垂直地投射到构件表面并能在构件表面分别形成相应的第一激光投射线、第二激光投射线且所述面阵相机的镜头组件轴线与第一线激光器、第二线激光器的激光投射面成角度设置，所述第一激光投射线位于所述打磨片与构件表面的接触边缘，所述第二激光投射线位于所述第一激光投射线沿打磨路径方向的外侧，所述面阵相机设置成其视场至少覆盖所述第一激光投射线和第二激光投射线，所述面阵相机与所述系统控制器电控连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于视觉检测的构件打磨系统，其特征在于：所述视觉检测装置包括壳体和安装板，所述安装板固装于所述壳体内，所述第一线激光器、第二线激光器和面阵相机固定于所述安装板上。
8.根据权利要求7所述的一种基于视觉检测的构件打磨系统，其特征在于：所述视觉检测装置、打磨装置均安装于一连接板，所述连接板安装于所述工业机器人的末端执行器上。
9.根据权利要求6所述的一种基于视觉检测的构件打磨系统，其特征在于：所述工业机器人为六轴机器人。
10.根据权利要求6所述的一种基于视觉检测的构件打磨系统，其特征在于：所述打磨装置为角磨机。
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