CN113433129A - 一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构及其方法，包括基底座、相机、相机支架、光源、光源支架、刀具轴向长度计、轴向安装板、刀具径向长度计和径向安装板，所述基底座上设置有至少一组轴向长度计和至少一组径向长度计；所述轴向长度计通过轴向安装板与所述基底座固定连接；所述径向长度计通过径向安装板与所述基底座固定连接；所述基底座上设置有至少一组相机和与其匹配的光源，所述相机和所述光源分别通过相机支架和所述光源支架与所述基底座固定连接。本发明解决了传统更换刀具失误、刀具磨损超限降低去毛刺加工质量以及手动对刀浪费加工辅助时间等问题，提高了自动化程度，适应大批大量生产要求。

Description

一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构及其方法

技术领域

本发明属于六轴机器人去毛刺加工刀具检测技术领域，尤其是一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构及其方法。

背景技术

随着去毛刺加工向着自动化转变，为了适应复杂多变的加工环境，提高加工的灵活性和生产效率，以机器人为载体的去毛刺工作站应运而生，该去毛刺工作站具有去毛刺刀具库与快换末端，根据加工需求，机器人在程序控制下，自动从刀库更换去毛刺刀具完成换刀工作。换刀后需要对刀具进行安装的正确性进行判断，以及判断刀具的磨损程度能否完成此次加工，每次更换都需要对刀，为减少加工辅助时间，需要采用自动化对刀方式实现，减少人工操作，提高生产效率，进而适应大批大量的加工任务。

中国专利CN202011233500.1，基于机器视觉的刀具类型判别及几何参数检测方法及系统，提出了利用机器视觉的刀具类型判别及几何参数检测方法及系统，有效提升机床加工过程的自动化程度,测量高效且准确,解决更换刀具失误问题,避免造成较大损失,并且考虑多种常用刀具参数测量,适用范围广。但无法实现对刀等加工的初始化工作，无法完全实现自动化。

中国专利CN202110422584.1，一种机加工位置找正专用工具，其提出了通过螺栓固定在装夹柄杆的角度板，角度板设置有刻度，且角度板刻度精确到0.5°，垂直度和平行度精确到0°。利用角度板完成对刀工作，解决了在机加工时找正工件位置和角度时所花费的时间,提高了效率,但由于采用手动操作，增加了人工的工作量，以及增加了加工辅助时间，不利于大批量生产。

发明内容

本发明为解决机器人去毛刺加工中由于刀具加工要求针对性强，单一刀具适配工况能力差，一次零件去毛刺加工使用刀具种类繁多，更换刀具后需要检测刀具安装的正确性，以及完成对刀工作，导致去毛刺加工效率降低的问题，提出了一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构及其方法。

一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构，包括基底座，所述基底座上设置有至少一组轴向长度计和至少一组径向长度计；

所述轴向长度计通过轴向安装板与所述基底座固定连接；

所述径向长度计通过径向安装板与所述基底座固定连接；

所述基底座上设置有至少一组相机和与其匹配的光源，所述相机和所述光源分别通过相机支架和所述光源支架与所述基底座固定连接。

进一步地，所述径向长度计、所述轴向长度计、所述相机与所述光源的中轴线均在同一平面。

进一步地，所述径向长度计与所述轴向长度计的轴线交叉成90°。

进一步地，所述相机的相机与所述光源的光源中心轴线重合。

进一步地，所述轴向安装板、所述径向安装板、所述相机支架和所述光源支架与所述基底座之间均通过销钉定位后，使用螺栓固定连接。

一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构的检测方法，包括如下步骤：。

步骤1：将检测机构安装与六轴机器人去毛刺工作站中，利用激光跟踪仪标定其安装位置使其与待加工工件夹具保持固定空间位置；

步骤2：为确定所述径向长度计或所述轴向长度计在检测机构的相对位置，需要通过长度校准确定其相对位置，以便于后期对刀；

步骤3：启动六轴机器人、相机、光源、径向长度计和轴向长度计，并且将六轴机器人末端移动至检测机构位置；

步骤4：调整六轴机器人末端位置，使刀具轴线与所述径向长度计的轴线重合，保证末端刀具位于所述相机视野中心，并把此处定为刀具检测位；

步骤5：通过所述相机视觉拍摄图片，经过处理后，识别刀具加工、寿命信息，避免刀具类型使用错误或使用即将报废的刀具；

步骤6：刀具识别完成后，六轴机器人带动去毛刺刀具沿轴向去接触所述轴向长度计，并且压缩所述轴向长度计，通过所述轴向长度计的压缩量和机器人当前位姿判断去毛刺刀具轴向装夹长度；

步骤7：沿轴向退回到刀具检测位，六轴机器人带动去毛刺刀具沿径向去接触所述径向长度计，压缩所述径向长度计，通过所述径向长度计的压缩量和六轴机器人当前位姿判断去毛刺刀具径向尺寸，方便设置加工轨迹径向刀补；

步骤8：沿径向退回到刀具检测位，完成刀具检测工作，六轴机器人根据检测参数进行修正，按加工要求进行去毛刺加工。

本发明的优点在于：

1)本发明以轴向长度计、径向长度计、相机以及激光跟踪仪等传感器组成多传感器去毛刺刀具检测系统，提高了检测效率，减少了加工辅助时间。

2)本发明利用相机实现去毛刺刀具种类的判定和磨损程度的检测，减少不必要的刀具更换以及维修成本，延长了刀具的使用寿命。

3)本发明利用径向长度计和轴向长度计来标定轨迹刀补与装夹长度，与传统人工对刀相比，大大提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例中的检测机构的主视图。

图2为本发明实施例中的检测机构的俯视图。

图3为本发明实施例中的检测机构的右视图。

图4为本发明实施例中的检测机构的仰视图。

图5为本发明实施例中的检测机构的做视图。

图6为本发明实施例中的检测机构检测方法的流程图。

图7为本发明实施例中的检测机构检测方法的原理图。

附图标记：1-相机支架，2-光源支架，3-轴向长度计，4-基底座，5-相机，6-光源，7-轴向安装板，8-径向长度计，9-径向安装板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-5所示，本发明实施例提出的一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构，包括基底座4，所述基底座4上设置有至少一组轴向长度计3和至少一组径向长度计8；所述轴向长度计3通过轴向安装板7与所述基底座4固定连接；所述径向长度计8通过径向安装板9与所述基底座4固定连接；所述基底座4上设置有至少一组相机5和与其匹配的光源6，所述相机5和所述光源6分别通过相机支架1和所述光源支架2与所述基底座4固定连接。

具体的，所述径向长度计8、所述轴向长度计3、所述相机5与所述光源6的中轴线均在同一平面；所述基底座4呈“C”型，用以固定所述相机5、光源6和各长度计组件。

具体的，所述径向长度计8与所述轴向长度计3的轴线交叉成90°并且均通过锁紧环分别与所述径向安装板9和所述轴向安装板7连接。

具体的，所述相机5通过螺栓固定在所述相机支架1上后形成相机组件，所述光源6通过螺栓固定在所述光源支架2上后形成光源组件；所述轴向安装板7、所述径向安装板9、所述相机组件和所述光源组件与所述基底座4之间均通过销钉定位后，使用螺栓固定连接。

如图6-7所示，本发明实施例提出了一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构的检测方法，包括如下步骤：

步骤1：将检测机构安装与六轴机器人去毛刺工作站中，利用激光跟踪仪标定其安装位置使其与待加工工件夹具保持固定空间位置，在去毛刺工作站坐标系下具有固定的空间位姿坐标。

步骤2：为确定所述径向长度计8或所述轴向长度计3在检测机构的相对位置，需要通过长度校准确定其相对位置，以便于后期对刀，由于长度计固联于检测机构中，通过坐标转换，确定各长度计顶点在去毛刺工作站坐标系下的空间位姿T_c1。

步骤3：启动六轴机器人、相机5、光源6、径向长度计8和轴向长度计3，并且将六轴机器人末端移动至检测机构位置。

步骤4：调整六轴机器人末端位置，使刀具轴线与所述径向长度计8的轴线重合，保证末端刀具位于所述相机5视野中心，并把此处定为刀具检测位。

步骤5：通过所述相机5视觉拍摄图片，经过处理后，识别刀具加工、寿命信息，避免刀具类型使用错误或使用即将报废的刀具。

其中，机器视觉无法具备与人类从复杂的背景中迅速的发现和识别信息的能力，因此，要借鉴人类学习识别物体的方法，帮助检测系统学习各种去毛刺刀具的形状特征，赋予检测系统对去毛刺刀具种类的认知。本发明设计了基于形状匹配的去毛刺刀具种类识别方法，引导检测系统识别图像中的去毛刺刀具种类，进而引导相应的算法进行磨损检测。

通过检测机构拍摄的去毛刺刀具图片，从图像中提取刀具的区域形状或轮廓，生成模板，虽然这种方法需要程序处理的数据较多，但灵活性强，可自行建立刀具模板库，并且动态调整模板库刀具的种类，创建形状模板的步骤：

1)使用阙值分割方法将去毛刺刀具与背景分离。去毛刺刀具在图像中的灰度值较高，背景的灰度值较低，使用自动阙值分割去除背景，获取去毛刺刀具的轮廓区域，将去毛刺刀具与图像背景分割开来。

2)使用形态学处理方法消除干扰、逼近去毛刺刀具。通过阙值分割获取的去毛刺刀具边缘区域存在空洞，采用形态学处理方法去除去毛刺刀具边缘区域灰度值相近的像素点，采用腐蚀算子将周边的干扰像素点去除，对于去毛刺刀具边缘区域中的空洞，采用膨胀算子进行填充，进而获取完整的去毛刺刀具形状。

3)将去毛刺刀具按照生成的形状从图像中裁剪出来，使用创建为形状模板，采用获得模板轮廓，用于去毛刺刀具种类的识别和输出。

4)将形状模板文件存入数据库，便于开发者调用处理。采用保存为模板文件，存入模板数据库。

虽然不同型号的去毛刺刀具进行磨损检测所执行的算法其结构和流程基本相同，但是每一环节执行代码和配置参数不同，由于工厂的工艺规划具有较高稳定性，每台设备使用的刀具种类相对固定，因此，可针对不同设备为去毛刺刀具创建形状模板库。

根据机器视觉理论，形状模板是图像中特征点的集合。模板匹配的目标，是依据模板特征点，在图像中搜寻相应特征点，连接成形状后与模板做差，按照做差的后的数值大小，确定图像中是否有模板、模板占比多少，是否缩放，根据预设的匹配参数，确定是否匹配成功。

形状缩放倍数、起始角度、角度旋转范围和旋转步长。这四组参数属于检测机构输入参数，该参数由检测现场决定，适当调整被拍摄的去毛刺刀具的缩放倍数和旋转角度，并适当拓宽阙值，使程序能够主动识别。根据控制去毛刺刀具的最小旋转角度，设置最大搜索步长，防止在搜寻过程中略过本可以被搜寻匹配到的去毛刺刀具。

合理配置贪婪系数和最小匹配百分比。由于加工过程中的发生的磨损和腐蚀，去毛刺刀具检测图像不能百分之百匹配于模板，参数配置不当会导致无法匹配到去毛刺刀具图像；贪婪系数应该设置为报废的去毛刺刀具无法被识别的临界值，以实现检测系统识别刀具是否处于报废状态的功能。去毛刺刀具磨损检测的拍摄环境应不存在对去毛刺刀具的遮挡。应将最小匹配百分比的值设置在“0.95”以上，以保证识别速度，即去毛刺刀具在图像中占比不超过95％时无法识别，这样的设置，亦可确定去毛刺刀具在图像中是否完整呈现。

机器视觉检测系统显示模板匹配的结果，以便在开发和调试的过程中对检测效果进行评价。在创建匹配模板时，生成了各型号去毛刺刀具的形状轮廓，采用仿射变换将形状轮廓匹配至识别结果。

步骤6：刀具识别完成后，六轴机器人带动去毛刺刀具沿轴向去接触所述轴向长度计3，并且压缩所述轴向长度计3，通过所述轴向长度计3的压缩量和机器人当前位姿判断去毛刺刀具轴向装夹长度。

步骤7：沿轴向退回到刀具检测位，六轴机器人带动去毛刺刀具沿径向去接触所述径向长度计8，压缩所述径向长度计8，通过所述径向长度计8的压缩量和六轴机器人当前位姿判断去毛刺刀具径向尺寸，方便设置加工轨迹径向刀补。

此处需要经机器人位置矩阵计算，本发明所提到的机器人为由连杆与转动关节构成。根据连杆变换规律，各连杆与上一连杆的转换矩阵关系由式(1)表示；

根据已经确定好的D-H参数表将各关节参数代入到连杆变换的通用矩阵中，可以分别得到各关节相对上一关节的连杆变换矩阵。

机械末端位置与姿态向去毛刺工作站坐标系的变换矩阵可由计算公式(2)计算得出；

经计算机械臂末端位姿矩阵如式(3)表示；

由于本发明使用的六轴机器人关节类型均为转动型，所以在各关节变换矩阵中只有关节角(θ_i)为变量，设单位压缩量为10mm，长度计在压缩后，顶点在去毛刺坐标系空间下位姿转换为T_C2，可求出长度计顶点位置矩阵[P_x1,P_y1,P_z1]因此相对于已知量(θ₁,θ₂,θ₃,θ₄,θ₅,θ₆)代入公式(3)可以求得机器人末端变换矩阵

则机器人末端位置矩阵[P_x2,P_y2,P_z2]。而且只是沿轴向长度计轴线进给，末端姿态未发生姿态变换，因此只需要考虑末端位置。

P＝|[P_x1，P_y1，P_z1]-[P_x2，P_y2，P_z3]| (4)

两位置矩阵之差P在轴向长度计上表征去毛刺刀具轴向装夹长度，在径向长度计上表征加工轨迹刀补。

步骤8：沿径向退回到刀具检测位，完成刀具检测工作，六轴机器人根据检测参数进行修正，按加工要求进行去毛刺加工。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构，其特征在于，包括基底座（4），所述基底座（4）上设置有至少一组轴向长度计（3）和至少一组径向长度计（8）；

所述轴向长度计（3）通过轴向安装板（7）与所述基底座（4）固定连接；

所述径向长度计（8）通过径向安装板（9）与所述基底座（4）固定连接；

所述基底座（4）上设置有至少一组相机（5）和与其匹配的光源（6），所述相机（5）和所述光源（6）分别通过相机支架（1）和所述光源支架（2）与所述基底座（4）固定连接。

2.如权利要求1所述的一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构，其特征在于，

所述径向长度计（8）、所述轴向长度计（3）、所述相机（5）与所述光源（6）的中轴线均在同一平面。

3.如权利要求1所述的一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构，其特征在于，

所述径向长度计（8）与所述轴向长度计（3）的轴线交叉成90°。

4.如权利要求1所述的一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构，其特征在于，

所述相机（5）的相机与所述光源（6）的光源中心轴线重合。

5.如权利要求1所述的一种六轴机器人去毛刺刀具检测机构，其特征在于，

所述轴向安装板（7）、所述径向安装板（9）、所述相机支架（1）和所述光源支架（2）与所述基底座（4）之间均通过销钉定位后，使用螺栓固定连接。

6.一种根据权利要求1～5中任一项所述六轴机器人去毛刺刀具检测机构的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将检测机构安装与六轴机器人去毛刺工作站中，利用激光跟踪仪标定其安装位置使其与待加工工件夹具保持固定空间位置；

步骤2：为确定所述径向长度计（8）或所述轴向长度计（3）在检测机构的相对位置，需要通过长度校准确定其相对位置，以便于后期对刀；

步骤3：启动六轴机器人、相机（5）、光源（6）、径向长度计（8）和轴向长度计（3），并且将六轴机器人末端移动至检测机构位置；

步骤4：调整六轴机器人末端位置，使刀具轴线与所述径向长度计（8）的轴线重合，保证末端刀具位于所述相机（5）视野中心，并把此处定为刀具检测位；

步骤5：通过所述相机（5）视觉拍摄图片，经过处理后，识别刀具加工、寿命信息，避免刀具类型使用错误或使用即将报废的刀具；

步骤6：刀具识别完成后，六轴机器人带动去毛刺刀具沿轴向去接触所述轴向长度计（3），并且压缩所述轴向长度计（3），通过所述轴向长度计（3）的压缩量和机器人当前位姿判断去毛刺刀具轴向装夹长度；

步骤7：沿轴向退回到刀具检测位，六轴机器人带动去毛刺刀具沿径向去接触所述径向长度计（8），压缩所述径向长度计（8），通过所述径向长度计（8）的压缩量和六轴机器人当前位姿判断去毛刺刀具径向尺寸，方便设置加工轨迹径向刀补；

步骤8：沿径向退回到刀具检测位，完成刀具检测工作，六轴机器人根据检测参数进行修正，按加工要求进行去毛刺加工。

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