CN113635325A - 基于视觉的数控及机械手系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于视觉的数控及机械手系统，包括：车床进行工件加工；上料平台用于放置待加工工件和已加工工件；夹爪进行工件夹取；视觉模块，扫描获取上料平台的图像，并通过该上料平台的图像计算出每个待加工工件的坐标；数控系统根据预设的机械手的直线进给轴移动的目标位置或视觉模块计算出的待加工工件的坐标，结合电机旋转一圈所需脉冲数，将直线进给轴的移动距离除以该进给轴的丝杆螺距得到电机旋转圈数，再换算成相应脉冲数，并发送给相应的伺服驱动器，伺服驱动器则根据接收到的脉冲控制电机转动，从而控制机械手的主轴移动，并控制夹爪移动到相应位置抓取工件。本发明基于能满足快速和大批量加工节拍、节省人力成本、提高生产效率。

Description

基于视觉的数控及机械手系统
技术领域
本发明涉及数控机床机械手控制技术，特别涉及一种基于视觉的数控及机械手系统。
背景技术
现有的数控机床的机械手，在对物料进行上料、送料、下料的过程中，往往由于定位问题，导致位置识别速率低、识别错误率高、识别速度慢。故需要对上述问题进行改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于视觉的数控及机械手系统，用于解决上述现有技术的问题。
本发明一种基于视觉的数控及机械手系统，其中，包括：车床、数控系统、机械手、视觉模块、夹爪以及上料平台；车床进行工件加工；上料平台用于放置待加工工件和已加工工件；夹爪进行工件夹取；视觉模块，扫描获取上料平台的图像，并通过该上料平台的图像计算出每个待加工工件的坐标；数控系统根据预设的机械手的直线进给轴移动的目标位置或视觉模块计算出的待加工工件的坐标，结合电机旋转一圈所需脉冲数，将直线进给轴的移动距离除以该进给轴的丝杆螺距得到电机旋转圈数，再换算成相应脉冲数，并发送给相应的伺服驱动器，伺服驱动器则根据接收到的脉冲控制电机转动，从而控制机械手的主轴移动，并控制夹爪移动到相应位置抓取工件。
根据本发明所述的基于视觉的数控及机械手系统的一实施例，其中，数控系统控制直线进给轴的Y轴移动，在Y轴移动过程中，通过相机连续进行拍照，视觉模块会根据拍照结果计算出工件在以X轴和Y轴投影在料盘平面上的XY坐标系上的位置。
根据本发明所述的基于视觉的数控及机械手系统的一实施例，其中，视觉模块计算待加工工件的坐标包括：在XY坐标系平面上任取一点，建立一个三维空间坐标系，通过光线照射在待抓取物体上的光斑，算出光斑在三维空间坐标系中的三维坐标，所有光斑的三维坐标组成该待抓取物体上表面的光斑坐标点集；将待抓取物体上表面的光斑坐标点集投影到平面上，得出物体中心的图像；通过机器视觉中相机标定的方法，将物体中心的图像坐标进行转换，得到待加工工件的坐标。
根据本发明所述的基于视觉的数控及机械手系统的一实施例，其中，将待抓取物体上表面的光斑坐标点集投影到平面上，得出物体中心的图像具体包括：分别将待抓取物体上表面的光斑坐标点集中所有点的z坐标，除以用户设置的待抓取物体的最大高度，再乘255，得到该光斑坐标点对应的值，为灰度值；待抓取物体上表面的光斑坐标点集是浮点数，将待抓取物体上表面的光斑坐标点集中的点的坐标XY值都分别乘一预定放大倍数并取整后，通过加上用户设置的偏移，使得所有坐标XY值均为正整数，坐标XY值和灰度值组成的三通道坐标点，把所有光斑坐标点集中的点进行转换得到图像点集，创建一张图像，把图像设置成纯黑色，再将图像点集中的点通过设置像素值的方式绘制在该图像上，得到一张待抓取物体上表面的高度图，进而计算出物体中心的图像坐标。
根据本发明所述的基于视觉的数控及机械手系统的一实施例，其中，通过二维的图像识别的轮廓匹配算法，定位出物体所在位置，计算出物体中心的图像坐标。
根据本发明所述的基于视觉的数控及机械手系统的一实施例，其中，数控系统根据视觉模块计算出工件在平台上的坐标，控制夹爪移动到相应位置抓取工件，包括：控制机械手Z轴先抬起至安全高度，再控制机械手X轴和Y轴移动至待夹取工件的位置，夹爪中心和工件中心在同一竖直线上；接着控制Z轴下降至取料高度，然后系统输出夹爪收缩信号，夹爪的三个爪子向内收紧，从而夹住工件，完成取料。
根据本发明所述的基于视觉的数控及机械手系统的一实施例，其中，数控系统根据用户录入的待料位置，先将机械手Z轴抬起至待料位置所设定的Z坐标，然后控制机械手X轴移动至待料位置的X坐标，等待车床加工完成。
根据本发明所述的基于视觉的数控及机械手系统的一实施例，其中，数控系统控制机械手的主轴下料包括：数控系统控制机械手Z轴下降至主轴下料高度，机械手X轴向着主轴移动，当移动待下料位置的X坐标时，数控系统控制放料夹爪收缩抓住工件，并控制主轴上装有的夹头松开，再控制机械手朝着远离主轴的方向移动到待料位置X坐标，完成主轴下料。
根据本发明所述的基于视觉的数控及机械手系统的一实施例，其中，视觉模块在第一次扫描时对识别出来的所有工件进行编号，数控系统先根据编号来进行工件抓取，在扫描下一个待抓取的工件时，从视觉模块获取下个工件所在的区域范围，后控制Y轴从该区域范围的起点运动到终点，移动过程中相机会进行拍照，以便移动结束后视觉模块计算该待抓取工件的位置。
根据本发明所述的基于视觉的数控及机械手系统的一实施例，其中，当车床加工好一个工件之后，数控系统的将机械手允许上下料信号置为1，开始机械手主轴下料和机械手主轴上料工作，并在机械手主轴上料结束后将机械手允许上下料信号置为0，车床获取到该机械手允许上下料信号为0时开始工件加工。
附图说明
图1为本发明数控机床机械手系统原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，数控机床加工系统包括：机械手1、视觉模块2、夹爪3、上料平台4、数控系统5、车床主体6。
如图1所示，车床主体6：用于加工普通轴类零件的数控机床。数控系统5：是机械手1自动上下料车床的控制核心，可以控制车床自动加工、手动移动X轴和Z轴、主轴正反转等，也可以控制机械手1各轴运动、实现扫描流程和自动上下料流程等。机械手1：实现对车床的自动上下料过程，机械手1的X Y Z是直线进给轴，主轴是车床上的旋转轴，具体工作过程为两步：经视觉模块2计算出上料平台4上各工件的坐标，然后从上料平台4抓取待加工工件，再将其放到主轴夹头上；工件加工完毕后，从主轴夹头取走已加工完成的工件，放回至上料平台4。视觉模块2：通过扫描获取上料平台4的图像，并通过图像计算出每个待加工工件的坐标，系统根据计算结果进行取料。数控系统5根据视觉模块2计算出工件在平台上的坐标，控制夹爪3移动到相应位置抓取工件。上料平台4：用于放置待加工工件和已加工工件。
如图1所示，数控机床加工系统的整体取料过程大致分为：扫描→取料→送料→主轴下料(主轴已有料时)/扫描下一个→主轴上料→回料→放料→重新取料。
如图1所示，在机械手1控制夹爪3取料过程中需要控制机械手1三个轴移动，轴移动的具体控制过程为：首先，系统根据轴移动的目标位置，该目标位置可以是用户设定的某个点的位置，也可以是视觉模块2计算出的工件位置等，然后数控系统5根据电机旋转一圈(对应轴会移动一个丝杆螺距长度)所需脉冲数，将移动距离除以丝杆螺距得到电机旋转圈数，再换算成相应脉冲数，并发送给相应的伺服驱动器，伺服驱动器则根据接收到的脉冲控制电机转动，从而控制主轴移动。
如图1所示，数控系统5控制机械手1Y轴移动，在Y轴移动过程中，通过支架安装在机械手1X轴上的相机会连续进行拍照，待扫描完成，视觉模块2会根据拍照结果计算出每个工件在以机械手1X轴和Y轴投影在料盘平面上的XY坐标系上的位置。
如图1所示，视觉模块2具体工作原理如下：
三维视觉引导系统的计算出机械坐标，引导机械轴进行抓取。计算机械坐标主要分为三个步骤：
步骤1.扫描放置待加工工件的平面作为参考平面，以参考平面为坐标系的XY平面，Z轴垂直于XY平面，在XY平面上任取一点，建立一个三维空间坐标系。通过光线照射在待抓取物体上的光斑，用三角法算出光斑在上述坐标系中的三维坐标，所有光斑的三维坐标点可以组成该待抓取物体上表面的光斑坐标点集；
步骤2.将待抓取物体上表面的光斑坐标点集投影到平面上，得出深度图，具体做法为：分别将待抓取物体上表面的光斑点集中所有点的z坐标除以用户设置的待抓取物体的最大高度，再乘255，得到该点对应的值，称为灰度值；由于待抓取物体上表面的光斑坐标点集往往是高精度的带符号浮点数，因此可以将待抓取物体上表面的光斑坐标点集中的点的XY坐标都分别乘一个放大倍数(具体倍数可由精度需求决定)并取整后，通过加上用户设置的偏移，使得所有坐标的X、Y值均为正整数，用X、Y、灰度值组成的三通道坐标点，把所有光斑坐标点集中的点进行转换，转换后的点集称为图像点集。创建一张足够大的图像，把图像设置成纯黑色，再将图像点集中的点通过设置像素值的方式绘制在图像上，得到一张待抓取物体上表面的高度图。可以通过二维的图像识别中轮廓匹配算法，定位出物体所在位置，计算出物体中心的图像坐标。
步骤3.通过机器视觉中相机标定的方法(该方法在各大书籍可以查找)，获取图像与机械坐标的转换关系，将步骤2中得到的物体中心的图像坐标转换到机械二维坐标X,Y；
如图1所示，本系统是基于LinuxCNC进行开发的，LinuxCNC自带了HAL信号机制，视觉模块2计算好工件在放料平台上的X和Y坐标后，将坐标设置到事先约定好的对应信号中，当系统需要取料时则通过读取相应的位置信号的值，确定工件所在平面上的位置。
取料：取料过程是根据视觉模块2计算出的X坐标和Y坐标以及操作人员录入的取料高度，控制装有夹爪3的机械手1Z轴动作。具体过程为：机械手1Z轴先抬起至安全高度，再控制机械手1X轴和Y轴移动至待夹取工件的X坐标和Y坐标，此时，夹爪3中心和工件中心在同一竖直线上；接着控制Z轴下降至取料高度，然后系统输出夹爪3收缩信号，在气动控制下，夹爪3的三个爪子向内收紧，从而夹住工件，完成取料。
送料：根据用户录入的待料位置(该位置位于车床上方，且只有X坐标和Z坐标，与Y无关)，先将机械手1Z轴抬起至待料位置所设定的Z坐标，若不抬高则会与车床床身相撞；然后控制机械手1X轴移动至待料位置的X坐标，等待车床加工完成。
主轴下料：当车床主轴上的工件加工完成之后，系统会控制机械手1Z轴下降至主轴下料高度，然后机械手1X轴向着主轴移动，当移动到操作人员录入下料位置的X坐标时，系统控制放料夹爪3收缩抓住工件，然后系统还会控制主轴松开，再控制机械手1朝着远离主轴的方向移动到待料位置X坐标，完成主轴下料。(若主轴无料时则省略此步骤)
扫描下一个：由于机械手1在给车床主轴上下料的过程中，与Y轴是没有关系的，因此，当机械手1Z轴开始进入车床内部进行上下料时，另一边可同步进行对料盘上下一个料的识别工作，此步通常为局部扫描。视觉模块2在第一次扫描时会对识别出来的所有工件进行编号，抓取时是根据编号来进行抓取。在扫描下一个待抓取的工件时，系统先从视觉模块2获取下个工件所在的区域范围，然后控制Y轴从该局部区域的起点运动到终点，移动过程中相机会进行拍照，移动结束后视觉模块2会计算该待抓取工件的位置。在抓取前再对工件进行扫描识别，有助于获取更准确的工件坐标。
主轴上料：首先是旋转夹爪3并移动Z轴使得上料夹爪3上的工件与主轴在同一中心线上，然后控制机械手1X轴移动至主轴上料位置X轴坐标，移动到位后松开夹爪3，由于夹爪3上有弹簧和弹片结构是收缩的，它会向主轴方向挤压工件，因此工件不会掉落。接着控制主轴夹紧工件，此过程主轴会向内有微小收缩，但由于和弹片连着的弹簧一直处于收缩状态，所以会顶着工件一直紧贴主轴，从而保证每次工件都上到同一个位置。待主轴收缩完成，控制X轴回到待料位置X坐标，最后控制机械手1Z轴抬升至待料Z位置。
回料：在回料过程中，系统会根据放料夹爪3上已加工好的工件在未加工前所在料盘的位置，然后控制Y轴上的料盘平面移动到该位置的Y坐标上，同时机械手1X轴也移动到该位置的X坐标上。
放料：系统控制机械手1Z轴移动到操作人员录入的放料高度，然后控制放料夹爪3松开，此加工好的工件就会被放回到原先在料盘上的位置。放好后，机械手1Z轴抬高到安全高度，并进行旋转，使得取料夹爪3朝下便于继续取料。
重新取料：系统根据视觉模块2局部扫描得出的位置，重新进行取料。
车床自动加工和机械手1上下料流程之间是通过信号交互的。当车床加工好一个工件之后，就会将机械手1允许上下料信号置为1，机械手1流程获取到该信号为1时，则开始主轴下料和主轴上料工作，并在上料结束后重新将机械手1允许上下料信号置为0，车床获取到该信号为0时开始自动加工。
本发明基于视觉的数控及机械手系统能满足快速和大批量加工节拍、节省人力成本、提高生产效率等要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于视觉的数控及机械手系统，其特征在于，包括：车床、数控系统、机械手、视觉模块、夹爪以及上料平台；
车床进行工件加工；
上料平台用于放置待加工工件和已加工工件；
夹爪进行工件夹取；
视觉模块，扫描获取上料平台的图像，并通过该上料平台的图像计算出每个待加工工件的坐标；
数控系统根据预设的机械手的直线进给轴移动的目标位置或视觉模块计算出的待加工工件的坐标，结合电机旋转一圈所需脉冲数，将直线进给轴的移动距离除以该进给轴的丝杆螺距得到电机旋转圈数，再换算成相应脉冲数，并发送给相应的伺服驱动器，伺服驱动器则根据接收到的脉冲控制电机转动，从而控制机械手的主轴移动，并控制夹爪移动到相应位置抓取工件。
2.如权利要求1所述的基于视觉的数控及机械手系统，其特征在于，数控系统控制直线进给轴的Y轴移动，在Y轴移动过程中，通过相机连续进行拍照，视觉模块会根据拍照结果计算出工件在以X轴和Y轴投影在料盘平面上的XY坐标系上的位置。
3.如权利要求2所述的基于视觉的数控及机械手系统，其特征在于，视觉模块计算待加工工件的坐标包括：
在XY坐标系平面上任取一点，建立一个三维空间坐标系，通过光线照射在待抓取物体上的光斑，算出光斑在三维空间坐标系中的三维坐标，所有光斑的三维坐标组成该待抓取物体上表面的光斑坐标点集；
将待抓取物体上表面的光斑坐标点集投影到平面上，得出物体中心的图像；
通过机器视觉中相机标定的方法，将物体中心的图像坐标进行转换，得到待加工工件的坐标。
4.如权利要求3所述的基于视觉的数控及机械手系统，其特征在于，将待抓取物体上表面的光斑坐标点集投影到平面上，得出物体中心的图像具体包括：
分别将待抓取物体上表面的光斑坐标点集中所有点的z坐标，除以用户设置的待抓取物体的最大高度，再乘255，得到该光斑坐标点对应的值，为灰度值；
待抓取物体上表面的光斑坐标点集是浮点数，将待抓取物体上表面的光斑坐标点集中的点的坐标XY值都分别乘一预定放大倍数并取整后，通过加上用户设置的偏移，使得所有坐标XY值均为正整数，坐标XY值和灰度值组成的三通道坐标点，把所有光斑坐标点集中的点进行转换得到图像点集，创建一张图像，把图像设置成纯黑色，再将图像点集中的点通过设置像素值的方式绘制在该图像上，得到一张待抓取物体上表面的高度图，进而计算出物体中心的图像坐标。
5.如权利要求4所述的基于视觉的数控及机械手系统，其特征在于，通过二维的图像识别的轮廓匹配算法，定位出物体所在位置，计算出物体中心的图像坐标。
6.如权利要求2所述的基于视觉的数控及机械手系统，其特征在于，数控系统根据视觉模块计算出工件在平台上的坐标，控制夹爪移动到相应位置抓取工件，包括：控制机械手Z轴先抬起至安全高度，再控制机械手X轴和Y轴移动至待夹取工件的位置，夹爪中心和工件中心在同一竖直线上；接着控制Z轴下降至取料高度，然后系统输出夹爪收缩信号，夹爪的三个爪子向内收紧，从而夹住工件，完成取料。
7.如权利要求2所述的基于视觉的数控及机械手系统，其特征在于，数控系统根据用户录入的待料位置，先将机械手Z轴抬起至待料位置所设定的Z坐标，然后控制机械手X轴移动至待料位置的X坐标，等待车床加工完成。
8.如权利要求2所述的基于视觉的数控及机械手系统，其特征在于，数控系统控制机械手的主轴下料包括：数控系统控制机械手Z轴下降至主轴下料高度，机械手X轴向着主轴移动，当移动待下料位置的X坐标时，数控系统控制放料夹爪收缩抓住工件，并控制主轴上装有的夹头松开，再控制机械手朝着远离主轴的方向移动到待料位置X坐标，完成主轴下料。
9.如权利要求2所述的基于视觉的数控及机械手系统，其特征在于，视觉模块在第一次扫描时对识别出来的所有工件进行编号，数控系统先根据编号来进行工件抓取，在扫描下一个待抓取的工件时，从视觉模块获取下个工件所在的区域范围，后控制Y轴从该区域范围的起点运动到终点，移动过程中相机会进行拍照，以便移动结束后视觉模块计算该待抓取工件的位置。
10.如权利要求1所述的基于视觉的数控及机械手系统，其特征在于，当车床加工好一个工件之后，数控系统的将机械手允许上下料信号置为1，开始机械手主轴下料和机械手主轴上料工作，并在机械手主轴上料结束后将机械手允许上下料信号置为0，车床获取到该机械手允许上下料信号为0时开始工件加工。
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