CN113770059A - 一种钢结构零件智能分拣系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钢结构零件智能分拣系统及方法，包括：传送机构，包括传送带，用于根据触发条件，将钢结构零件传送至激光相机的扫描范围；钢结构零件智能识别机构，包括激光相机，用于扫描得到钢结构零件的三维模型图像，将钢结构零件的三维模型图像与零件图纸模板库中的零件进行匹配并判断钢结构零件是否合格，得到钢结构零件的料框编号；以及分拣机器人，用于根据料框编号，将传送带上的钢结构零件分拣到所述料框编号对应的料框中。
Description
技术领域
本发明属于智能分拣技术领域，具体涉及一种钢结构零件智能分拣系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在钢结构加工生产中，钢结构焊接零件的分拣是重要的工序之一，主要目的是将下游焊接工艺焊接一根完整钢结构所需的零件识别分拣到一起，同时剔除不合格零件。目前零件主要依靠人工分拣，效率低，劳动强度大，难以区分相似零件，对零件的加工误差也不能定量判断。研究钢结构零件的全自动智能分拣系统，对于提高零件分拣作业效率，减少操作人员，保护工人人身安全，降低运营成本具有重要意义。
随着我国钢结构建筑向高层重型和空间大跨度方向发展，对钢结构生产的质量及产量要求逐步提高，对钢结构行业的装备水平也提出了更高的要求。目前，我国的钢结构制造业仍然大而不强，装备自动化程度较低，在自主创新能力、资源利用效率、质量效益等方面与国外先进水平还有很大差距。钢结构零件生产的核心设备都是国外进口，价格高且不能完全适应国内钢结构生产现状，因此亟需自主研发钢结构智能化生产装备，打破国外技术垄断，提高生产效率和质量。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种钢结构零件智能分拣系统及方法，本发明融合了钢结构零件智能识别、合格判定技术、料框位号分配算法和工业机器人自动抓取技术，能够有效实现钢结构零件的分拣需求。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一个方面，本发明提供了一种钢结构零件智能分拣系统。
一种钢结构零件智能分拣系统，包括：
传送机构，包括传送带，用于根据触发条件，将钢结构零件传送至激光相机的扫描范围；
钢结构零件智能识别机构，包括激光相机，用于扫描得到钢结构零件的三维模型图像，将钢结构零件的三维模型图像与零件图纸模板库中的零件进行匹配并判断钢结构零件是否合格，得到钢结构零件的料框编号；
以及分拣机器人，用于根据料框编号，将传送带上的钢结构零件分拣到所述料框编号对应的料框中。
进一步的，所述传送机构包括传送带上料端，所述传送带上料端下方设有若干磁感应式接近开关，当钢结构零件放置在传送带上料端时，磁感应式接近开关触发传送带启动，将钢结构零件传送至激光相机的扫描范围。
进一步的，所述传送机构包括传送带下料端，所述合格的钢结构零件经传送带传送至传送带下料端后，所述分拣机器人将所述钢结构零件按照预定路线分拣到所述料框编号对应的料框中。
进一步的，所述传送机构还用于，在传送带上料端放上钢结构零件后，判断传送带下料端是否有钢结构零件，若有，则传送机构继续等待分拣机器人抓取，否则，启动传送带。
进一步的，所述传送机构包括控制操作台，所述控制操作台上设有PLC控制系统，所述PLC控制系统通过伺服电机控制传送带运行，所述PLC控制系统根据伺服电机的运行距离控制激光相机的开启。
进一步的，所述传送带上方的设定位置处设置激光相机安装箱，所述激光相机安装箱内安装有激光相机，所述激光相机通过对传送带上的钢结构零件进行扫描，得到钢结构零件的三维模型图像。
进一步的，所述得到钢结构零件的料框编号的过程包括：
构建零件图纸模板库；
根据所述钢结构零件的三维模型图像的高度提取图形的轮廓；
提取钢结构零件的三维模型图像的特征值，所述特征值包括：零件高度、孔数；
提取钢结构零件的三维模型图像的几何中心，作为分拣机器人抓取的抓取点；
根据所述特征值筛选零件图纸模板库中图纸模板子库；
根据所述图形的轮廓在所述图纸模板子库中进行匹配，得到零件型号；
将钢结构零件的三维模型图像与零件图纸模板库中的图纸进行比对，得到零件的加工误差，基于零件的加工误差判断该零件是否合格，将匹配信息和合格判断信息对应的钢结构零件的料框编号发送至分拣机器人。
进一步的，所述分拣机器人获取钢结构零件的坐标，通过分拣机器人末端设置的电磁铁抓取钢结构零件。
进一步的，所述传送机构的末端设有料框。
第二个方面，本发明提供了一种钢结构零件智能分拣方法。
一种钢结构零件智能分拣方法，包括：
根据触发条件，将钢结构零件传送至激光相机的扫描范围；
所述激光相机扫描得到钢结构零件的三维模型图像，将钢结构零件的三维模型图像与零件图纸模板库中的零件进行匹配并判断钢结构零件是否合格，得到钢结构零件的料框编号；
根据料框编号，将传送带上的钢结构零件分拣到所述料框编号对应的料框中。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所述的钢结构零件智能分拣系统应用后，实现了零件分拣的智能化和自动化，解决了钢结构加工生产痛点，为钢结构加工企业创造了良好的效益。每套系统节省操作工人两名，分拣速度可以达到300件/小时，是人工分拣的两倍以上，通过钢结构件的质量判定，及时发现和剔除不合格件，减少后续工序废品率和返工量，提高钢结构件现场安装的速度和精度，节约大量成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明示出的钢结构零件智能分拣系统的结构图；
图2是本发明示出的零件三维模型图像建立方案流程图；
图3是本发明示出的激光扫描相机安装箱的组装图；
图4是本发明示出的零件的匹配和合格判定流程图；
图5是本发明示出的料框自动分配系统的执行过程流程图；
其中，1、传送带上料端，2、控制操作台，3、分拣机器人控制柜，4、传送带下料端，5、不合格零件料框，6、料框，7、料架，8、激光相机安装箱，9、分拣机器人地轨，10、分拣机器人，11、安装地脚，12、遮光板，13、箱门，14、吊装螺栓，15、不锈钢固定面板，16、上下位置可调的相机安装横梁，17、铝合金箱体框架，18、箱门锁。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“侧”、“末端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
近几年，机器视觉技术和工业机器人在工业生产中的应用越来越广泛，取得了良好的控制效果和经济效益。机器视觉技术是工业智能化技术的一个重要分支，通过相机得到物体的图形数据，利用数据重构算法，得到物体的3D图像模型，进而提取所需特征值参与工业自动控制，与工业机器人配合实现工业生产的智能化和无人化。结合钢结构零件分拣工艺流程，将机器视觉建模成像和工业机器人技术应用到的钢结构零件分拣工作流程中，扫描重构钢结构零件的3D模型，提取零件的孔数、厚度等特征值和边缘曲线，实现钢结构零件的自动识别和合格判断，结合工业机器人自动抓取钢构件，可以实现钢结构零件分拣的智能机械化操作，提高分拣工作效率。
实施例一
本实施例提供了一种钢结构零件智能分拣系统。
一种钢结构零件智能分拣系统，包括：
传送机构，包括传送带，用于根据触发条件，将钢结构零件传送至激光相机的扫描范围；
钢结构零件智能识别机构，包括激光相机，用于扫描得到钢结构零件的三维模型图像，将钢结构零件的三维模型图像与零件图纸模板库中的零件进行匹配并判断钢结构零件是否合格，得到钢结构零件的料框编号；
以及分拣机器人，用于根据料框编号，将传送带上的钢结构零件分拣到所述料框编号对应的料框中。
具体的，本实施例所述的钢结构零件智能分拣系统主要分为硬件设备和软件系统两部分。硬件设备组成主要包括：传送带上料端1、控制操作台2、分拣机器人控制柜3、传送带下料端4、不合格零件料框5、料框6、料架7、激光相机安装箱8、分拣机器人地轨9、分拣机器人10、传送带等，硬件平面布置如图1所示。
传送带由PLC系统控制，使用伺服电机驱动，保证传送带运行的匀速稳定，传送带上料端设置磁感应式接近开关，当传送带上有钢结构件时，触发传送带运行。
在传送带中间位置设置激光相机安装箱8，3D激光相机安装在激光相机安装箱8内，对传送带上的钢结构零件进行扫描，得到零件的三维模型。
PLC控制系统、上位机和操作屏均安装在控制操作台2，对整个系统进行操作和控制。
分拣机器人10安装在分拣机器人地轨9上，接受控制系统发出的命令，抓取传送带下料端4的钢结构零件，送至指定的料框内；设置两排料框，每排两层，用于放置分拣后不同类别的零件。
软件系统包括：传送带的PLC逻辑控制系统(可以采用贝加莱软PLC系统，开发软件是：Automation Studio)、相机的触发采集系统和零件图形数据处理系统(开发软件是：德国MVtec公司开发的Halcon软件)、料框自动分配系统、分拣机器人自动控制系统(可以采用KUKA的机器人编程语言，简称KRL)等。传送带由伺服电机驱动，通过PLC编程，实现传送带机的启停和匀速运行；钢结构零件在传送带机上匀速通过激光扫描相机，通过接近开关和时间控制，自动触发相机扫描和停止，得到零件的完整3D图像文件；图像处理软件对零件的3D图像进行处理，提取零件的边界轮廓、特征值、抓取点坐标等信息，与零件的图纸模板比对，匹配得到零件型号，判断是否合格；料框自动分配软件根据识别的零件型号，为零件分配料框号；分拣机器人10接受料框号和抓取点坐标，将零件自动放入指定料框内，实现钢结构零件分拣的自动控制。
其中，料框自动分配系统的执行过程流程图，如图5所示：
采集的图像在Halcon软件内匹配得到零件分类号；
查询分类计划号，获得零件的计划号；
判断计划号的数量是否大于1，若是，比较数量，若否分拣入框；
数量比较是否相同，若相同，则比较差额，数量多的位置号，分拣入框；其中，差额是所需零件数量与实际框内数量的差值。
判断差额是否相同，若是，则比较位置号，得到最小位置号，根据最小位置号分拣入框；若否，得到差额小的位置号，分拣入框。
钢结构零件智能分拣控制方案主要包括零件三维模型建立、零件的匹配和合格判定、分拣机器人自动抓取分拣三部分。
零件三维模型建立方案
零件三维模型的建立需要传送带系统和激光扫描相机合作完成，传送带系统通过PLC控制，在传送带上料端1设置磁感应式接近开关，当有零件放置在传送带上料端1，触发接近开关，PLC程序得到触发信号后，发出伺服电气启动命令，伺服电机根据设定的速度恒速运行。传送带上接近开关到激光相机扫描线的距离固定，传送带运行速度是固定的，因此通过伺服电机的运行距离控制扫描仪的开启，接近开关触发传送带运行，传送带运行1500mm后，PLC发送信号给激光相机，打开激光器开始扫描，激光相机扫描4000个周期，停止扫描，得到一张完整的零件3D图片，传送带运行5000mm后到达传送带下料端4停止，零件停在传送带上，等待下一步分拣机器人10抓取操作，如果下料区有零件未处理，上料区即使有新零件，也不会触发传送带运行。零件三维模型建立控制流程图如图2所示。
为了安装激光扫描相机，同时方便扫描仪扫描范围的调整，设计了安装位置上下可调的激光相机安装箱8，激光相机安装箱8利用地脚螺丝固定在地面。激光扫描相机安装箱8组装图如图3所示：安装地脚11、遮光板12、箱门13、吊装螺栓14、不锈钢固定面板15、上下位置可调的相机安装横梁16、铝合金箱体框架17、箱门锁18组装成激光扫描相机安装箱8。
零件的匹配和合格判定方案
得到零件的3D图像后，利用图像处理软件对图像进行处理，得到所需的控制信息。第一步：导入零件设计的CAD图纸，建立零件图纸模板库；第二步：根据扫描模型的高度信息提取出图形的轮廓；第三步：提取零件高度、孔数等特征值；第四步：提取钢结构件的几何中心作为抓取点；第五步，通过孔数和厚度筛选模板；第六步：根据提取的外形轮廓在筛选后的模板库中进行匹配，寻找零件型号；第七步：零件的实际尺寸和图纸模板比对得到零件加工误差，判断零件是否合格；第八步：将匹配和判断信息发送给料框分配软件。零件的匹配和合格判定流程图如图4所示。
其中，零件图纸模板库建立的过程：从钢结构工程项目的BIM三维立体文件，自动解析出成百上千种零件各自的DXF文件，以及厚度，边长，孔数，边数等特征值，通过DXF文件建立钢结构零件的标准图形库，作为零件匹配和质量判断的图库。
钢结构零件的匹配方法：首先提取钢结构零件三维图形的特征值，主要特征值包括孔数、厚度、边数等，通过特征值筛选缩小标准图形库里的零件模板数量，然后提取钢结构零件的表面轮廓，通过与标准图形库图片轮廓比对，得到零件型号，实现对零件的分拣。这样能够分拣表面轮廓相同，但是厚度不同或是开孔不同的钢结构零件，提高匹配的成功率和匹配速度。匹配速度3s以内。
分拣机器人自动抓取分拣方案
本系统选用六轴分拣机器人自动抓取钢结构零件，分拣机器人10运行在分拣机器人地轨9上。分拣机器人地轨9两侧分别设置两层料架7，料架7上一共40个料框6位。首先对分拣机器人10的行走轨迹进行设定，分拣机器人10从传送带下料端4抓取钢结构零件，送至料架7指定的料框6内，一共40个料框位，因此为分拣机器人10规划40条不同的运行轨迹，保证运送的稳定可靠，避免零件与料框料架碰撞。其中，分拣机器人10的抓取路径通过模拟程序实现，得到每个料框抓取速度最快又不会碰撞料框的机械臂运行路径。上述料框、料架以及分拣机器人10运行轨迹的数目仅仅是本实施例的一种实施方案，包括但不仅限于此。
料框分配软件接受图像处理的零件型号信息以及合格判断信息，运行零件分配算法程序，自动生成零件分配到的料框号，料框分配软件将零件需要送至的料框号发送给分拣机器人10控制器。分拣机器人10末端装设电磁铁，根据图像处理软件提取出钢结构零件几何中心的坐标，电磁铁抓取零件，然后按照设定轨迹将零件分配到指定的料框内，完成钢结构零件的自动分拣。
其中，零件的分拣策略有多种，可以将同一种类的零件分拣到一个料框里，也可以将同一个焊接件所需的零件分拣到一个框里。
通过本实施例建立钢结构零件的三维模型，对钢结构零件自动识别匹配零件号和质量合格判定，实现了钢结构零件分拣的智能化和自动化。为钢结构加工企业节省了操作人员、提高了钢结构生产速度、节约了返工成本，创造了良好的经济效益。钢结构零件智能分拣系统降低了工人的劳动强度、提高了生产的安全性。
实施例二
本实施例提供了一种钢结构零件智能分拣方法。
一种钢结构零件智能分拣方法，包括：
根据触发条件，将钢结构零件传送至激光相机的扫描范围；
所述激光相机扫描得到钢结构零件的三维模型图像，将钢结构零件的三维模型图像与零件图纸模板库中的零件进行匹配并判断钢结构零件是否合格，得到钢结构零件的料框编号；
根据料框编号，将传送带上的钢结构零件分拣到所述料框编号对应的料框中。
本实施例融合了钢结构零件智能识别、合格判定技术、料框位号分配算法和分拣机器人自动抓取技术，通过智能控制程序建立一套钢结构零件智能分拣系统。首先设置一条伺服电机驱动的传送带，在传送带中间设置扫描仪安装箱，安装一台3D激光扫描相机，钢结构零件放在传送带上，随传送带匀速移动，激光相机对零件进行扫描，得到零件的点云数据，通过轻量化、去燥、三角重构等数据处理算法，对点云数据重构建模，建立其三维模型，通过图形分类、边缘提取、目标检测、图像分割、特征值提取、边界匹配等图像处理算法，输出零件模板号、厚度、误差值、机器人抓取坐标等数据信息，数据发送给分拣系统控制软件系统，结合钢结构分拣需求，将相应的控制参数发送给分拣机器人，实现钢结构零件的自动分拣。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钢结构零件智能分拣系统，其特征在于，包括：
传送机构，包括传送带，用于根据触发条件，将钢结构零件传送至激光相机的扫描范围；
钢结构零件智能识别机构，包括激光相机，用于扫描得到钢结构零件的三维模型图像，将钢结构零件的三维模型图像与零件图纸模板库中的零件进行匹配并判断钢结构零件是否合格，得到钢结构零件的料框编号；
以及分拣机器人，用于根据料框编号，将传送带上的钢结构零件分拣到所述料框编号对应的料框中。
2.根据权利要求1所述的钢结构零件智能分拣系统，其特征在于，所述传送机构包括传送带上料端，所述传送带上料端下方设有若干磁感应式接近开关，当钢结构零件放置在传送带上料端时，磁感应式接近开关触发传送带启动，将钢结构零件传送至激光相机的扫描范围。
3.根据权利要求2所述的钢结构零件智能分拣系统，其特征在于，所述传送机构包括传送带下料端，所述合格的钢结构零件经传送带传送至传送带下料端后，所述分拣机器人将所述钢结构零件按照预定路线分拣到所述料框编号对应的料框中。
4.根据权利要求3所述的钢结构零件智能分拣系统，其特征在于，所述传送机构还用于，在传送带上料端放上钢结构零件后，判断传送带下料端是否有钢结构零件，若有，则传送机构继续等待分拣机器人抓取，否则，启动传送带。
5.根据权利要求1所述的钢结构零件智能分拣系统，其特征在于，所述传送机构包括控制操作台，所述控制操作台上设有PLC控制系统，所述PLC控制系统通过伺服电机控制传送带运行，所述PLC控制系统根据伺服电机的运行距离控制激光相机的开启。
6.根据权利要求1所述的钢结构零件智能分拣系统，其特征在于，所述传送带上方的设定位置处设置激光相机安装箱，所述激光相机安装箱内安装有激光相机，所述激光相机通过对传送带上的钢结构零件进行扫描，得到钢结构零件的三维模型图像。
7.根据权利要求1所述的钢结构零件智能分拣系统，其特征在于，所述得到钢结构零件的料框编号的过程包括：
构建零件图纸模板库；
根据所述钢结构零件的三维模型图像的高度提取图形的轮廓；
提取钢结构零件的三维模型图像的特征值，所述特征值包括：零件高度、孔数；
提取钢结构零件的三维模型图像的几何中心，作为分拣机器人抓取的抓取点；
根据所述特征值筛选零件图纸模板库中图纸模板子库；
根据所述图形的轮廓在所述图纸模板子库中进行匹配，得到零件型号；
将钢结构零件的三维模型图像与零件图纸模板库中的图纸进行比对，得到零件的加工误差，基于零件的加工误差判断该零件是否合格，将匹配信息和合格判断信息对应的钢结构零件的料框编号发送至分拣机器人。
8.根据权利要求6所述的钢结构零件智能分拣系统，其特征在于，所述分拣机器人获取钢结构零件的坐标，通过分拣机器人末端设置的电磁铁抓取钢结构零件。
9.根据权利要求1所述的钢结构零件智能分拣系统，其特征在于，所述传送机构的末端设有料框。
10.一种钢结构零件智能分拣方法，其特征在于，包括：
根据触发条件，将钢结构零件传送至激光相机的扫描范围；
所述激光相机扫描得到钢结构零件的三维模型图像，将钢结构零件的三维模型图像与零件图纸模板库中的零件进行匹配并判断钢结构零件是否合格，得到钢结构零件的料框编号；
根据料框编号，将传送带上的钢结构零件分拣到所述料框编号对应的料框中。
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- 2021-09-16 CN CN202111102869.3A patent/CN113770059A/zh active Pending
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