CN114147584A - 船体零件自由边智能打磨应用设备及打磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船体零件自由边智能打磨应用设备及打磨方法，船体零件自由边智能打磨应用设备包括通过线路依次连接的PLC控制器、工控机、机器人控制器及机器人，所述机器人设置有视觉相机、力觉传感器、数据采集卡和打磨头，所述视觉相机下方设置视觉识别区，视觉相机侧部通过连接件连接力觉传感器及打磨头。本发明采用视觉相机及图形处理提供零件类型识别、零件位置识别、打磨质量检测；采用力觉传感器提供力位路径跟踪；打磨力、打磨质量不合格时，系统能够自动报警并停止系统操作。本发明能够对有限种零件进行无序、无定位打磨，并实现打磨过程的力位跟踪及质量跟踪，方法新颖、效果佳。

Description

船体零件自由边智能打磨应用设备及打磨方法

技术领域

本发明涉及船体零件加工技术领域，具体为一种船体零件自由边智能打磨应用设备及打磨方法。

背景技术

随着我国船舶工业的快速发展，国际市场份额大幅提升，产业规模迅速扩张，我国已然跻身世界造船大国之列。然而，我国造船业总体仍处于粗放型的发展阶段，与先进造船国家存在较大的差距。相比与航天航空等领域，船舶行业的智能制造技术起步较晚，虽然由行业自身特征所制约，如产品单件多品种、设计周期短、自动化程度低、生产周期长、安全风险大、工程管理难度大等，但不可否认，行业层面对依托船舶智能制造技术与系统实现提质增效、转型升级等方面存在较强的需求。其主要原因在于，当前船舶工业的竞争要素发生了重大变化，关键要素从硬实力向软实力转变，低人力成本的传统优势正在消失，产业发展的重心已经从追求规模与速度转向追求质量与效益。

智能制造技术与系统是实现这一转变不可或缺的技术手段,目前的船体零件加工属于粗放型，加工的质量和精度有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船体零件自由边智能打磨应用设备及打磨方法，针对船板零件打磨自由边种类多、结构差异大、打磨精度要求高等特点，采用视觉相机及图形处理提供零件类型识别、零件位置识别、打磨质量检测。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

船体零件自由边智能打磨应用设备，包括通过线路依次连接的PLC控制器、工控机、机器人控制器及机器人，所述机器人设置有视觉相机、力觉传感器、数据采集卡和打磨头，所述视觉相机下方设置视觉识别区，视觉相机侧部通过连接件连接力觉传感器及打磨头。

进一步，所述视觉相机内置视觉软件，所述视觉软件包括：图片采集模块、图片处理模块、轮廓提取模块、机器人与相机标定模块、识别模块、输入输出模块、用户界面模块。

所述视觉相机：主要用于船体零件自由边感知、零件类型确认、零件位置确认、打磨质量检测。

所述力觉传感器内置力觉软件，所述力觉软件包括数据采集模块、数据分析模块、识别模块、输入输出模块、用户界面模块。

所述力觉传感器及数据采集卡：用于力觉数据监测、力位路径跟踪。

所述PLC控制器内置通讯模块与执行指令程序，所述机器人是运动载体，执行相关指令。

船体零件自由边智能打磨应用设备的打磨方法，包括以下步骤：

(1)零件类型识别方案：采用视觉相机获取零件照片，提取零件轮廓信息，将轮廓信息与模板进行匹配，能够获得零件类型信息。

(2)零件位置识别方案：根据零件轮廓像素信息，能够获得零件特征点像素坐标及像素角度信息；根据像素坐标与机器人坐标转换，可以得到机器人坐标系下零件的准确位置信息，包括坐标值及角度信息，该位置信息指导机器人进行抓料。

(3)力位跟踪方案：打磨过程中，力觉传感器实时监测打磨力，实时打磨力与合格打磨力区间进行对比，实时打磨力超差时报警给PLC控制器，PLC 控制器接收报警指令并停止系统运动；根据力觉传感器采集的实时力，绘制实时力-时间曲线，获得力位跟踪效果。

(4)打磨质量检测方案，零件打磨完成后，视觉相机检测零件轮廓信息，与合格零件模板轮廓进行比对，判断打磨质量是否合格。

本发明采用视觉相机及图形处理提供零件类型识别、零件位置识别、打磨质量检测；采用力觉传感器提供力位路径跟踪；打磨力、打磨质量不合格时，系统能够自动报警并停止系统操作。

本发明通过嵌入式主动视觉测量感知系统单元设计、图像处理以及特征识别等软件开发，利用视觉测量系统的空间标定、多片点云的数据融合以及点云预处理等形成整个打磨自由边的整个外形轮廓测量数据，为工控机打磨路径规划提供数据支撑。该发明要点应用方向为船体零件自由边打磨装备。通过该发明，来料在打磨台上无需定位，视觉相机能够对零件，可以实现来料不定位打磨。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本次发明解决了船体零件自由边打磨路径跟踪的问题，针对N+1种零件，依靠视觉系统识别零件类型，根据像素计算提取零件的位置、角度信息，指导机器人对零件自由边进行打磨。打磨过程中，通过力觉传感器对打磨力进行监测，并实施跟踪打磨力，实现超差报警功能。打磨完成之后，通过视觉系统识别自由边的打磨质量，判断打磨质量是否合格。

经过试验验证，该发明能够对有限种零件进行无序、无定位打磨，并实现打磨过程的力位跟踪及质量跟踪，为船体零件自由边打磨路径跟踪自动化及智能化提供了新思路也为智能化打磨带来了新的产业机遇。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的打磨路径跟踪检测流程图。

图3为本发明的零件类型识别方案流程图。

图4为本发明的零件位置识别方案流程图。

图5为本发明的力位跟踪方案流程图。

图中：1、视觉识别区，2、视觉相机，3、连接件，4、机器人法兰，5、力觉传感器，6、正向锁紧块，7、反向锁紧块，8、打磨头，9、中心销,10、机器人控制器，11、工控机，12、PLC控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图5，本发明提供一种技术方案:

船体零件自由边智能打磨应用设备，包括通过线路依次连接的PLC控制器12、工控机11、机器人控制器10及机器人，所述机器人设置有视觉相机2、力觉传感器5、数据采集卡和打磨头8，所述视觉相机2下方设置视觉识别区 1，视觉相机2侧部通过连接件3连接力觉传感器5及打磨头8。

力觉传感器5与打磨头8之间设置正向锁紧块6与反向锁紧块7，以便正向或反向锁紧打磨头8，所述打磨头8内还设有中心销。

视觉相机2内置视觉软件，所述视觉软件包括：图片采集模块、图片处理模块、轮廓提取模块、机器人与相机标定模块、识别模块、输入输出模块、用户界面模块。

所述视觉相机2：主要用于船体零件自由边感知、零件类型确认、零件位置确认、打磨质量检测。

所述力觉传感器5内置力觉软件，所述力觉软件包括数据采集模块、数据分析模块、识别模块、输入输出模块、用户界面模块。

所述力觉传感器5及数据采集卡：用于力觉数据监测、力位路径跟踪。

所述PLC控制器12内置通讯模块与执行指令程序，所述机器人是运动载体，执行相关指令。

参看图2至图5，船体零件自由边智能打磨应用设备的打磨方法，包括以下步骤：

步骤S1，零件类型识别方案：采用视觉相机2获取零件照片，提取零件轮廓信息，将轮廓信息与模板进行匹配，能够获得零件类型信息。

步骤S2，零件位置识别方案：根据零件轮廓像素信息，能够获得零件特征点像素坐标及像素角度信息；根据像素坐标与机器人坐标转换，可以得到机器人坐标系下零件的准确位置信息，包括坐标值及角度信息，该位置信息指导机器人进行抓料。

步骤S3，力位跟踪方案：打磨过程中，力觉传感器5实时监测打磨力，实时打磨力与合格打磨力区间进行对比，实时打磨力超差时报警给PLC控制器12，PLC控制器12接收报警指令并停止系统运动；根据力觉传感器5采集的实时力，绘制实时力-时间曲线，获得力位跟踪效果。

步骤S4，打磨质量检测方案，零件打磨完成后，视觉相机2检测零件轮廓信息，与合格零件模板轮廓进行比对，判断打磨质量是否合格。

进一步，步骤1中的视觉相机2的具体工作流程是：第一步对来料进行拍照，将来料零件的特征轮廓与模板零件轮廓进行比对，获得来料特征点像素坐标值、角度值。圆查找先检测出多个边缘点，然后拟合成圆形，可用于圆的定位与测量。直线查找主要用于查找图像中具有某些特征的直线，利用已知特征点形成特征点集，然后拟合成直线。边缘查找用于查找图像中具有某些特征的边缘。位置修正是一个辅助定位、修正目标运动偏移、辅助精准定位的工具。矩形检测用于检测目标图形中的矩形。边缘交点可以查找两边缘的交点，可以根据需要的交点设置查找方向和极性。第二步，将来料零件特征点像素坐标值、角度值转换为机器人坐标值、角度值。根据像素坐标值，机器人与相机标定模块将视觉图像像素坐标转换为机器人物理坐标，获得零件在机器人坐标系下的坐标值。第三步，计算来料零件实际位置与模板位置坐标偏差值，传递给PLC控制器12及机器人。

步骤S3中的力觉传感器5工作流程：采用三轴力传感器，实时采集打磨力，根据打磨力与时间信息，绘制打磨力曲线。根据模板零件打磨及打磨质量，设置合格的打磨力区间，当实时打磨力超差，系统报警并停止设备运行，根据零件类型及打磨停止时间，确定打磨缺陷的位置，实现力位跟踪。

打磨完成之后，视觉系统对打磨后的零件进行质量检测。第一步，相机对打磨后的零件进行拍照，并对图片进行亮度处理。第二步，识别打磨边轮廓，并对比打磨轮廓的打磨量。第三步，根据打磨量判读打磨量，打磨量超差时，报警并输出打磨缺陷信息。

步骤S4中的打磨质量检测工作流程：首先确定检测区域，根据模板匹配结果中的匹配点和匹配框角度建立位置偏移的基准，然后再根据特征匹配结果中的运行点和基准点的相对位置偏移实现检测框的坐标旋转偏移。确定检测区域后，识别打磨量，并与设置的合格打磨量区间对比(1-2mm合格，否则超差)，反馈打磨质量结果。

本发明的系统集成：硬件系统包含视觉相机2及光源、力觉传感器5及数据采集卡、PLC控制器12及机器人、工控机11、工作平台；视觉相机2：采用MV-CE100-30GM；力觉传感器5采用：EVT-30B-10kg传感器、 EVT-800C-232-V仪表；PLC控制器12及机器人：电气控制系统Siemens SIMATIC S7-1200、机器人Fanuc M-20ia-12L；工控机11及工作平台：0.7米*0.7米工作平台，工控机内存4G字节，硬盘空间100G处理器：3.0G Hz以上。

本发明采用视觉相机及图形处理提供零件类型识别、零件位置识别、打磨质量检测；采用力觉传感器提供力位路径跟踪；打磨力、打磨质量不合格时，系统能够自动报警并停止系统操作。

进一步，本发明通过嵌入式主动视觉测量感知系统单元设计、图像处理以及特征识别等软件开发，利用视觉测量系统的空间标定、多片点云的数据融合以及点云预处理等形成整个打磨自由边的整个外形轮廓测量数据，为工控机打磨路径规划提供数据支撑。该发明要点应用方向为船体零件自由边打磨装备。通过该发明，来料在打磨台上无需定位，视觉相机能够对零件，可以实现来料不定位打磨。

本次发明解决了船体零件自由边打磨路径跟踪的问题，针对N+1种零件，依靠视觉系统识别零件类型，根据像素计算提取零件的位置、角度信息，指导机器人对零件自由边进行打磨。打磨过程中，通过力觉传感器5对打磨力进行监测，并实施跟踪打磨力，实现超差报警功能。打磨完成之后，通过视觉系统识别自由边的打磨质量，判断打磨质量是否合格。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.船体零件自由边智能打磨应用设备，其特征在于，包括通过线路依次连接的PLC控制器、工控机、机器人控制器及机器人，所述机器人设置有视觉相机、力觉传感器、数据采集卡和打磨头，所述视觉相机下方设置视觉识别区，视觉相机侧部通过连接件连接力觉传感器及打磨头。

2.根据权利要求1所述的船体零件自由边智能打磨应用设备，其特征在于：所述视觉相机内置视觉软件，所述视觉软件包括：图片采集模块、图片处理模块、轮廓提取模块、机器人与相机标定模块、识别模块、输入输出模块、用户界面模块。

3.根据权利要求1所述的一种船体零件自由边智能打磨应用设备，其特征在于：所述力觉传感器内置力觉软件，所述力觉软件包括数据采集模块、数据分析模块、识别模块、输入输出模块、用户界面模块。

4.根据权利要求1所述的一种船体零件自由边智能打磨应用设备，其特征在于，所述PLC控制器内置通讯模块与执行指令程序，所述机器人是运动载体，执行相关指令。

5.船体零件自由边智能打磨应用设备的打磨方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)零件类型识别方案：采用视觉相机获取零件照片，提取零件轮廓信息，将轮廓信息与模板进行匹配，能够获得零件类型信息；

(2)零件位置识别方案：根据零件轮廓像素信息，能够获得零件特征点像素坐标及像素角度信息；根据像素坐标与机器人坐标转换，可以得到机器人坐标系下零件的准确位置信息，包括坐标值及角度信息，该位置信息指导机器人进行抓料；

(3)力位跟踪方案：打磨过程中，力觉传感器实时监测打磨力，实时打磨力与合格打磨力区间进行对比，实时打磨力超差时报警给PLC控制器，PLC控制器接收报警指令并停止系统运动；根据力觉传感器采集的实时力，绘制实时力-时间曲线，获得力位跟踪效果；

(4)打磨质量检测方案，零件打磨完成后，视觉相机检测零件轮廓信息，与合格零件模板轮廓进行比对，判断打磨质量是否合格。

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