CN114453729A - 用于多轴车铣复合机床的激光协同装置及控制方法 - Google Patents

用于多轴车铣复合机床的激光协同装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

用于多轴车铣复合机床的激光协同装置及控制办法，涉及激光加热辅助加工技术领域，为解决现有技术中在激光加热辅助加工过程中激光高度和激光位置不能实现自适应调节的问题，本发明将机械手安装在龙门式的导轨上，极大的节省了机械加工过程中的空间，使得结构更加的紧凑；本发明将激光器和相机安装在机械臂末端上，提高了激光器和相机的协同作用，利于实现激光入射位置的确定；本发明在机床关键位置安装超声波传感器，避免机械臂与机床干涉。本发明将相机采集所得数据实时传输机床和机械臂，使得加工过程中实现激光高度的自适应和铣削过程激光位置的调整。

Description

用于多轴车铣复合机床的激光协同装置及控制方法
技术领域
本发明涉及激光加热辅助加工技术领域，具体为一种基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床及控制方法。
背景技术
激光加热辅助铣削技术是将一束高能激光束照射在材料去除区域，短时间内提高工件材料的局部温度，改变了材料的切削性能，之后采用刀具进行加工。通过对材料加热，提高材料的塑性，使屈服强度降低到断裂强度以下，降低切削力，减小刀具磨损，降低切削振颤，从而达到提高加工效率，降低成本，提升加工表面质量的目的。
在激光加热辅助车削中，机械臂要根据工件的几何特征需要适时的调整激光头的高度。在激光加热辅助铣削过程中，激光要实时在铣刀运动的下一个位置进行加热，因此需要机械臂来不断调节激光的入射位置。
发明内容
本发明的目的是提供一种协同复合激光头，实现激光入射位置的定位。在机床的多个位置安装超声波传感器防止机械臂干涉。激光高度的自适应调节和铣削过程的激光位置调节算法。
本发明为了解决上述问题采取的技术方案是：
机械手模块包括横梁底座、横梁、横梁滑块、机械手底座、机械手、夹具、激光器、激光位移传感器、相机和镜头；所述横梁与横梁底座固定连接，所述横梁滑块设置在横梁上，并与横梁滑动连接，所述横梁滑块与机械手底座固定连接，所述机械手底座与机械手转动连接；所述机械手末端设有夹具；所述夹具上设有激光器，相机和激光位移传感器。相机和激光位移传感器分别安装在激光头的两侧。
机械臂防干涉方法：包括超声波传感器，单片机系统，报警器，键盘输入和LCD 显示六部分组成。超声波传感器输出端和单片机系统的输入端相连接。报警器接入单片机系统的输出端，单片机系统输出端接入LCD显示输入端，用以显示与机械臂的距离信息。按键输入连接单片机的输入端，对机械臂报警距离进行设置。
采用超声波传感器对前方障碍物距离进行检测，单片机通过超声波传感器采集外部障碍物距离信息，传给单片机系统进行运算控制处理，通过LCD显示汽车与障碍物的距离值，并在判断处于危险距离时通过报警器做出声光报警，控制所述臂节停止动作。
进一步的，所述的机械臂防干涉方法，其特征在于：所述超声波传感器安装在铣刀刀柄、车刀八爪卡盘和车床电主轴座上。
车削激光自适应高度的装置调整方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：获取相机拍摄的目标图像；
步骤二：对所获取的加工过程图像进行预处理；
步骤三：图像分割，提取图像中有意义的特征部分；
步骤四：图像识别，找到图像中对象形状及对此进行描述，形成可视特征矢量，完成不同图像的分类。
步骤五：将目标的几何信息转化成数字信号发送给机械臂，机械臂接收到信号后调整激光高度；
步骤六：再次获取加工过程图像，并执行步骤二至步骤五；
根据权利要求3所述的车削激光自适应高度的装置调整方法，其特征在于：获取图像的相机安装在复合激光头上。
根据权利要求3所述的车削激光自适应高度的装置调整方法，其特征在于：所述图像预处理方法包括：灰度化，几何变换，图像增强。
根据权利要求3所述的车削激光自适应高度的装置调整方法其特征在于：所述加工过程图像包含激光加热辅助车削过程中工件的形状和大小。
车削激光自适应高度的装置调整方法，包括以下步骤：
步骤一：获取相机拍摄的目标图像；
步骤二：对所获取的加工过程图像进行预处理；
步骤三：图像分割，提取图像中有意义的特征部分；
步骤四：图像识别，找到图像中对象形状及对此进行描述，形成可视特征矢量，完成不同图像的分类。
步骤五：将目标的几何信息转化成数字信号发送给机械臂，机械臂接收到信号后调整激光高度；
步骤六：再次获取加工过程图像，并执行步骤二至步骤五；
进一步的，所述的车削激光自适应高度的装置调整方法，其特征在于：获取图像的相机安装在复合激光头上。
进一步的，所述的车削激光自适应高度的装置调整方法，其特征在于：所述图像预处理方法包括：灰度化，几何变换，图像增强。
进一步的，所述的车削激光自适应高度的装置调整方法其特征在于：所述加工过程图像包含激光加热辅助加工过程中工件的形状和大小。
铣削过程激光位置调整算法。其特征包括：
读取铣削加工的G代码，并进行解析。获取加工时刻激光加热点的位置坐标及插补轨迹，铣削加工完一条指令后发给机械臂一个信号，激光加热点移动至下一位置，并且速度与铣削加工进给速度相匹配。
进一步的，权利4要求所述插补分为直线插补和圆弧插补。直线插补时，起始点P1的位置为(x1,y1)，终止点P2的位置为(x2,y2)，中间插补点Pi的位置为(xi,yi)。插补次数N，
Figure RE-GDA0003536532890000031
对该直线上任意一点Pi为
Figure RE-GDA0003536532890000032
圆弧插补时，获取圆弧的圆心坐标(x0,y0)、圆心指向圆弧起始点的向量坐标a(x1,y1)和圆心指向圆弧终点坐标的向量坐标b(x2,y2)。计算向量a、b之间的夹角A＝atan2(y，x)。将圆弧分为N个线段即将夹角A等分N份，将圆弧插补转换为直线插补，当前线段的终点坐标为下条线段的起始坐标。
进一步的，当激光入射光线与铣刀干涉时，将圆弧分为两段圆弧，分别进行圆弧插补。
本发明的有益效果是：
本发明将激光器安装在机械臂上提高了激光器在加热辅助加工过程中的自由度；
本发明将相机和镜头安装在激光头一侧，使得整个加工过程得到了全面的监控，并且能够随着加工位置的改变及时的跟踪加工位置；
本发明提供机械臂防干涉方法，在误操作时能够避免臂节与车体之间产生的碰撞干涉，提高了作业安全性；
本发明将相机采集所得数据实时传输与机械臂，使得加工过程中实现机械臂高度的自适应。运用激光位置调整算法使激光在铣刀前移动，进行激光辅助铣削操作。
附图说明
图1为本发明实施例基于机器视觉激光加热辅助车铣复合机床的整体结构示意图；
图2为本发明实施例协同复合激光头模块部件结构示意图；
图3为本发明实施例机械臂防干涉结构框图；
图4为本发明实施例车削激光自适应高度的装置调整方法流程图；
图5为本发明实施例监控方法流程图；
图6为本发明实施例机械臂图；
具体实施方式
机械手模块包括横梁底座、横梁、横梁滑块、机械手底座、机械手、夹具、激光器、激光位移传感器、CCD工业相机和镜头；所述横梁与横梁底座固定连接，所述横梁滑块设置在横梁上，并与横梁滑动连接，所述横梁滑块与机械手底座固定连接，所述机械手底座与机械手转动连接；所述机械手末端设有夹具；所述夹具上设有激光器，相机和激光位移传感器。相机和激光位移传感器分别安装在激光头的两侧。
相机和激光位移传感器用于采集激光器与加工工件的距离信息，实现激光入射位置的确定。机械手模块追踪加工位置、夹持激光头完成激光入射到工件表面、根据加工工艺需求时刻改变激光的入射位置和角度。
所述滑块与机械手底座刚性连接，机械手底座安装于滑块正对操作工人一方；所述机械手底座上安装了机械臂和电动机；
该机械臂防干涉装置如图3所示，单片机采用型号为AT89C52。超声波传感器采用DYP-ME007，报警器采用LED灯和蜂鸣器。
该装置包括超声波传感器，单片机系统，报警器，键盘输入和LCD显示五部分组成。超声波传感器输出端和单片机系统的输入端相连接。报警器接入单片机系统的输出端，单片机系统输出端接入LCD显示输入端，用以显示机械臂与障碍物的距离信息。按键输入连接单片机的输入端，对障碍物报警距离进行设置。
超声波传感器安装在铣刀电主轴座、铣刀刀柄、车刀八爪卡盘和车床电主轴座上。采用超声波传感器对前方障碍物距离进行检测，单片机通过光电传感器及超声波传感器采集外部障碍物距离信息，传给单片系统进行运算控制处理，通过LCD显示机械臂与障碍物的距离值，并在判断处于危险距离时通过报警器做出声光报警，控制机械臂停止动作。可通过按键输入设置与障碍物之间的危险距离。
车削激光自适应高度的装置调整方法，包括以下步骤：
步骤一：获取相机拍摄的目标图像；
步骤二：对所获取的加工过程图像进行预处理；
步骤三：图像分割，提取图像中有意义的特征部分；
步骤四：图像识别，找到图像中对象形状及对此进行描述，形成可视特征矢量，完成不同图像的分类。
步骤五：将目标的几何信息转化成数字信号发送给机械臂，机械臂接收到信号后调整激光高度；
步骤六：再次获取加工过程图像，并执行步骤二至步骤五，若提取后的特征达到要求，则保持机械臂当前参数不变，若未达到要求，则调整机械臂的自身参数。
获取加工过程图像；所述图像为在机械手末端上的相机所采集；所述图
像为激光加热辅助车削过程中加工工件的大小和形状。
图像特征提取为将加工工件的大小和形状特征以数字信号的形式提取，将获取的信号传输给激光器；所述激光器接收到从图像中提取到的信号后，调整机械臂的参数；所述相机采集一帧新的图像，对新采集的图像进行算法处理后，重新提取出加工工件的特征，并将此特征转化成数字信号再次传输给机械臂使机械臂再次调整自身的高度参数，直到达到要求为止，以此过程实现激光的自适应高度调节。
铣削过程激光位置调整算法。包括以下步骤：
读取铣削加工的G代码，并进行解析。获取加工时刻激光加热点的位置坐标及插补轨迹，铣削加工完一条指令后发给机械臂一个信号，激光加热点移动至下一位置，并且速度与铣削加工进给速度相匹配。
插补分为直线插补和圆弧插补。直线插补时，获取直线的起始点坐标P1(x1,y1)，终止点坐标P2(x2,y2)，设中间插补点Pi的位置为(xi,yi)。设插补次数为N，则每一段的位移增量为
Figure RE-GDA0003536532890000051
对该直线上任意一点Pi的坐标为
Figure RE-GDA0003536532890000052
圆弧插补时：
步骤一：获取圆弧所在平面的圆心坐标(x0,y0)、圆心指向圆弧起始点的向量坐标a(x1,y1) 和圆心指向圆弧终点坐标的向量坐标b(x2,y2)。
步骤二：计算圆心到圆弧起始点向量a和圆心到圆弧终点向量b之间的夹角。根据向量夹角余弦公式推出向量夹角正切公式，套入向量a和向量b的坐标，即可得出tanA。下面公式中的atan2为反正切函数，A＝atan2(y，x)，即夹角A＝y/x的正切值。如果圆弧顺时针移动，A应该是负值，如果计算出的A为正值，则在计算出的夹角A基础上减去2π；如果圆弧逆时针移动，A应该是正值，如果计算出的A为负值，则在计算出的夹角A基础上加上 2π。
步骤三：计算圆弧等分的数目：设定圆弧的弧度为a，圆弧的半径为r，则圆弧的弧长 b＝a*r；设定线段AB的两端点到线段对应圆弧的最大距离为h，线段AB长度的一半为j，根据勾股定理有：r*r＝j*j+(r-h)*(r-h)，已知r和h，则j*j＝h*(2*r-h)，计算出线段AB的长度＝2j，通过b/2j则计算出对应圆弧的线段数目。
步骤四：根据当前线段的起始坐标值计算下一线段的起始坐标值，具体方法为：圆的极坐标公式为x＝r*cosa,y＝r*sina；设定当前线段的起始坐标为(rcosa， rsina)，下一条线段比当前线段移动的角度已知为T，那么下一条线段的起始坐标为 (rcos(a+T)，rsin(a+T))，运算得到rcos(a+T)＝r*cosa*cosT-r*sina*sinT， rsin(a+T)＝r*sina*cosT+r*cosa*sinT。
步骤五：计算出下一条线段的起始坐标，也就是当前线段的终点坐标，已知当前线段的起始坐标，这样把线段的坐标传递给直线插补函数进行线段插补。
步骤六：当激光与铣刀即将发生干涉时，将圆弧分为两端，分别进行圆弧插补，重复步骤一至步骤五。

Claims (5)

1.用于多轴车铣复合机床的激光协同装置及控制方法。其特征在于包括：协同复合激光头、机械臂防干涉方法、车削激光自适应高度的装置调整方法和铣削过程激光位置调整算法。机械手模块(101)包括横梁底座、横梁、横梁滑块、机械手底座、机械手、夹具、激光器(102)、激光位移传感器、相机和镜头；所述横梁与横梁底座固定连接，所述横梁滑块设置在横梁上，并与横梁滑动连接，所述横梁滑块与机械手底座固定连接，所述机械手底座与机械手转动连接；所述机械手末端设有夹具；所述夹具上设有激光器，相机和激光位移传感器。根据权利要求1所述的协同复合激光头，其特征在于：相机和激光位移传感器分别安装在激光头的两侧。
2.机械臂防止干涉方法，其特征在于包括：超声波传感器，单片机系统,报警器，键盘输入和LCD显示六部分组成，超声波传感器输出端和单片机系统的输入端相连接，报警器接入单片机系统的输出端，单片机系统输出端接入LCD显示输入端，按键输入连接单片机的输入端。当确定机械臂与所述车体之间的距离均大于车体安全阈值时，控制所述臂节动作，否则，控制所述臂节停止动作。
根据权利要求2所述的机械臂防干涉方法，其特征在于：所述超声波传感器安装在铣刀电主轴座、铣刀刀柄、车刀八爪卡盘和车床电主轴座上。
3.车削激光自适应高度的装置调整方法，其特征在于获取图像的相机的的焦平面与激光焦点重合，并安装在机械臂上。所述加工过程图像包含激光加热辅助车削过程中工件的形状和大小。
4.铣削过程激光位置调整算法。其特征包括：
读取铣削加工的G代码，并进行解析。获取加工时刻激光加热点的位置坐标及插补轨迹，铣削加工完一条指令后发给机械臂一个信号，激光加热点移动至下一位置，并且速度与铣削加工进给速度相匹配。
5.权利4要求所述插补分为直线插补和圆弧插补。直线插补时，起始点P1的位置为(x1,y1)，终止点P2的位置为(x2,y2)，中间插补点Pi的位置为(xi,yi)。插补次数N，
Figure RE-FDA0003536532880000011
对该直线上任意一点Pi为
Figure RE-FDA0003536532880000012
圆弧插补时，获取圆弧的圆心坐标(x0,y0)、圆心指向圆弧起始点的向量坐标a(x1,y1)和圆心指向圆弧终点坐标的向量坐标b(x2,y2)。计算向量a、b之间的夹角A＝atan2(y，x)。将圆弧分为N个线段即将夹角A等分N份，将圆弧插补转换为直线插补，当前线段的终点坐标为下条线段的起始坐标。当激光入射光线与铣刀干涉时，将圆弧分为两段圆弧，分别进行圆弧插补。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116250523A (zh) * 2023-04-03 2023-06-13 哈尔滨理工大学 一种基于机器视觉的智能激光除草装置及除草方法
CN117259870A (zh) * 2023-11-21 2023-12-22 福清市永裕来齿轮有限公司 一种用于齿轮加工的数控立式车床

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