CN114589704B - 去毛边轨迹提取方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种去毛边轨迹提取方法及其系统，其中该去毛边轨迹提取方法包括以下步骤：依据加工工件的工序内容，分析加工工件的计算机辅助设计文件，以判断出去毛边加工区域及决定边界轮廓曲线数学模型；通过线性轮廓扫描传感器扫描加工工件，以得到加工工件的工件轮廓断面信息；将工件轮廓断面信息与边界轮廓曲线数学模型进行曲线拟合，以得到边界曲线方程式；以及通过边界曲线方程式，判断出加工工件的去毛边位置信息以产生加工点路径。

Description

去毛边轨迹提取方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种去毛边轨迹提取方法及其系统。

背景技术

金属加工制作工艺中，不论以铸造、切削、锻造或其他形式执行加工，其加工过程都会在工件表面产生毛边而需执行去毛边的动作。由于通过机械手臂执行去毛边存在许多变异量，诸如：铸造件尺寸误差大、毛边不规则分布、机械手臂动态轨迹精度不佳等，因此加工后去毛边制作工艺大部分仍仰赖执行人员的经验与技术进行人工去除。

目前自动化去毛边工序导入前大多先针对工件三维理想模型进行特征提取与离线编程产生加工轨迹，但是由于机械手臂不具有良好的轨迹精度、动态轨迹调校困难、且各道工序都存在加工误差而使欲进行毛边去除的目标工件尺寸与计算机辅助设计(ComputerAided Design，CAD)的模型尺寸不同，使得刀具无法按既定规划的轨迹执行加工，导致加工结果不如预期，因此目前加工后的去毛边工序仍以人工执行为主，由此可知，通过机械手臂执行自动化去毛边工序难以满足应用需求，故如何改善上述所遭遇到的问题，将是业界所要解决的课题之一。

发明内容

本发明提供一种去毛边轨迹提取方法及其系统，进行毛边线上检测并提取去毛边加工的加工点路径，能以毛边轨迹追踪的方式补偿机械手臂动态精度与工件尺寸变异，以达到自动执行去毛边工序的目的。

本发明的一实施例提供一种去毛边轨迹提取方法，适于由一控制器或计算机所执行。去毛边轨迹提取方法包括以下步骤：依据加工工件的工序内容，分析加工工件的计算机辅助设计文件，判断出去毛边加工区域及得到边界轮廓曲线数学模型；通过线性轮廓扫描传感器扫描加工工件，以得到加工工件的工件轮廓断面信息；将工件轮廓断面信息与边界轮廓曲线数学模型进行曲线拟合，以得到边界曲线方程式；以及通过边界曲线方程式，判断加工工件的去毛边位置信息以产生加工点路径。

本发明的另一实施例提供一种去毛边轨迹提取系统，适于连接一线性轮廓扫描传感器。去毛边轨迹提取系统包括控制模块。控制模块连接线性轮廓扫描传感器。线性轮廓扫描传感器扫描加工工件，得到加工工件的工件轮廓断面信息，依据加工工件的工序内容，分析加工工件的计算机辅助设计文件，判断出去毛边加工区域及得到边界轮廓曲线数学模型，并将工件轮廓断面信息与边界轮廓曲线数学模型进行曲线拟合，以得到边界曲线方程式，进而通过边界曲线方程式，判断加工工件的去毛边位置信息以产生加工点路径。

基于上述，在本发明的去毛边轨迹提取方法及其系统中，以曲线拟合方式判断加工工件的去毛边位置信息以产生加工点路径，解决现有方法须人工调教或3D点云分析耗时且无法即时追踪的限制，即时补偿路径与尺寸偏差以提升加工品质。

再者，使用线性轮廓扫描传感器即时取得工件断面轮廓信息，并以单一断面轮廓信息进行分析即可判断毛边分布情况，并产生去毛边的加工轨迹，达成线上去毛边轨迹追踪，不需完整扫描工件后再进行分析，即可线上追踪路径补偿轨迹误差。

为让本发明能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的去毛边轨迹提取系统的示意图；

图2为本发明的去毛边轨迹提取方法的流程图；

图3A为本发明的毛边可能位置一实施例的示意图；

图3B为本发明的毛边可能位置另一实施例的示意图；

图3C为本发明的毛边可能位置又一实施例的示意图；

图4A为图3A显示轮廓点的示意图；

图4B为图3B显示轮廓点的示意图；

图4C为图3C显示轮廓点的示意图；

图5为本发明的边界曲线方程式一实施例的示意图；

图6为本发明的工件断面轮廓内侧的示意图；

图7A为图4A显示轮廓点的曲线拟合的示意图；

图7B为图4B显示轮廓点的曲线拟合的示意图；

图7C为图4C显示轮廓点的曲线拟合的示意图；

图8为图7A的刀具进行加工的示意图。

符号说明

40:加工工件

50:计算机辅助设计文件

100:去毛边轨迹提取系统

110:控制模块

120:线性轮廓扫描传感器

130:机械手臂

140:刀具

A:工件区域

B:环境区域

B1,B2,B3:毛边位置

f_i:函数值

n1,n2:曲线法向量

P1,P2,P3:轮廓点

S1,S2,S3:毛边可能位置

S100:去毛边轨迹提取方法

S110～S160:步骤

u:刀具轴向

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。

需说明的是，在各个实施例的说明中，所谓的「第一」、「第二」是用以描述不同的元件，这些元件并不因为此类谓辞而受到限制。在各个实施例的说明中，所谓的「耦接」或「连接」，其可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，而「耦接」或「连接」还可指二或多个元件相互操作或动作。此外，为了说明上的便利和明确，附图中各元件的厚度或尺寸，是以夸张或省略或概略的方式表示，以供熟悉此技艺的人士的了解与阅读，且每个元件的尺寸并未完全为其实际的尺寸，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均仍应落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。在所有附图中相同的标号将用于表示相同或相似的元件。

图1为本发明的去毛边轨迹提取系统的示意图。请参阅图1，本实施例的去毛边轨迹提取系统100例如是一个控制器或计算机，与既有的机械手臂与各式传感器连接，用以对一加工工件40执行去毛边的工序，加工工件40例如是由铸造、切削、锻造或其他形式加工后的工件。去毛边轨迹提取系统100主要包括一控制模块110，并连接一线性轮廓扫描传感器120、一机械手臂130以及一刀具140实施。控制模块110连接线性轮廓扫描传感器120，线性轮廓扫描传感器120扫描加工工件40，以得到加工工件40的工件轮廓断面信息，所述线性轮廓扫描传感器120可为线扫描摄影机、激光线性扫描的任一形式扫描传感器。本实施例的控制模块110依据加工工件40的计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)文件50得到的去毛边区域、边界轮廓曲线数学模型以及前述工件轮廓断面信息，利用曲线拟合方式检测并判断加工工件40的去毛边位置，以产生加工点路径或加工轨迹。控制模块110连接机械手臂130，机械手臂130再装设刀具140，刀具140可依据实际加工工件40的工序而改变刀具140的型态。控制模块110可依据前述的加工点路径，控制机械手臂130移动，并通过刀具140对加工工件40进行加工，以达到自动执行去毛边工序的目的。

以下通过图2的本发明的去毛边轨迹提取方法的流程图来具体说明本实施例的去毛边轨迹提取方法S100，此去毛边轨迹提取方法S100是由去毛边轨迹提取系统100所执行，其中去毛边轨迹提取方法S100包括步骤S110至步骤S160。首先，进行步骤S110，汇入加工工件40的计算机辅助设计文件50，例如立体图面文件。接着，进行步骤S120，依据加工工件40的工序内容，分析加工工件40的计算机辅助设计文件50，以判断出去毛边加工区域及得到边界轮廓曲线数学模型。所述工序内容包含依据前一道的加工型态及其切削方向。由于已知加工工件40的工序内容，由此判断加工工件40的计算机辅助设计文件50对应的去毛边加工区域的位置，得到该工序内容需要进行毛边去除的区域。例如：若前一道工序内容是切削加工，去毛边加工区域则为加工边线；若前一道工序内容是铸造或射出成型加工，去毛边加工区域便为浇口、冒口、合模线、加工边线等区域。

上述步骤S120包括以下步骤：将加工工件40的去毛边加工区域沿一切削方向进行剖面，以得到一加工区域断面轮廓信息。举例而言，去毛边加工区域为合模线，依序对该合模线沿着切削方向进行多个断面，得到加工区域断面轮廓信息，即得到该断面的轮廓(如管状工件的合模线经剖面后可得到圆形的断面轮廓)。所述切削方向如加工边线方向、合模线方向；若为浇冒口(可能为一区块)的毛边去除，则可先以来回方式沿加工工件40的曲面产生区域修整的路径搜寻。接着，依照去毛边加工区域的断面轮廓曲线特征，将加工区域断面轮廓信息分为多个区段，分别决定加工工件40的边界轮廓曲线数学模型。断面轮廓曲线特征例如为圆形、椭圆形，依据其不同断面轮廓曲线特征，而对应不同的边界轮廓曲线数学模型，诸如：多项式边界曲线方程式其中n为多项式方程式的阶数；圆边界曲线方程式f(x,y)＝x²+y²+Cx+Dy+E；椭圆边界曲线方程式/> 抛物线边界曲线方程式f(x,y)＝4ax-y²；方椭圆边界曲线方程式f(x,y)＝(x-a)⁴+(y-b)⁴-r⁴；双曲线方程式/>但不限于上述所举例的边界轮廓曲线数学模型。

需说明的是，上述决定加工工件40的边界轮廓曲线数学模型，还可包括一计算曲线拟合的误差分析，确认曲线拟合模型的误差满足指定值(如决定系数>0.99)，以取得最适的边界轮廓曲线数学模型。举例而言，以多项式边界曲线方程式为例，可通过决定系数进行误差分析与模型评估，假设一数据集包括y₁,…,y_n共n个观察值，相对应的模型预测值分别为f₁,…,f_n，定义残差e_i＝y_i-f_i，平均观察值为计算观测值与平均值的总平方和/>计算曲线拟合模型预测值与观测值的残差平方和多项式边界曲线方程式的决定系数为/> 接着，可进行曲线拟合的残差图分析，确认残差分布的合理性。最后，取出误差分析符合限制、残差图符合条件且最小阶数的方程式作为边界轮廓曲线数学模型。然，上述加工工件40的边界轮廓曲线数学模型的说明仅为一示范，本发明不对此加以限制。

上述决定加工工件40的边界轮廓曲线数学模型之后，接着进行步骤S130，通过线性轮廓扫描传感器120扫描加工工件40，以得到加工工件40的工件轮廓断面信息。在金属、塑胶等加工制作工艺中，许多工序可将加工工件40快速成形，但却会存在较大公差(如铸造、锻造、射出成型等)，使得实际加工工件40与标准尺寸存在较大差异，因此无法将加工工件40的计算机辅助设计文件50所得的边界轮廓曲线数学模型作为实际加工工件40的外型轮廓，而须通过线性轮廓扫描传感器120对该加工工件40进行边界轮廓的判别。需说明的是，通过线性轮廓扫描传感器120移动扫描加工工件40的轮廓时，需尽可能包含毛边附近的轮廓信息，如图3A至图3C所示，将毛边可能位置S1、S2、S3位于线性轮廓扫描传感器120的扫描中心。接着，将线性轮廓扫描传感器120所得的轮廓信息进行后处理，如图4A至图4C所示，得到诸多关于工件轮廓断面信息的轮廓点P1、P2、P3，其中轮廓点P1为前段轮廓点信息，轮廓点P3为后段轮廓点信息，前、后段轮廓点信息为非毛边信息，P2为中间段毛边信息，去除中间段毛边信息，并取出前、后段轮廓点信息的非毛边信息以作为该工件轮廓断面信息，此过程是忽略中间段毛边信息以避免影响后续曲线拟合结果。

接着，进行步骤S140，将工件轮廓断面信息与边界轮廓曲线数学模型进行曲线拟合，以得到一边界曲线方程式。由此可知，本步骤将上述工件轮廓断面信息套用至加工工件40的计算机辅助设计文件50所得的边界轮廓曲线数学模型进行曲线拟合。具体而言，以四阶多项式边界曲线方程式为例，说明如下：将四阶多项式模型展开为f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴，若轮廓曲线为两段不同模型的曲线，则将线性轮廓扫描传感器120扫描所得的轮廓点分为前、后两段分次拟合；若轮廓曲线为单一模型的曲线，则将线性轮廓扫描传感器120扫描所得的前、后两段轮廓点代入拟合，其中轮廓点数据组为{(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃),…,(x_n,y_n)}。接着，将轮廓点对四阶多项式计算误差平方和 其中未知数为a₀,a₁,a₂,a₃,a₄。在本实施例中，所述曲线拟合为找出一组系数a₀,a₁,a₂,a₃,a₄使得误差最小，因此可通过一阶导数为零的方式求出极值位置，共可得五条线性方程式，如下所述。

对a₀偏微分求解极值位置可得第一条方程式接着，对a₁偏微分求解极值位置/>可得第二条方程式接着，对a₂偏微分求解极值位置/>可得第三条方程式接着，对a₃偏微分求解极值位置/>可得第三条方程式接着，对a₄偏微分求解极值位置/>可得第三条方程式最后，求解线性联立方程式，求得边界轮廓曲线数学模型的系数a₀,a₁,a₂,a₃,a₄。由此可知，所述曲线拟合是将工件轮廓断面信息套用到边界轮廓曲线数学模型的每个线性方程式以求得系数，而这些线性方程式即为边界曲线方程式，即可代表边界轮廓曲线数学模型。

接着，进行步骤S150，通过边界曲线方程式，以判断加工工件40的去毛边位置信息以产生加工点路径。上述求得的边界曲线方程式作为该加工工件40的边界轮廓，

以下参酌图5与图6，其中，图5、图6的横轴坐标为线性轮廓扫描传感器120的X坐标轴方向的感测数据，而纵轴坐标为线性轮廓扫描传感器120的Z坐标轴方向的感测数据，而该感测数据的单位为毫米(mm)的长度单位。举例而言，定义边界曲线方程式为f_i(x,y)＝0，将空间分隔成两个区间：如图5所示，工件区域A(与线性轮廓扫描传感器120异侧的区域)与环境区域B(与线性轮廓扫描传感器120同侧的区域)，由于工件区域A、环境区域B对应不同方程式函数值f_i的正负号，欲求得工件区域A、环境区域B两区域内方程式对应的函数值正负号，可由代入线性轮廓扫描传感器120的坐标求得f_i(x,y)＝c得到不合理区间所对应的函数值正负号，若环境区域B所对应的方程式函数值小于0，则令f_i＝-f_i，使工件区间A所对应的所有方程式函数值小于或等于0。如图5所示。若断面轮廓边界曲线由不同线段所构成，则f_i<0的交集区域，即为工件断面轮廓内侧(如图6所示)。接着，将前述图4A至图4C所示的线性轮廓扫描传感器120扫描所得的轮廓点P1、P2、P3带入边界曲线方程式，若任一方程式的函数值f_i(x,y)>ε则判断为毛边位置B1、B2、B3，其中ε为轮廓边界容许误差，其数值由线性轮廓扫描传感器120的精度、曲线拟合的残差图误差值决定的，如图7A至图7C所示。

接着，进行步骤S160，依据加工点路径进行加工。根据前述边界曲线方程式与毛边检测结果生成去毛边加工路径，控制模块110可依据前述的加工点路径，控制机械手臂130移动，将刀具140底部贴齐轮廓曲线，其中如图8所示，断面轮廓边界曲线具有曲线法向量n1、n2，刀具140的刀具轴向u与毛边位置B1的曲线法向量n1同向，通过刀具140对加工工件40进行加工，进行毛边去除，并回到步骤S140，将下一个，例如是指沿刀具140移动方向(进入纸面)的下一个位置的工件轮廓断面信息与边界轮廓曲线数学模型再进行曲线拟合，以得到新的边界曲线方程式，而后再进行步骤S150，进行下一个边界轮廓的毛边分析与路径点生成。若已完成所有去毛边加工区域的扫描与加工，则完成加工工件40的去毛边工序。

综上所述，在本发明的去毛边轨迹提取方法及其系统中，以曲线拟合方式判断加工工件的去毛边位置信息以及产生加工点路径，解决现有方法须人工调教或3D点云分析耗时而无法即时追踪的限制，即时补偿路径与尺寸偏差提升加工品质。

再者，使用线性轮廓扫描传感器即时取得工件断面轮廓信息，并以单一断面轮廓信息进行分析即可判断毛边分布情况，并产生去毛边的加工轨迹，达成线上去毛边轨迹追踪，不需完整扫描工件后再进行分析，即可线上追踪路径补偿轨迹误差。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (3)

1.一种去毛边轨迹提取方法，适于由控制器或计算机所执行，包括以下步骤：

依据加工工件的工序内容，分析该加工工件的计算机辅助设计文件，判断出去毛边加工区域及得到边界轮廓曲线数学模型；

通过线性轮廓扫描传感器扫描该加工工件，以得到该加工工件的工件轮廓断面信息；

将该工件轮廓断面信息与该边界轮廓曲线数学模型进行曲线拟合，以得到边界曲线方程式；以及

通过该边界曲线方程式，判断该加工工件的去毛边位置信息以产生加工点路径，

其中所述分析该加工工件的该计算机辅助设计文件的步骤中，包括以下步骤：

将该加工工件的该去毛边加工区域沿切削方向进行剖面，以得到加工区域断面轮廓信息；以及

依照该去毛边加工区域的断面轮廓曲线特征，将该加工区域断面轮廓信息分为多个区段，分别决定该加工工件的该边界轮廓曲线数学模型，

其中所述通过该线性轮廓扫描传感器扫描该加工工件，以得到该加工工件的该工件轮廓断面信息的步骤中，包括以下步骤：

取得包含毛边附近的轮廓信息，其中该轮廓信息包含毛边信息以及非毛边信息；以及

去除该毛边信息，限定该非毛边信息作为该工件轮廓断面信息。

2.如权利要求1所述的去毛边轨迹提取方法，其中所述判断该加工工件的该去毛边位置信息以产生该加工点路径的步骤之后，包括以下步骤：

依据该加工点路径通过装设有刀具的机械手臂进行加工。

3.如权利要求1所述的去毛边轨迹提取方法，其中所述分析该加工工件的该计算机辅助设计文件的步骤之前，包括以下步骤：

汇入该加工工件的该计算机辅助设计文件。