CN116551048A - 一种几何自适应加工设备及方法 - Google Patents
一种几何自适应加工设备及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116551048A CN116551048A CN202310145246.7A CN202310145246A CN116551048A CN 116551048 A CN116551048 A CN 116551048A CN 202310145246 A CN202310145246 A CN 202310145246A CN 116551048 A CN116551048 A CN 116551048A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- processed
- area
- point cloud
- region
- laser scanner
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000003754 machining Methods 0.000 title claims description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 25
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 54
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 16
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 13
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 4
- 230000006855 networking Effects 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 101100408455 Arabidopsis thaliana PLC7 gene Proteins 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 208000020084 Bone disease Diseases 0.000 description 1
- 208000014644 Brain disease Diseases 0.000 description 1
- 208000032274 Encephalopathy Diseases 0.000 description 1
- 208000015710 Iron-Deficiency Anemia Diseases 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 208000017169 kidney disease Diseases 0.000 description 1
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 description 1
- 210000000963 osteoblast Anatomy 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23C—MILLING
- B23C9/00—Details or accessories so far as specially adapted to milling machines or cutter
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
Abstract
本发明公开了一种几何自适应加工设备。本发明还公开了一种几何自适应加工方法，包括以下步骤：(1)装夹固定加工件；(2)通过工业相机获取待加工区域及其周围的图像，通过模板匹配方式获得图像中待加工区域的图像坐标，计算待加工区域的数控机床坐标系坐标，作为线激光扫描仪扫描区域的位置基准；(3)根据获得的待加工区域位置，规划线激光扫描仪的扫描区域和扫描路径，获得待加工区域及其周围的加工件局部表面形貌三维点云信息，获得重构加工曲面模型；(4)根据重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹，进行加工，使待加工区域表面平整光滑。本发明可实现待加工区域的自主寻位，成品表面形貌可以根据毛坯表面形貌进行动态调整。
Description
技术领域
本发明涉及几何自适应数控加工技术领域，尤其涉及一种几何自适应加工设备及方法。
背景技术
在和制造业息息相关的航空、航天、船舶等工业领域中，复杂结构件尤其是复杂曲面件应用广泛，如大型舰船螺旋桨、航空发动机叶片、汽车覆盖件精密模具等。当前，加工此类零件最普遍的方式为直接打磨或铣削加工后进行表面的抛光处理。而打磨铝合金材料时，最直接的危害是产生的大量铝粉尘不仅污染环境，易引起爆炸事故，而且长时间接触铝粉尘可能直接损害成骨细胞的活性，导致脑病、骨病、肾病、非缺铁性贫血、铝尘肺甚至铝中毒。所以在部分场所中使用以铣削的方式代替铝合金的表面打磨方式，不仅可以提高加工效率，而且具有重要的社会和环境效益。
传统的数控加工流程是先根据CAD设计模型分析，计算加工运动轨迹，实现工件坐标系与机床坐标系对齐，使工件在机床或夹具中处于预设的精确位置。然而，由于人工找正精度和效率低等原因，更容易导致局部加工余量或轮廓容差无法保证等问题，而设计专用夹具会造成生产准备时间和成本的增加。由于加工轨迹是根据固定的CAD模型进行计算所得，所以只能根据统一的加工程序进行。当加工成品的各异性较大，尤其是成品需要根据毛坯的形貌进行实时调整时，加工效率低。对于一些大型重型工件，其位置难以微调，要实现在机床上的精确定位十分困难。此外，一些毛坯件存在尺寸不一、与理论模型相差较大、加工余量分布不均匀等问题，会引起切削力变化和振动现象，导致加工误差。对于具有复杂曲面的精密零件，有时还需要在相邻工序间对工件实际外形进行测量，以便及时发现加工偏差，进行后续加工路径的补偿或自适应调整。在这样的背景下产生了自适应加工技术，自适应加工技术是一种集状态测量、数据分析、自主决策和精确执行等功能为一体的制造技术。其核心思路是通过各种传感技术，完成对加工零件的测量并将测量结果反馈至加工系统，调整加工策略，实现针对部分加工质量指标参数的闭环控制。
目前自适应加工模式大多为将实测数据与预设CAD模型数据进行多约束配准，实现加工基准的重合，在此基础上加工出目标CAD模型所表达的工件形貌，也就是说其加工必须在标准CAD设计模型和人工对刀找正的基础上才可以规划加工轨迹。但是现有自适应加工方式在毛坯装夹位置不精确、待加工区域处于工件表面不同位置的情况下无法自动定位需要加工的区域，在目标加工件毛坯形貌相似但存在各异性的情况下，无法根据毛坯表面形貌进行动态的调整。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种在曲率较小的自由曲面上进行待加工区域自主寻位、局部表面曲面拟合以及自动生成加工轨迹的几何自适应加工设备及方法。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种几何自适应加工设备，包括：
柔性夹具，所述柔性夹具包括相对设置的固定顶针阵列和移动顶针阵列，所述移动顶针阵列能够靠近或背离所述固定顶针阵列运动，所述固定顶针阵列与移动顶针阵列之间用于装夹加工件，所述加工件上具有待加工区域；
工业相机，用于获取所述待加工区域及其周围的图像；
线激光扫描仪，用于获取待加工区域及其周围的加工件局部表面形貌三维点云信息，所述线激光扫描仪连接线激光扫描仪控制器；
PLC；
所述工业相机、线激光扫描仪控制器、PLC均通过以太网交换机与工控机相连接，完成局域网组网。
一种几何自适应加工方法，使用上述的几何自适应加工设备，包括以下步骤：
(1)使加工件的待加工区域位于固定顶针阵列与移动顶针阵列之间，并使待加工区域朝上设置，装夹固定加工件；
(2)数控机床的主轴移动至工业相机的拍摄位置，通过工业相机获取待加工区域及其周围的图像，通过模板匹配方式获得图像中待加工区域的图像坐标，并根据工业相机坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，计算待加工区域的数控机床坐标系坐标，作为线激光扫描仪扫描区域的位置基准；
(3)根据所述步骤(2)获得的待加工区域位置，规划线激光扫描仪的扫描区域和扫描路径，获得待加工区域及其周围的加工件局部表面形貌三维点云信息，对点云信息进行点云直通滤波处理，提取待加工区域以外的点云信息，通过曲面拟合的方式获得重构加工曲面模型；
(4)根据获得的重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹，根据该铣削加工轨迹进行加工，使待加工区域表面平整光滑。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)中的模板匹配为使用待加工区域的模板图像进行基于灰度的模板匹配，以该模板图像的中心点作为待加工区域图像的中心点。
作为本发明的进一步改进，采用归一化互相关系数法搜寻待加工区域在图像中的具体位置，得到模板匹配结果。
作为本发明的进一步改进，利用工业相机坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，将该模板匹配结果的图像坐标点转化为数控机床坐标系平面内的位置，作为待加工区域的中心点在数控机床中的具体位置。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(3)中，根据所述步骤(2)获得的待加工区域位置在数控机床中的具体位置为矩形中心点，以线激光扫描仪沿x方向的扫描范围为矩形宽度，以线激光扫描仪沿y方向的扫描范围为矩形长度，矩形宽度和矩形长度围合的区域即为矩形区域，以该矩形区域作为线激光扫描仪的扫描区域，并根据固定的合适扫描高度进行扫描。
作为本发明的进一步改进，所述矩形宽度大于待加工区域的实际宽度，或者，多次扫描并采用拼接方式获得待加工区域的完整点云信息。
作为本发明的进一步改进，所述矩形长度大于待加工区域的实际长度。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(3)中对点云信息进行点云直通滤波处理，提取待加工区域以外的点云信息，通过曲面拟合的方式获得重构加工曲面模型包括：
(3.1)对扫描线点云进行预处理；
(3.2)沿点云的y方向进行直通滤波以去除待加工区域的点云信息，保留整体点云信息两端适当长度的部分；
(3.3)在直通滤波后的点云中，沿y方向提取整列点云作为曲线拟合的数据点，并使用该列点云进行B样条曲线拟合，沿x方向以适当步长逐列重复该B样条曲线拟合步骤，并将拟合所得的样条曲线依次拼接，以从曲线到曲面的方式进行曲面拟合直至完成整个点云的重构，获得重构加工曲面模型。
作为本发明的进一步改进，所述步骤(4)中根据获得的重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹包括：
(4.1)利用线激光扫描仪与数控机床间的标定结果，将所述步骤(2)中待加工区域的中心点在数控机床坐标系平面内的位置转化为线激光扫描仪坐标系里的坐标点，并以该点作为起点构建阿基米德螺旋线；
(4.2)螺旋线在一个臂长方向相邻点间的距离根据进给量设置，在该螺旋线上以固定的角度间隔依次取点并在重构加工曲面模型中提取相应的点，得到加工轨迹上的点在重构加工曲面模型中的位置，形成点云信息；
(4.3)根据线激光扫描仪坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，将按序提取到的点云信息转化为加工件坐标系中的点，数控机床在进行加工时刀具端点依次经过这些点即形成铣削加工轨迹。
本发明的有益效果是：
本发明在毛坯装夹位置不精确，且加工件表面形貌存在一定的差异、待加工区域处于工件表面不同位置的情况下，可自主适应毛坯装夹位姿，同时实现待加工区域的自主寻位，并根据毛坯表面的特异性形貌，采用在待加工区域以外提取表面点云信息，通过曲面拟合的方式，获得重构加工曲面模型，在该模型基础上生成铣削加工轨迹并进行自适应加工，对加工件局部表面进行铣削，达到最终的成品表面形貌可以根据毛坯表面形貌进行动态调整的效果，使加工件整体表面趋于平整、光滑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的优选实施例的结构示意图；
图2为本发明的优选实施例的系统结构图；
图3为本发明的优选实施例的柔性夹具的结构示意图；
图4为本发明的优选实施例的加工件整体形貌示意图；
图5为本发明的优选实施例的待加工区域的模板图像；
图6为本发明的优选实施例的模板匹配结果示意图；
图7为本发明的优选实施例的待加工区域表面点云信息；
图8为本发明的优选实施例的根据重构曲面模型生成的铣削加工轨迹示意图；
图中：1、柔性夹具，11、固定顶针阵列，12、移动顶针阵列，13、丝杆组件，14、旋转手柄，15、滑轨，16、第一锁紧扳手，17、第二锁紧扳手，18、第一气压泵接口，19、第二气压泵接口，2、加工件，21、待加工区域，3、工业相机，4、线激光扫描仪，5、线激光扫描仪控制器，6、主轴，7、PLC，8、以太网交换机，9、工控机，10、光栅尺及读数头组件。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2，本申请实施例公开了一种几何自适应加工设备，包括：柔性夹具1，柔性夹具1包括相对设置的固定顶针阵列11和移动顶针阵列12，移动顶针阵列12能够靠近或背离固定顶针阵列11运动，固定顶针阵列11与移动顶针阵列12之间用于装夹加工件2，加工件2上具有待加工区域21；工业相机3，用于获取待加工区域21及其周围的图像；线激光扫描仪4，用于获取待加工区域21及其周围的加工件2局部表面形貌三维点云信息，线激光扫描仪4连接线激光扫描仪控制器5；主轴6，用于对待加工区域21进行铣削加工；PLC7；工业相机3、线激光扫描仪控制器5、PLC7均通过以太网交换机8与工控机9相连接，完成局域网组网。
使用柔性夹具1夹持加工件2以固定加工对象。通过使移动顶针阵列12运动从而使得加工件2表面分别与固定顶针阵列11、移动顶针阵列12接触，接着将移动顶针阵列12锁紧以夹紧加工件2。由于固定顶针阵列11和移动顶针阵列12的顶针末端设置有弹簧能够进行伸缩，便于仿形，从而能够夹紧具有不同表面形貌的加工件2。具体地，请参阅图3，移动顶针阵列12通过丝杆组件13与旋转手柄14连接，扭动旋转手柄14通过丝杆组件13带动移动顶针阵列12相对于固定顶针阵列11直线运动，从而实现移动顶针阵列12靠近或背离固定顶针阵列11运动。为了进一步确保移动顶针阵列12运动的直线性，还设置有滑轨15，移动顶针阵列12在滑轨15上往返运动。还设置有手动启闭件和/或自动启闭件。手动启闭件包括第一锁紧扳手16和第二锁紧扳手17，手动拧紧第一锁紧扳手16和第二锁紧扳手17可以通过螺杆为固定顶针阵列11和移动顶针阵列12施加压力锁紧。自动启闭件包括第一气压泵接口18和第二气压泵接口19，当分别通过第一气压泵接口18、第二气压泵接口19施加气压时即可分别将固定顶针阵列11和移动顶针阵列12的各顶针锁死；当气压消失时锁紧力消失。自动启闭件便于实现自动化施加锁紧力。在夹紧加工件2时，将加工件2放置于固定顶针阵列11与移动顶针阵列12之间，并尽量保持加工件2的待加工区域21水平朝上且位于固定顶针阵列11与移动顶针阵列12的中间位置，提高待加工区域21的稳定性，以及获取待加工区域21图像的准确性，之后扭动旋转手柄14使得移动顶针阵列12运动，使固定顶针阵列11和移动顶针阵列12中的各个顶针均与加工件2表面充分接触，手动锁紧第一锁紧扳手16和第二锁紧扳手17固定各顶针，或者分别通过第一气压泵接口18和第二气压泵接口19施加气压锁死各顶针，使固定顶针阵列11和移动顶针阵列12中的顶针锁紧实现加工件2的固定。
工业相机3可以安装于数控机床的主轴6一侧，或其它可以拍摄到加工件2装夹于柔性夹具1所在位置图像的合适位置，并完成工业相机坐标系与数控机床坐标系间的标定，用以在线激光扫描仪4扫描前获取加工件2局部表面的图像，通过模板匹配方式获得局部表面中的待加工区域21大致位置，实现待加工区域21的自主寻位，以解决由于加工件2的装夹位置变化较大难以确定扫描区域的问题。线激光扫描仪4安装于数控机床的主轴6的运动平台上，能够跟随主轴6一起运动，根据待加工区域21大致位置所规划的扫描路径进行扫描，获取待加工区域21及其周围的加工件2局部表面三维点云信息，提取待加工区域21周围的点云信息通过曲面拟合的方式获得重构加工曲面模型，根据该模型生成加工轨迹，对待加工区域进行铣削，使加工件2局部表面趋于平整光滑。
图2为本发明的系统结构示意图，工控机9通过以太网交换机8与工业相机3、线激光扫描仪控制器5、数控机床的PLC7之间建立通信。还设置有光栅尺及读数头组件10，光栅尺及读数头组件10连接至线激光扫描仪控制器5，当主轴6沿扫描方向运动时，光栅尺及读数头组件10产生的脉冲电信号作为触发线激光扫描仪4进行扫描的触发信号。
本发明实施例还提供了一种几何自适应加工方法，使用上述实施例的几何自适应加工设备，包括以下步骤：
(1)使加工件2的待加工区域21位于固定顶针阵列11与移动顶针阵列12之间，并使待加工区域21朝上设置，装夹固定加工件2；
(2)数控机床的主轴6移动至工业相机3的拍摄位置，通过工业相机3获取待加工区域21及其周围的图像，通过模板匹配方式获得图像中待加工区域21的图像坐标，并根据工业相机坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，计算待加工区域21的数控机床坐标系坐标，作为线激光扫描仪4扫描区域的位置基准；
(3)根据步骤(2)获得的待加工区域21位置，规划线激光扫描仪4的扫描区域和扫描路径，获得待加工区域21及其周围的加工件2局部表面形貌三维点云信息，对点云信息进行点云直通滤波处理，提取待加工区域21以外的点云信息，通过曲面拟合的方式获得重构加工曲面模型；
(4)根据获得的重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹，根据该铣削加工轨迹进行加工，使待加工区域21表面平整光滑。
优选地，步骤(2)中的模板匹配为使用待加工区域的模板图像进行基于灰度的模板匹配，以该模板图像的中心点作为待加工区域图像的中心点。
进一步地，采用归一化互相关系数法搜寻待加工区域在图像中的具体位置。
更进一步地，利用工业相机与数控机床间的标定结果，将该模板匹配结果的图像坐标点转化为数控机床坐标系平面内的位置，作为待加工区域的中心点在数控机床中的具体位置。
作为一种优选方案，步骤(3)中，根据步骤(2)获得的待加工区域位置在数控机床中的具体位置为矩形中心，以线激光扫描仪沿x方向的扫描范围为矩形宽度，以线激光扫描仪沿y方向的扫描范围为矩形长度，矩形宽度和矩形长度围合的区域即为矩形区域，以该矩形区域作为线激光扫描仪的扫描区域，并根据固定的合适扫描高度进行扫描。
具体地，矩形宽度大于待加工区域21的实际宽度，以便获得待加工区域21的完整点云信息。但并不局限于此种方式，也可以通过多次扫描并采用拼接方式获得待加工区域21的完整点云信息，其中的拼接方式可以为点云配准方式。
具体地，矩形长度大于待加工区域的实际长度，以便获得待加工区域21的完整点云信息。
优选矩形长度大于待加工区域21的实际长度约10mm，在扫描完整的同时能够节约时间。由于待加工区域21在柔性夹具1中的夹持高度变化范围较小，相比之下，线激光扫描仪4的扫描深度范围较大，故不考虑待加工区域21超出扫描深度范围的情况。
作为一种优选方案，步骤(3)中对点云信息进行点云直通滤波处理，提取待加工区域21以外的点云信息，通过曲面拟合的方式获得重构加工曲面模型包括：
(3.1)对扫描线点云进行预处理；
(3.2)沿点云的y方向进行直通滤波以去除待加工区域21的点云信息，保留整体点云信息两端适当长度的部分；
(3.3)在直通滤波后的点云中，沿y方向提取整列点云作为曲线拟合的数据点，并使用该列点云进行B样条曲线拟合，沿x方向以适当步长逐列重复该B样条曲线拟合步骤，并将拟合所得的样条曲线依次拼接，以从曲线到曲面的方式进行曲面拟合直至完成整个点云的重构，获得重构加工曲面模型。
作为一种优选方案，步骤(4)中根据获得的重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹包括：
(4.1)利用线激光扫描仪与数控机床间的标定结果，将步骤(2)中待加工区域的中心点在数控机床坐标系平面内的位置转化为线激光扫描仪坐标系里的坐标点，并以该点作为起点构建阿基米德螺旋线，螺旋线在一个臂长方向相邻点间的距离根据进给量设置；
(4.2)在该螺旋线上以固定的角度间隔依次取点并在重构加工曲面模型中提取相应的点，得到加工轨迹上的点在重构加工曲面模型中的位置，形成点云信息；
(4.3)根据线激光扫描仪坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，将按序提取到的点云信息转化为数控机床坐标系中的点，数控机床在进行加工时刀具端点依次经过这些点即形成铣削加工轨迹。
以图4所示的铝合金车管作为加工件2为例进一步说明本发明的几何自适应加工方法。该类型车管由铝合金管体和通孔铝块焊接构成，是生产自行车车架的主要部件。由于自行车在焊接位置和铝块位置形成了局部表面突起，成为突起区域，为使该突起区域趋于平整光滑，需要针对车管局部突起区域进行处理。
步骤一，使用柔性夹具1夹持加工件2以固定加工对象：将铝合金车管放置于固定顶针阵列11与移动顶针阵列12之间，并尽量保持待加工区域21水平朝上且位于固定顶针阵列11与移动顶针阵列12的中间位置，之后扭动旋转手柄14夹持铝合金车管，使固定顶针阵列11和移动顶针阵列12中的各个顶针均与铝合金车管表面充分接触，拧紧顶针阵列锁紧扳手或通过气压泵接口施加气压，使固定顶针阵列11和移动顶针阵列12中的顶针锁紧实现铝合金车管的固定。
步骤二，通过工业相机3对待加工区域21进行自主寻位：由于夹持加工件2时加工件2为欠定位装夹，且待加工区域21位于加工件21表面的位置不固定，故在加工前需首先确定待加工区域21的具体位置，在加工件2夹紧固定后，工业相机3在合适的固定位置拍摄铝合金车管的装夹位置图像，之后，在该图像中通过模板匹配方式搜索待加工区域的具体位置。
使用如图5所示的待加工区域模板图像进行基于灰度的模板匹配，以该模板图像的中心点作为待加工区域图像的中心点。具体为采用归一化互相关系数法搜寻待加工区域在图像中的具体位置。利用工业相机3与数控机床间的标定结果，将图6所示的模板匹配结果的图像坐标点转化为数控机床坐标系OMXMYM平面内的位置，作为待加工区域图像的中心点在数控机床中的具体位置。
步骤三，请参阅图7，利用线激光扫描仪4获取待加工区域21及其周围的加工件2表面形貌三维点云信息：以步骤二获得的待加工区域21在数控机床中的具体位置为矩形中心点，以线激光扫描仪4沿x方向的扫描范围为矩形宽度，以线激光扫描仪4沿y方向的扫描范围为矩形长度，矩形宽度和矩形长度围合的区域即为矩形区域，以该矩形区域作为线激光扫描仪的扫描区域，并根据固定的合适扫描高度进行扫描。其中，矩形宽度大于待加工区域21的实际宽度，矩形长度大于待加工区域21的实际长度。获得的待加工区域表面形貌点云信息如图7(a)所示。
对点云信息进行点云直通滤波处理，提取待加工区域以外的点云信息，通过曲面拟合的方式获得重构加工曲面模型包括：
(3.1)对扫描线点云进行预处理。其中，线激光扫描仪4获取的点云信息为扫描线点云，即一行一行均匀有序排列的等宽点云。具体地，对扫描线点云进行滤波去除可能存在的噪声；
(3.2)沿点云的y方向进行直通滤波以去除待加工区域21的点云信息，保留整体点云信息两端适当长度的部分，如图7(b)所示。拟合曲面时待加工区域21的点云信息是干扰，要剔除。为了有充足的点云来拟合曲面，要在待加工区域21以外找到充足的点云；
(3.3)在直通滤波后的点云中，沿y方向提取整列点云作为曲线拟合的数据点，并使用该列点云进行B样条曲线拟合，沿x方向以适当步长逐列重复该B样条曲线拟合步骤，并将拟合所得的样条曲线依次拼接，以从曲线到曲面的方式进行曲面拟合直至完成整个点云的重构，获得重构加工曲面模型，如图7(c)所示。例如以行切法来加工，轨迹间间隔是0.5mm，则沿x方向的步长比0.5mm小即可。图7(d)为最终的理论加工效果形貌，供加工完成后进行参考对比。
步骤四，如图8所示，根据获得的重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹，也就是进行铣削路径的规划，包括：
(4.1)利用线激光扫描仪4与数控机床间的标定结果，将步骤二中待加工区域的中心点在数控机床坐标系OMXMYM平面内的位置转化为线激光扫描仪坐标系里的坐标点，并以该点作为起点构建阿基米德螺旋线。由于工业相机3的测量结果是为了寻找待加工区域21在数控机床里的大致位置，而铣削加工轨迹是通过线激光扫描仪4的测量结果来规划的，工业相机3的测量结果直接反应了待加工区域21的中心点即数控机床中的一个点位置，那将这个点位置通过线激光扫描仪4与数控机床间的标定结果进行转化，可作为点云信息中待加工区域21的中心位置，即可减少一步在点云里计算待加工区域中心位置的步骤；
(4.2)螺旋线在一个臂长方向相邻点间的距离根据进给量设置，在该螺旋线上以固定的角度间隔依次取点并在重构加工曲面模型中提取相应的点，得到加工轨迹上的点在重构加工曲面模型中的位置，形成点云信息。由于在线激光扫描仪坐标系里，根据阿基米德螺旋线依次取点得到多个二维坐标点(xi，yi)，再在重构加工曲面模型上取与(xi，yi)对应的zi，得到(xi，yi，zi)。螺旋线在一个臂长方向的相邻点间的距离指的是相邻螺旋线与坐标轴交点之间的距离，进给量根据刀具直径设置，刀具直径大，进给量可以大些；刀具直径小，进给量可以小些；
(4.3)根据线激光扫描仪坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，将按序提取到的点云信息转化为数控机床坐标系中的点，数控机床在进行加工时刀具端点依次经过这些点即形成铣削加工轨迹。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种几何自适应加工设备，其特征在于，包括：
柔性夹具，所述柔性夹具包括相对设置的固定顶针阵列和移动顶针阵列，所述移动顶针阵列能够靠近或背离所述固定顶针阵列运动，所述固定顶针阵列与移动顶针阵列之间用于装夹加工件，所述加工件上具有待加工区域；
工业相机，用于获取所述待加工区域及其周围的图像；
线激光扫描仪，用于获取待加工区域及其周围的加工件局部表面形貌三维点云信息，所述线激光扫描仪连接线激光扫描仪控制器；
PLC；
所述工业相机、线激光扫描仪控制器、PLC均通过以太网交换机与工控机相连接，完成局域网组网。
2.一种几何自适应加工方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的几何自适应加工设备，包括以下步骤：
(1)使加工件的待加工区域位于固定顶针阵列与移动顶针阵列之间，并使待加工区域朝上设置，装夹固定加工件；
(2)数控机床的主轴移动至工业相机的拍摄位置，通过工业相机获取待加工区域及其周围的图像，通过模板匹配方式获得图像中待加工区域的图像坐标，并根据工业相机坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，计算待加工区域的数控机床坐标系坐标，作为线激光扫描仪扫描区域的位置基准；
(3)根据所述步骤(2)获得的待加工区域位置，规划线激光扫描仪的扫描区域和扫描路径，获得待加工区域及其周围的加工件局部表面形貌三维点云信息，对点云信息进行点云直通滤波处理，提取待加工区域以外的点云信息，通过曲面拟合的方式获得重构加工曲面模型；
(4)根据获得的重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹，根据该铣削加工轨迹进行加工，使待加工区域表面平整光滑。
3.根据权利要求2所述的一种几何自适应加工方法，其特征在于，所述步骤(2)中的模板匹配为使用待加工区域的模板图像进行基于灰度的模板匹配，以该模板图像的中心点作为待加工区域图像的中心点。
4.根据权利要求3所述的一种自主寻位及几何自适应加工方法，其特征在于，采用归一化互相关系数法搜寻待加工区域在图像中的具体位置，得到模板匹配结果。
5.根据权利要求4所述的一种自主寻位及几何自适应加工方法，其特征在于，利用工业相机坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，将该模板匹配结果的图像坐标点转化为数控机床坐标系平面内的位置，作为待加工区域的中心点在数控机床中的具体位置。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的一种几何自适应加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中，根据所述步骤(2)获得的待加工区域位置在数控机床中的具体位置为矩形中心点，以线激光扫描仪沿x方向的扫描范围为矩形宽度，以线激光扫描仪沿y方向的扫描范围为矩形长度，矩形宽度和矩形长度围合的区域即为矩形区域，以该矩形区域作为线激光扫描仪的扫描区域，并根据固定的合适扫描高度进行扫描。
7.根据权利要求6所述的一种几何自适应加工方法，其特征在于，所述矩形宽度大于待加工区域的实际宽度，或者，多次扫描并采用拼接方式获得待加工区域的完整点云信息。
8.根据权利要求6所述的一种几何自适应加工方法，其特征在于，所述矩形长度大于待加工区域的实际长度。
9.根据权利要求2所述的一种几何自适应加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中对点云信息进行点云直通滤波处理，提取待加工区域以外的点云信息，通过曲面拟合的方式获得重构加工曲面模型包括：
(3.1)对扫描线点云进行预处理；
(3.2)沿点云的y方向进行直通滤波以去除待加工区域的点云信息，保留整体点云信息两端适当长度的部分；
(3.3)在直通滤波后的点云中，沿y方向提取整列点云作为曲线拟合的数据点，并使用该列点云进行B样条曲线拟合，沿x方向以适当步长逐列重复该B样条曲线拟合步骤，并将拟合所得的样条曲线依次拼接，以从曲线到曲面的方式进行曲面拟合直至完成整个点云的重构，获得重构加工曲面模型。
10.根据权利要求2或9所述的一种几何自适应加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中根据获得的重构加工曲面模型生成铣削加工轨迹包括：
(4.1)利用线激光扫描仪坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，将所述步骤(2)中待加工区域的中心点在数控机床坐标系平面内的位置转化为线激光扫描仪坐标系里的坐标点，并以该点作为起点构建阿基米德螺旋线；
(4.2)螺旋线在一个臂长方向相邻点间的距离根据进给量设置，在该螺旋线上以固定的角度间隔依次取点并在重构加工曲面模型中提取相应的点，得到加工轨迹上的点在重构加工曲面模型中的位置，形成点云信息；
(4.3)根据线激光扫描仪坐标系与数控机床坐标系间的标定结果，将按序提取到的点云信息转化为数控机床坐标系中的点，数控机床在进行加工时刀具端点依次经过这些点即形成铣削加工轨迹。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310145246.7A CN116551048A (zh) | 2023-02-21 | 2023-02-21 | 一种几何自适应加工设备及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310145246.7A CN116551048A (zh) | 2023-02-21 | 2023-02-21 | 一种几何自适应加工设备及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116551048A true CN116551048A (zh) | 2023-08-08 |
Family
ID=87498918
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310145246.7A Pending CN116551048A (zh) | 2023-02-21 | 2023-02-21 | 一种几何自适应加工设备及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116551048A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116871709A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-10-13 | 常州市鹏瑞自动化设备有限公司 | 激光切割异形圆管件的方法 |
| CN117078730A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-17 | 资阳建工建筑有限公司 | 基于模版匹配的防凸卡具配准方法 |
-
2023
- 2023-02-21 CN CN202310145246.7A patent/CN116551048A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116871709A (zh) * | 2023-09-08 | 2023-10-13 | 常州市鹏瑞自动化设备有限公司 | 激光切割异形圆管件的方法 |
| CN116871709B (zh) * | 2023-09-08 | 2023-12-08 | 常州市鹏瑞自动化设备有限公司 | 激光切割异形圆管件的方法 |
| CN117078730A (zh) * | 2023-10-12 | 2023-11-17 | 资阳建工建筑有限公司 | 基于模版匹配的防凸卡具配准方法 |
| CN117078730B (zh) * | 2023-10-12 | 2024-01-23 | 资阳建工建筑有限公司 | 基于模版匹配的防凸卡具配准方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109489580B (zh) | 一种航空发动机叶片表面加工的在机点云检测及补偿方法 | |
| CN110434671B (zh) | 一种基于特征测量的铸造件表面机加工轨迹校准方法 | |
| CN111195830B (zh) | 一种大型薄壁筒件数字化减薄加工方法 | |
| CN116551048A (zh) | 一种几何自适应加工设备及方法 | |
| CN110091333B (zh) | 复杂曲面表面焊缝特征识别和自动磨抛的装置及方法 | |
| CN102501172B (zh) | 用于机器人修磨系统的面向空间曲面加工的在位测量方法 | |
| Kosler et al. | Adaptive robotic deburring of die-cast parts with position and orientation measurements using a 3D laser-triangulation sensor | |
| CN103995496A (zh) | 一种基于数字化测量的飞机部件高精度匹配零件加工方法 | |
| CN109848989B (zh) | 一种基于红宝石探针的机器人执行末端自动标定及检测方法 | |
| CN114055255A (zh) | 一种基于实时点云的大型复杂构件表面打磨路径规划方法 | |
| CN112264842B (zh) | 基于极坐标玻璃磨边机恒线速度磨削加工方法 | |
| JP7446055B2 (ja) | 切削工具を製造するための方法及び機械設備 | |
| CN111531407A (zh) | 一种基于图像处理的工件姿态快速测量方法 | |
| Yang et al. | A path planning method for error region grinding of aero-engine blades with free-form surface | |
| Xie et al. | Hand-eye calibration and its accuracy analysis in robotic grinding | |
| CN114200891B (zh) | 无模型筒形铸件内腔铣削加工系统及轨迹规划方法 | |
| CN110281152A (zh) | 一种基于在线试触的机器人恒力打磨路径规划方法及系统 | |
| CN113932753A (zh) | 一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法 | |
| CN109822575B (zh) | 一种利用投影特征图像进行移动加工的机器人系统及方法 | |
| CN114310493B (zh) | 一种视觉伺服进给异形螺旋曲面螺杆砂带抛光装置和方法 | |
| Wen et al. | Robotic surface finishing of curved surfaces: Real-Time identification of surface profile and control | |
| Galanulis et al. | Optical digitizing by ATOS for press parts and tools | |
| He et al. | A novel arc-spraying robot for rapid tooling | |
| CN112318226A (zh) | 圆形工件表面打磨方法 | |
| Ravishankar et al. | AIWIN—a fast and jigless inspection technique for machined parts |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |