本發(fā)明涉及一種打磨拋光系統(tǒng)，特別涉及一種基于視覺信息的復(fù)雜曲面的打磨拋光系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在制造業(yè)中，經(jīng)常需要對工件進(jìn)行打磨和拋光。工件外形簡單或規(guī)則的情況下，用數(shù)控機(jī)床或磨床可以完成相應(yīng)的打磨工作。但是，當(dāng)工件外形是復(fù)雜曲面時，必須要由人工完成，而且對操作工人的熟練程度也有較高要求。

應(yīng)用機(jī)器人的柔性，來進(jìn)行打磨工作，是解決復(fù)雜曲面打磨拋光的自動化的一個路徑。文獻(xiàn)“基于復(fù)雜空間曲面加工的機(jī)器人磨削系統(tǒng)”(洪云飛等，中國機(jī)械工程，2006：150-153)采用激光測距儀對工件表面進(jìn)行點(diǎn)測量，用六自由度機(jī)器人夾持工件在砂帶上進(jìn)行磨削；文獻(xiàn)“基于復(fù)雜曲面加工的機(jī)器人砂帶磨削系統(tǒng)的設(shè)計及其實(shí)驗(yàn)分析”(崔一輝等，中國機(jī)械工程，2009，20(10)：1144-1154)采用砂帶進(jìn)行磨削，用機(jī)器人夾持工件來進(jìn)給；專利“一種自由曲面機(jī)器人打磨系統(tǒng)”(專利號cn103878666a)采用攝像頭輔助工件定位，用六自由度機(jī)械手夾持砂輪進(jìn)行磨削；專利“一種基于視覺信息的工業(yè)機(jī)器人磨削系統(tǒng)及方法”(專利號cn102120307)采用攝像頭輔助機(jī)械手進(jìn)行工件上下料。

以上文獻(xiàn)和專利中，沒有對工件外形輪廓的精確快捷的測量方法，也不能對工件表面粗糙度進(jìn)行測量；機(jī)械手往往采用6自由度機(jī)械手，控制復(fù)雜、剛性差；要借助第三方商業(yè)軟件進(jìn)行路徑規(guī)劃，不易推廣；對工件進(jìn)行磨削時，需要提交一個參考數(shù)模，對缺少參考數(shù)模的非標(biāo)準(zhǔn)化工件的加工適應(yīng)性差；沒有應(yīng)用振動傳感器，往往采用力傳感器來測量磨削過程力信息，響應(yīng)不夠及時。因此，本發(fā)明構(gòu)建一種能實(shí)測工件外形輪廓和粗糙度的打磨拋光系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、打磨拋光過程的全自動化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決復(fù)雜曲面全自動打磨和拋光，可以實(shí)現(xiàn)在無參考數(shù)模情況下的打磨和拋光全自動化。對待加工的工件，系統(tǒng)對工件表面的輪廓和粗糙度進(jìn)行測量，用戶選擇拋光或打磨，若選擇拋光，需設(shè)置目標(biāo)粗糙度，若選擇打磨，需設(shè)置打磨量，系統(tǒng)自動進(jìn)行路徑規(guī)劃，引導(dǎo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成拋光或打磨工作。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種復(fù)雜曲面打磨拋光系統(tǒng)。圖1是復(fù)雜曲面打磨拋光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)包括工作站、伺服驅(qū)動器、三自由度工業(yè)機(jī)械手、激光發(fā)生裝置、攝像頭、機(jī)械手末端夾具、三自由度工裝平臺、工裝平臺底座、振動傳感器。工作站、伺服驅(qū)動器、機(jī)械手、攝像頭、工裝平臺、振動傳感器通過can總線進(jìn)行連接。激光發(fā)生裝置與攝像頭構(gòu)成視覺檢測裝置，引導(dǎo)機(jī)械手進(jìn)行加工件輪廓檢測和粗糙度檢測；工作站獲取輪廓檢測值和粗糙度檢測值，根據(jù)用戶設(shè)置，產(chǎn)生打磨或拋光路徑，生成控制信號給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動機(jī)械手和工裝平臺。振動傳感器測量打磨拋光過程中的振動信號，使機(jī)械手實(shí)時調(diào)整與工裝平臺在工作過程中的相對速度和距離。機(jī)械手末端夾具可安裝油石、拋光輪進(jìn)行拋光，也可安裝砂輪進(jìn)行打磨。三自由度工裝平臺安裝在工裝平臺底座上，可以沿x向、y向平移和繞z軸旋轉(zhuǎn)，共3個自由度。

工作站與各部件連接如圖2所示，各部件間通過can總線通信，工作站軟件功能模塊包括工件表面粗糙度檢測模塊、工件表面輪廓生成模塊、視覺及機(jī)械手標(biāo)定模塊、視覺檢測模塊、拋光路徑規(guī)劃、打磨路徑規(guī)劃、運(yùn)動規(guī)劃模塊。工作站通過can總線獲取工件表面輪廓高度信息及機(jī)械手移動坐標(biāo)信息，工件表面輪廓生成模塊產(chǎn)生工件輪廓數(shù)模，工件表面粗糙度模塊產(chǎn)生粗糙度值；視覺及機(jī)械手標(biāo)定模塊實(shí)現(xiàn)攝像頭和機(jī)械手標(biāo)定流程；根據(jù)用戶輸入?yún)?shù)，拋光路徑規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)拋光路徑規(guī)劃，打磨路徑規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)打磨路徑規(guī)劃；運(yùn)動規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動規(guī)劃。

進(jìn)行視覺檢測時，工件安裝在工裝平臺上，機(jī)械手與工裝平臺在xy平面上進(jìn)行相對位置平移，安裝在機(jī)械手的激光發(fā)生裝置投射光線在工件表面，攝像頭檢測光線在工件表面的變形量，得到工件表面各點(diǎn)的坐標(biāo)值，通過將坐標(biāo)值點(diǎn)的平滑分析得到工件表面的輪廓值，并通過對輪廓曲線擬合后的殘差分析，得到工件表面粗糙度。

進(jìn)行拋光設(shè)置時，用戶可在工作站用戶界面輸入目標(biāo)粗糙度值；進(jìn)行打磨量設(shè)置時，(i)用戶可在工作站用戶界面輸入目標(biāo)數(shù)模，系統(tǒng)比較目標(biāo)數(shù)模與實(shí)測數(shù)模的差值，(ii)也可在用戶界面對實(shí)測數(shù)模進(jìn)行修改，系統(tǒng)比較修改數(shù)模與實(shí)測數(shù)模的差值，(iii)也可采用參數(shù)化方法，在用戶界面選定實(shí)測數(shù)模加工區(qū)域，系統(tǒng)將該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，將網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)顯示在界面上，用戶對網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行打磨參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)根據(jù)用戶的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行表面曲線平滑，比較修改后的坐標(biāo)值與實(shí)測坐標(biāo)值的差值。

進(jìn)行于打磨拋光的路徑規(guī)劃時，系統(tǒng)基于實(shí)測工件的表面輪廓，計算加工表面各點(diǎn)的法向值，用svm方法將法向值相近的相鄰點(diǎn)軌跡找出來，并將其中與加工工具(油石、拋光輪、砂輪)發(fā)生干涉的點(diǎn)軌跡去除，生成打磨拋光的路徑。

執(zhí)行打磨拋光程序時，基于振動信號進(jìn)行實(shí)時運(yùn)動控制補(bǔ)償，系統(tǒng)根據(jù)工作過程中振動傳感器的信號，生成功率譜，分析功率譜特征，改變機(jī)械手和工裝平臺相對運(yùn)動的速度和距離。

為了實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明的第二方面是提供一種復(fù)雜曲面的打磨拋光方法，如圖3所示，包括以下步驟：

步驟s1：視覺及機(jī)械手標(biāo)定流程，機(jī)械手與工裝平臺相對運(yùn)動，選取若干點(diǎn)在z向接近，記錄攝像頭觀測值及振動傳感器沖擊值，校正工裝平臺與機(jī)械手相對關(guān)系值及攝像頭與機(jī)械手相對關(guān)系值；

步驟s2：視覺檢測流程，將工件安裝在工裝平臺上，機(jī)械手與工裝平臺相對運(yùn)動，激光發(fā)生裝置投射激光在工件表面，攝像頭采集圖像，計算各點(diǎn)的z向高度值及記錄其在xy坐標(biāo)平面參數(shù)值；

步驟s3：工作站根據(jù)攝像頭采集的點(diǎn)參數(shù)值，進(jìn)行參數(shù)平滑n及曲線擬合，生成工件輪廓外形的數(shù)據(jù)模型及粗糙度值；

步驟s4：在工作站用戶界面上選擇拋光或是打磨，若是選擇拋光，用戶在步驟s4a輸入目標(biāo)粗糙度值，若是選擇打磨，在步驟s4b有三種方式來設(shè)置打磨量，分別是(i)用戶輸入目標(biāo)數(shù)模，系統(tǒng)比對目標(biāo)數(shù)模與實(shí)測數(shù)模的差值(ii)用戶在圖形界面上對實(shí)測數(shù)模進(jìn)行修改，系統(tǒng)比對修改數(shù)模與實(shí)測數(shù)模的差值(iii)用戶在圖形界面上選定實(shí)測數(shù)模上要打磨的區(qū)域，系統(tǒng)將該區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)值顯示在用戶界面上，用戶對坐標(biāo)值進(jìn)行修改，系統(tǒng)將修改值進(jìn)行平滑，生成修改值與實(shí)測數(shù)模的差值；

步驟s5：在工作站用戶界面選擇拋光用的油石/拋光輪或打磨用砂輪型號，并將對應(yīng)加工工具安裝在機(jī)械手末端夾具上；

步驟s6：系統(tǒng)進(jìn)行路徑規(guī)劃，找出法向值相近的相鄰點(diǎn)的軌跡，并將與加工工具(油石、拋光輪、砂輪)發(fā)生干涉的點(diǎn)軌跡去除，生成打磨拋光的路徑；

步驟s7：系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃，產(chǎn)生機(jī)械手和工裝平臺各自由度的運(yùn)動指令，同時在工作過程中，根據(jù)安裝在機(jī)械手上的振動傳感器采集的振動信號進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償；

步驟s8：系統(tǒng)通過伺服驅(qū)動器驅(qū)動機(jī)械手和工裝平臺的運(yùn)動，同時安裝在機(jī)械手上的振動傳感器采集振動信號；

步驟s9：一個打磨拋光工序完成后，判斷是否需要繼續(xù)打磨拋光，若需要，返回步驟s5；

步驟s10：機(jī)械手和工裝平臺復(fù)位。

本發(fā)明的有益效果，主要表現(xiàn)在：采用激光發(fā)生器和攝像頭構(gòu)成的視覺檢測裝置，對工件外形輪廓坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行測量，生成外形輪廓數(shù)模和粗糙度值，可應(yīng)用于打磨和拋光的實(shí)測輸入；靈活的打磨參數(shù)設(shè)置方法，在無標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模時也能使用；自動進(jìn)行路徑規(guī)劃；對打磨過程進(jìn)行振動監(jiān)測，并進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：用視覺進(jìn)行外形輪廓檢測，速度快且采樣點(diǎn)數(shù)相對激光測量豐富，而且可以生成工件表面粗糙度值；采用三自由度機(jī)械手和三自由度工裝平臺，減少了采用6自由度機(jī)械手控制的復(fù)雜度；即可以用于打磨，也可用于拋光，應(yīng)用范圍廣；自動的路徑規(guī)劃和運(yùn)動規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃全自動化；打磨設(shè)置有多種方式，操作員不會數(shù)模繪圖軟件工具也能操作；對打磨拋光過程進(jìn)行振動監(jiān)測，防止異常情況發(fā)生，并通過運(yùn)動補(bǔ)償提高打磨拋光的完成效果。

附圖說明

圖1為復(fù)雜曲面打磨拋光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為工作站與各模塊的連接及工作站內(nèi)的軟件功能模塊示意圖；

圖3為本發(fā)明的應(yīng)用于復(fù)雜曲面的打磨拋光方法的流程圖；

圖4為本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例的拋光/打磨操作流程圖。

圖中主要部件說明：

工作站1、伺服驅(qū)動器2、三自由度工業(yè)機(jī)械手3、激光發(fā)生裝置4、攝像頭5、機(jī)械手末端夾具6、三自由度工裝平臺7、工裝平臺底座8、振動傳感器9

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、優(yōu)點(diǎn)更加詳細(xì)明白，以下結(jié)合具體實(shí)例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，復(fù)雜曲面拋光打磨系統(tǒng)包括工作站(1)、伺服驅(qū)動器(2)、三自由度工業(yè)機(jī)械手(3)、激光發(fā)生裝置(4)、攝像頭(5)、機(jī)械手末端夾具(6)、三自由度工裝平臺(7)、工裝平臺底座(8)、振動傳感器(9)。工作站(1)、伺服驅(qū)動器(2)、機(jī)械手(3)、攝像頭(5)、工裝平臺(7)、振動傳感器(9)，通過can總線進(jìn)行通信。激光發(fā)生裝置(4)與攝像頭(5)構(gòu)成視覺檢測裝置，引導(dǎo)機(jī)械手(3)進(jìn)行加工件輪廓檢測和粗糙度檢測；工作站(1)獲取輪廓檢測值和粗糙度檢測值，根據(jù)用戶設(shè)置，產(chǎn)生打磨或拋光路徑，生成控制信號給伺服驅(qū)動器(2)，驅(qū)動機(jī)械手(3)和工裝平臺(7)。振動傳感器(9)測量打磨拋光過程中的振動信號，使機(jī)械手(3)實(shí)時調(diào)整與工裝平臺(7)在工作過程中的相對速度和距離。機(jī)械手末端夾具(6)可安裝油石、拋光輪進(jìn)行拋光，也可安裝砂輪進(jìn)行打磨。三自由度工裝平臺(7)安裝在工裝平臺底座(8)上，可以沿x向、y向平移和繞z軸旋轉(zhuǎn)，共3個自由度。

工作站(1)選用符合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計算機(jī)，伺服驅(qū)動器(2)選用交流電機(jī)伺服驅(qū)動器，機(jī)械手(3)選用3-r結(jié)構(gòu)并聯(lián)機(jī)械手，激光發(fā)生裝置(4)選用一維激光投射裝置，攝像頭(5)選用帶dsp信號處理功能的雙目攝像頭，工裝平臺(7)和工裝平臺底座(8)間通過絲桿導(dǎo)軌和旋轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)x、y向平移和z向旋轉(zhuǎn)三個自由度。振動傳感器(9)選用三維振動傳感器，頻率范圍10hz-1000hz。

如圖4所示，本發(fā)明的實(shí)施實(shí)例的拋光打磨操作流程包括如下步驟：

步驟es1：開機(jī)，啟動系統(tǒng)；

步驟es2：若是首班次，進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定流程，否則進(jìn)入步驟es5；

步驟es3：操作員啟動機(jī)械手及視覺標(biāo)定程序，機(jī)械手移動，系統(tǒng)測量機(jī)械手末端與工裝平臺、攝像頭與工裝平臺相對位置；

步驟es4：若是超出系統(tǒng)自校正容許誤差限值，提示操作員進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完成后返回es3；

步驟es5：操作員安裝等待加工工件到工裝平臺上；

步驟es6：啟動輪廓、粗糙度檢測程序，機(jī)械手相對工裝平臺移動，激光發(fā)生裝置投射激光，攝像頭采集圖像，計算工件各點(diǎn)坐標(biāo)值，系統(tǒng)生成工件外形數(shù)模和粗糙度值；

步驟es7：若是工件測量值符合要求，操作員取出工件，否則進(jìn)入下一步；

步驟es8：操作員在工作站界面選擇拋光的目標(biāo)粗糙度或打磨的打磨量；

步驟es9：操作員在工作站界面選擇拋光用的油石、拋光輪或打磨用的砂輪；

步驟es10：操作員安裝拋光用的油石、拋光輪或打磨用的砂輪到機(jī)械手末端；

步驟es11：操作員啟動拋光或打磨程序；

步驟es12：拋光/打磨程序執(zhí)行完成，回到步驟es6。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。