本發明涉及一種打磨拋光系統，特別涉及一種基于視覺信息的復雜曲面的打磨拋光系統及方法。

背景技術：

在制造業中，經常需要對工件進行打磨和拋光。工件外形簡單或規則的情況下，用數控機床或磨床可以完成相應的打磨工作。但是，當工件外形是復雜曲面時，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。

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

以上文獻和專利中，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行測量；機械手往往采用6自由度機械手，控制復雜、剛性差；要借助第三方商業軟件進行路徑規劃，不易推廣；對工件進行磨削時，需要提交一個參考數模，對缺少參考數模的非標準化工件的加工適應性差；沒有應用振動傳感器，往往采用力傳感器來測量磨削過程力信息，響應不夠及時。因此，本發明構建一種能實測工件外形輪廓和粗糙度的打磨拋光系統，并實現路徑規劃、打磨拋光過程的全自動化。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是解決復雜曲面全自動打磨和拋光，可以實現在無參考數模情況下的打磨和拋光全自動化。對待加工的工件，系統對工件表面的輪廓和粗糙度進行測量，用戶選擇拋光或打磨，若選擇拋光，需設置目標粗糙度，若選擇打磨，需設置打磨量，系統自動進行路徑規劃，引導執行機構完成拋光或打磨工作。

為了解決上述技術問題，本發明提出一種復雜曲面打磨拋光系統。圖1是復雜曲面打磨拋光系統結構示意圖，系統包括工作站、伺服驅動器、三自由度工業機械手、激光發生裝置、攝像頭、機械手末端夾具、三自由度工裝平臺、工裝平臺底座、振動傳感器。工作站、伺服驅動器、機械手、攝像頭、工裝平臺、振動傳感器通過can總線進行連接。激光發生裝置與攝像頭構成視覺檢測裝置，引導機械手進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，根據用戶設置，產生打磨或拋光路徑，生成控制信號給伺服驅動器，驅動機械手和工裝平臺。振動傳感器測量打磨拋光過程中的振動信號，使機械手實時調整與工裝平臺在工作過程中的相對速度和距離。機械手末端夾具可安裝油石、拋光輪進行拋光，也可安裝砂輪進行打磨。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，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、視覺及機械手標定模塊、視覺檢測模塊、拋光路徑規劃、打磨路徑規劃、運動規劃模塊。工作站通過can總線獲取工件表面輪廓高度信息及機械手移動坐標信息，工件表面輪廓生成模塊產生工件輪廓數模，工件表面粗糙度模塊產生粗糙度值；視覺及機械手標定模塊實現攝像頭和機械手標定流程；根據用戶輸入參數，拋光路徑規劃模塊實現拋光路徑規劃，打磨路徑規劃模塊實現打磨路徑規劃；運動規劃模塊實現運動規劃。

進行視覺檢測時，工件安裝在工裝平臺上，機械手與工裝平臺在xy平面上進行相對位置平移，安裝在機械手的激光發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，得到工件表面各點的坐標值，通過將坐標值點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。

進行拋光設置時，用戶可在工作站用戶界面輸入目標粗糙度值；進行打磨量設置時，(i)用戶可在工作站用戶界面輸入目標數模，系統比較目標數模與實測數模的差值，(ii)也可在用戶界面對實測數模進行修改，系統比較修改數模與實測數模的差值，(iii)也可采用參數化方法，在用戶界面選定實測數模加工區域，系統將該區域進行網格化，將網格點坐標顯示在界面上，用戶對網格點坐標值進行打磨參數設置，系統根據用戶的參數設置進行表面曲線平滑，比較修改后的坐標值與實測坐標值的差值。

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

執行打磨拋光程序時，基于振動信號進行實時運動控制補償，系統根據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，改變機械手和工裝平臺相對運動的速度和距離。

為了實現所述目的，本發明的第二方面是提供一種復雜曲面的打磨拋光方法，如圖3所示，包括以下步驟：

步驟s1：視覺及機械手標定流程，機械手與工裝平臺相對運動，選取若干點在z向接近，記錄攝像頭觀測值及振動傳感器沖擊值，校正工裝平臺與機械手相對關系值及攝像頭與機械手相對關系值；

步驟s2：視覺檢測流程，將工件安裝在工裝平臺上，機械手與工裝平臺相對運動，激光發生裝置投射激光在工件表面，攝像頭采集圖像，計算各點的z向高度值及記錄其在xy坐標平面參數值；

步驟s3：工作站根據攝像頭采集的點參數值，進行參數平滑n及曲線擬合，生成工件輪廓外形的數據模型及粗糙度值；

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輸入目標粗糙度值，若是選擇打磨，在步驟s4b有三種方式來設置打磨量，分別是(i)用戶輸入目標數模，系統比對目標數模與實測數模的差值(ii)用戶在圖形界面上對實測數模進行修改，系統比對修改數模與實測數模的差值(iii)用戶在圖形界面上選定實測數模上要打磨的區域，系統將該區域進行網格劃分，將網格點坐標值顯示在用戶界面上，用戶對坐標值進行修改，系統將修改值進行平滑，生成修改值與實測數模的差值；

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，并將對應加工工具安裝在機械手末端夾具上；

步驟s6：系統進行路徑規劃，找出法向值相近的相鄰點的軌跡，并將與加工工具(油石、拋光輪、砂輪)發生干涉的點軌跡去除，生成打磨拋光的路徑；

步驟s7：系統進行運動規劃，產生機械手和工裝平臺各自由度的運動指令，同時在工作過程中，根據安裝在機械手上的振動傳感器采集的振動信號進行運動補償；

步驟s8：系統通過伺服驅動器驅動機械手和工裝平臺的運動，同時安裝在機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，判斷是否需要繼續打磨拋光，若需要，返回步驟s5；

步驟s10：機械手和工裝平臺復位。

本發明的有益效果，主要表現在：采用激光發生器和攝像頭構成的視覺檢測裝置，對工件外形輪廓坐標參數進行測量，生成外形輪廓數模和粗糙度值，可應用于打磨和拋光的實測輸入；靈活的打磨參數設置方法，在無標準數模時也能使用；自動進行路徑規劃；對打磨過程進行振動監測，并進行運動補償。

本發明的優點是：用視覺進行外形輪廓檢測，速度快且采樣點數相對激光測量豐富，而且可以生成工件表面粗糙度值；采用三自由度機械手和三自由度工裝平臺，減少了采用6自由度機械手控制的復雜度；即可以用于打磨，也可用于拋光，應用范圍廣；自動的路徑規劃和運動規劃，實現規劃全自動化；打磨設置有多種方式，操作員不會數模繪圖軟件工具也能操作；對打磨拋光過程進行振動監測，防止異常情況發生，并通過運動補償提高打磨拋光的完成效果。

附圖說明

圖1為復雜曲面打磨拋光系統的結構示意圖；

圖2為工作站與各模塊的連接及工作站內的軟件功能模塊示意圖；

圖3為本發明的應用于復雜曲面的打磨拋光方法的流程圖；

圖4為本發明的實施實例的拋光/打磨操作流程圖。

圖中主要部件說明：

工作站1、伺服驅動器2、三自由度工業機械手3、激光發生裝置4、攝像頭5、機械手末端夾具6、三自由度工裝平臺7、工裝平臺底座8、振動傳感器9

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案、優點更加詳細明白，以下結合具體實例，并參照附圖，對本發明進一步的詳細說明。

如圖1所示，復雜曲面拋光打磨系統包括工作站(1)、伺服驅動器(2)、三自由度工業機械手(3)、激光發生裝置(4)、攝像頭(5)、機械手末端夾具(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)、伺服驅動器(2)、機械手(3)、攝像頭(5)、工裝平臺(7)、振動傳感器(9)，通過can總線進行通信。激光發生裝置(4)與攝像頭(5)構成視覺檢測裝置，引導機械手(3)進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，根據用戶設置，產生打磨或拋光路徑，生成控制信號給伺服驅動器(2)，驅動機械手(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，使機械手(3)實時調整與工裝平臺(7)在工作過程中的相對速度和距離。機械手末端夾具(6)可安裝油石、拋光輪進行拋光，也可安裝砂輪進行打磨。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，共3個自由度。

工作站(1)選用符合工業現場應用標準的工業控制計算機，伺服驅動器(2)選用交流電機伺服驅動器，機械手(3)選用3-r結構并聯機械手，激光發生裝置(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)間通過絲桿導軌和旋轉臺實現x、y向平移和z向旋轉三個自由度。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，本發明的實施實例的拋光打磨操作流程包括如下步驟：

步驟es1：開機，啟動系統；

步驟es2：若是首班次，進行系統標定流程，否則進入步驟es5；

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

步驟es4：若是超出系統自校正容許誤差限值，提示操作員進行手動調節，調節完成后返回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，機械手相對工裝平臺移動，激光發生裝置投射激光，攝像頭采集圖像，計算工件各點坐標值，系統生成工件外形數模和粗糙度值；

步驟es7：若是工件測量值符合要求，操作員取出工件，否則進入下一步；

步驟es8：操作員在工作站界面選擇拋光的目標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/打磨程序執行完成，回到步驟es6。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護范圍當視權利要求書所界定者為準。