CN115555924A - 一种机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备，包括浮动打磨工具操作浮动打磨工具的机械臂底座和用于放置待加工工件的转台；所述机械臂设置于底座的一侧，所述转台设置于底座的另一侧，所述机械臂上集成有浮动机构和测量头，在机械臂末端设有朝向转台的探针，所述转台上十字交叉且相互垂直的设有4个滑道，在每个滑道上均设有一个夹具，在夹具紧贴工件一侧内部设有位置传感器。本发明公开还公开了一种检测方法，通过两点一线、多点拟合成圆的原则，拟合出对应的外形轮廓段，以连续曲线的形式，显示在显示屏上，用以用以给操作人员确认目前产品的相关尺寸。本发明通过机器人和位移传感器实现自动采集工件尺寸数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于浮动打磨加工领域的机器人对大型圆柱类工件加工余量状态检测设备和方法。
背景技术
现在工业生产中，出于柔性化生产的考虑，机器人开始参与各种机加工领域的应用。但是机器人出于本身刚性的限制，大部分应用集中在打磨领域。
在打磨的过程中，对于来料尺寸不稳定的产品，往往我们需要对产品的毛坯尺寸进行检测，然后再给与机器人合适的磨削进给量。目前尺寸测量方法主要有通过摄像头检测自动检测、三维激光扫描以及量具测量。
摄像头测量会增加多余的费用，且对于较大的圆柱性产品测量时，摄像头的采集范围一般较小，并且对产品的轮廓度要求较高；三维激光扫描的测试能力很强，但是价格昂贵。以上两种方法不仅会增加大量费用，相关的测量单元也很占空间。且现场加工环境恶劣，对这种测量设备的影响很大。而通过普通量具测量，容易造成人为误差，无法实现自动化，且无法测量圆锥面。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备和方法，它通过机器人和位移传感器实现自动采集工件尺寸数据，并能够将数据输入系统进行分析计算。
实现上述目的的一种技术方案是：一种机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备，包括浮动打磨工具和操作浮动打磨工具的机械臂，还包括底座和用于放置待加工工件的转台；
所述机械臂设置于底座的一侧，所述转台设置于底座的另一侧，所述机械臂为六轴机械臂，其第六轴上集成有浮动机构和测量头，在机械臂末端设有朝向转台的探针，该探针可伸缩的与机械臂连接，所述转台上十字交叉且相互垂直的设有4个滑道，在每个滑道上均设有一个夹具，在夹具紧贴工件一侧内部设有位置传感器。
应用上述机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备的检测方法，包括如下步骤：
步骤1，将待加工工件放置于转台上，通过夹具进行夹持固定；
步骤2，通过测量头测量转台上4个夹具贴合工件所对应的四个产品坐标值，从而计算工件中心与转台中心的位置偏差值，然后调节夹具使得位置偏差值满足公差允许范围；
步骤3，探针以法向接近并触碰工件的轮廓边沿，然后沿工件的轮廓边在工件轴向位移，得到均布于工件外轮廓先上的基于机器人坐标系下的若干个空间点的位置；
步骤4，将得到的若干个空间点的位置的机器人坐标系进行基于工件测量基准平面的位置转换，得到工件测量基准平面上的若干个空间点坐标为P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、……、Pn(xn,yn)；
步骤5，对于工件轮廓线为直线的位置区域，根据两点式方法建立该直线的方程以表示工件的外轮廓：
步骤6，对于工件轮廓线为圆弧的位置区域，选定圆弧轮廓上的若干个点，利用最小二乘法进行该工件圆形轮廓的拟合，具体方法如下，以选定6个点为例：
若该圆的圆心坐标为O(A,B)，半径为R，则
R2＝(x-A)2+(y-B)2 (1)
R2＝x2-2Ax+A2+y2-2By+B2 (2)
令a＝-2A,b＝-2B,c＝A2+B2-R2，则圆的曲线方程可写成
x2+y2+ax+by+c＝0 (3)
只需要求出参数a,b,c，即可得到圆心及半径：
若点坐标P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、……、P6(x6,y6)中第i点到圆心的距离记为di，
di 2＝(Xi-A)2+(Yi-B)2 (7)
则其与半径之间的误差为：
6个点的误差和为：
由于Q(a,b,c)的每一项都大于等于0，所以存在大于或等于0的极小值，
Q(a,b,c)分别对参数a,b,c求偏导，然后令偏导数为0，即可求出极值点，
令
可得
0＝Ca+Db+E (25)
0＝Da+Gb+H (26)
由式(4)、(5)、(6)即可求得圆心O(A,B)和半径R，至此得到工件轮廓线为圆弧的位置区域的外轮廓表达方程；
步骤7，通过步骤5和步骤6的各段直线方程和圆参数方程的多点拟合，即可获取实际工件在某一个象限的轮廓的连续曲线。
进一步的，步骤2中，通过设置工具中心点建立测量头空间坐标系，获得测量头中心校坐标，然后用该测量头来获取产品或夹具上所需测量点的坐标参数。
本发明的一种机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备和方法，针对机器人在大型圆柱类产品的打磨加工运用，充分运用了机器人和浮动打磨机构的自身功能，在不增加其他观测检测系统、模块的情况下，实现加工和检测一体化，实现了检测的自动化和电子化，使得工件轮廓段会以连续曲线的形式，显示在显示屏里，我以将里面的主要测量参数调用出来，用以给操作人员确认目前产品的相关尺寸。本发明充分利用现有系统单元本身的功能，结合算法，实现了产品外形尺寸的快速测量。相比现有的技术，不需要配置多余的复杂测量组件，节省项目成本，现场空间更简洁化，同时也适应现场的加工粉尘环境，符合现代智能化生产的要求。
附图说明
图1为本发明的一种机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备的结构示意图；
图2为本发明的一种机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备的转台的结构示意图；
图3为实施例中一种待加工工件的结构示意图。
具体实施方式
为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：
请参阅图1，本发明的一种机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备，包括底座4、转台3、机械臂2和浮动打磨工具1。
机械臂2设置于底座4的一侧，转台3设置于底座4的另一侧。机械臂2为六轴机械臂，其第六轴上集成有浮动机构和测量头，在机械臂末端设有朝向转台的探针，该探针可伸缩的与机械臂连接。转台4上十字交叉且相互垂直的设有4个滑道，在每个滑道上均设有一个夹具，在夹具紧贴工件一侧内部设有位置传感器。
现场单元全部配置好后，需要校准机器人坐标系与转台坐标系之间的位置度和浮动打磨工具上位置传感器的精度。机器人第六轴上集成了浮动机构和测量头，通过设置TCP可以获得测量头的空间坐标，然后用这个测量头来获取产品或夹具上所需测量点的坐标参数。
请参阅图2和图3，以图3工件为例，应用上述机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备的检测方法，包括如下步骤：
步骤1，将待加工工件放置于转台上，通过夹具进行夹持固定。
步骤2，通过测量头测量转台上4个夹具贴合工件所对应的四个产品坐标值，从而计算工件中心与转台中心的位置偏差值，然后调节夹具使得位置偏差值满足公差允许范围。请参阅图2，测量值为夹具夹持部的位置传感器所对应的四个测量点X1、X2、Y1、Y2，偏差值具体计算方式为：
X＝(X1-X2)/2Y＝(Y1-Y2)/2
对于圆柱型产品三维模型，相当于一个封闭的截面围绕中心线旋转一圈而成，见附图3，包括顶面A、锥面段B、圆弧段C、直壁段D和底面E。故而，需要测量这个截面各个区域的点坐标，然后再通过两点一线、多点拟合成圆的原则，拟合出对应的外形轮廓段。这些轮廓段会以连续曲线的形式，显示在显示屏里，从而可以将其中的主要测量参数调用出来，用以给操作人员确认目前产品的相关尺寸和打磨进给量。具体步骤如下：
步骤3，探针以法向接近并触碰工件的轮廓边沿，然后沿工件的轮廓边在工件轴向位移，得到均布于工件外轮廓先上的基于机器人坐标系下的若干个空间点的位置。
步骤4，将得到的若干个空间点的位置的机器人坐标系进行基于工件测量基准平面的位置转换，得到工件测量基准平面上的若干个空间点坐标为P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、……、Pn(xn,yn)。
步骤5，对于工件轮廓线为直线的位置区域，根据两点式方法建立该直线的方程以表示工件的外轮廓：
步骤6，对于工件轮廓线为圆弧的位置区域，选定圆弧轮廓上的若干个点，利用最小二乘法进行该工件圆形轮廓的拟合，具体方法如下，以选定6个点为例：
若该圆的圆心坐标为O(A,B)，半径为R，则
R2＝(x-A)2+(y-B)2 (1)
R2＝x2-2Ax+A2+y2-2By+B2 (2)
令a＝-2A,b＝-2B,c＝A2+B2-R2，则圆的曲线方程可写成
x2+y2+ax+by+c＝0 (3)
只需要求出参数a,b,c，即可得到圆心及半径：
若点坐标P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、……、P6(x6,y6)中第i点到圆心的距离记为di，
di 2＝(Xi-A)2+(Yi-B)2 (7)
则其与半径之间的误差为：
6个点的误差和为：
由于Q(a,b,c)的每一项都大于等于0，所以存在大于或等于0的极小值，
Q(a,b,c)分别对参数a,b,c求偏导，然后令偏导数为0，即可求出极值点，
令
可得
0＝Ca+Db+E (25)
0＝Da+Gb+H (26)
由式(4)、(5)、(6)即可求得圆心O(A,B)和半径R，至此得到工件轮廓线为圆弧的位置区域的外轮廓表达方程。
根据机器人的安装位置，测量点可位于工件某一侧，位于过工件中心轴的竖直截面上，这时候测量的实际工件轮廓可以在某一个象限作为轮廓描述。此时，圆以参数方程表达比较方便计算：
步骤7，通过步骤5和步骤6的各段直线方程和圆参数方程的多点拟合，即可获取实际工件在某一个象限的轮廓的连续曲线。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (3)
1.一种机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备，包括浮动打磨工具和操作浮动打磨工具的机械臂，其特征在于：还包括底座和用于放置待加工工件的转台；
所述机械臂设置于底座的一侧，所述转台设置于底座的另一侧，所述机械臂为六轴机械臂，其第六轴上集成有浮动机构和测量头，在机械臂末端设有朝向转台的探针，该探针可伸缩的与机械臂连接，所述转台上十字交叉且相互垂直的设有4个滑道，在每个滑道上均设有一个夹具，在夹具紧贴工件一侧内部设有位置传感器。
2.应用上述机器人对圆柱类工件加工余量状态检测设备的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将待加工工件放置于转台上，通过夹具进行夹持固定；
步骤2，通过测量头测量转台上4个夹具贴合工件所对应的四个产品坐标值，从而计算工件中心与转台中心的位置偏差值，然后调节夹具使得位置偏差值满足公差允许范围；
步骤3，探针以法向接近并触碰工件的轮廓边沿，然后沿工件的轮廓边在工件轴向位移，得到均布于工件外轮廓先上的基于机器人坐标系下的若干个空间点的位置；
步骤4，将得到的若干个空间点的位置的机器人坐标系进行基于工件测量基准平面的位置转换，得到工件测量基准平面上的若干个空间点坐标为P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、……、Pn(xn,yn)；
步骤5，对于工件轮廓线为直线的位置区域，根据两点式方法建立该直线的方程以表示工件的外轮廓：
步骤6，对于工件轮廓线为圆弧的位置区域，选定圆弧轮廓上的若干个点，利用最小二乘法进行该工件圆形轮廓的拟合，具体方法如下，以选定6个点为例：
若该圆的圆心坐标为O(A,B)，半径为R，则
R2＝(x-A)2+(y-B)2 (1)
R2＝x2-2Ax+A2+y2-2By+B2 (2)
令a＝-2A,b＝-2B,c＝A2+B2-R2，则圆的曲线方程可写成
x2+y2+ax+by+c＝0 (3)
只需要求出参数a,b,c，即可得到圆心及半径：
若点坐标P1(x1,y1)、P2(x2,y2)、……、P6(x6,y6)中第i点到圆心的距离记为di，
di 2＝(Xi-A)2+(Yi-B)2 (7)
则其与半径之间的误差为：
δi＝di 2-R2＝Xi 2+Yi 2+aXi+bYi+c (8)
6个点的误差和为：
由于Q(a,b,c)的每一项都大于等于0，所以存在大于或等于0的极小值，
Q(a,b,c)分别对参数a,b,c求偏导，然后令偏导数为0，即可求出极值点，
令
可得
0＝Ca+Db+E (25)
0＝Da+Gb+H (26)
由式(4)、(5)、(6)即可求得圆心O(A,B)和半径R，至此得到工件轮廓线为圆弧的位置区域的外轮廓表达方程；
步骤7，通过步骤5和步骤6的各段直线方程和圆参数方程的多点拟合，即可获取实际工件在某一个象限的轮廓的连续曲线。
3.根据权利要求2所述的一种检测方法，其特征在于，步骤2中，通过设置工具中心点建立测量头空间坐标系，获得测量头中心校坐标，然后用该测量头来获取产品或夹具上所需测量点的坐标参数。
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