CN104714473B - 一种管路柔性装焊的导管余量切割位置计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于视觉测量和机器人的管路柔性装焊方案，其特征在于：包括软件和硬件两大部分，硬件主要包括视觉测量设备，工业机器人，导管切割机以及导管夹具，软件部分主要包括余量计算模块，位姿计算模块和机器人运动仿真模拟模块。其中，方案包含的导管余量切割位置计算方法，包括如下步骤：(1)根据测量得到的导管余量端中心点坐标和机器人抓取导管测量时的位姿，计算导管余量端中心点在机器人TCP坐标系下的坐标；(2)结合机器人回归零位时的位姿，计算机器人回归零位时，导管余量端中心点坐标；(3)结合测量到的导管余量，以及从导管三维数模得到的余量端面与机器人夹持直线段的夹角，计算导管余量切割位置。本发明借助视觉测量技术和机器人技术进行管路柔性生产，可以有效降低成本，提升效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种管路柔性装焊的导管余量切割位置计算方法，是基于装焊***的测量数据及设备位置，计算导管余量切割位置的方法。属于计算机辅助设计制造领域。
背景技术
管路***在几乎所有机电产品中都有广泛的应用，其功能主要是输送介质的通道。特别是在航空航天领域，导管都是飞机或者各类航天器的重要组成部分，管路***能够正常运行是决定产品性能和质量的一个很重要的条件。
目前，航空航天类管路类型繁多、接口复杂而且多以单件或小批量的生产形式存在。传统的导管焊接需要设计专用的组合夹具，效率很低，且夹具通用性低，准备周期长。针对不同的焊接导管，需要设计大量不同的专用夹具，这大大增加了航空航天产品的研制时间和成本，同时也给生产管理带来极大不便。而且在生产过程中，由于受到操作者经验水平、工装、定位精度以及测量精度等因素的影响，需对导管焊接后存在较大的误差和变形，无法达到精度要求，可见传统的导管生产工艺已经无法满足现代产品的制造需求，所以很有必要研究建立面向管路生产的柔性装焊***。
导管生产中会预留一定的加工余量，在导管装配前需要将余量切除，所以需要根据***的测量数据计算导管余量的切割位置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于视觉测量和机器人的管路柔性装焊方案，以及此方案中基于测量数据的导管余量切割位置计算方法，用以解决现有的传统导管焊接技术中工作效率低、周期长、误差变形大等问题。
***总体方案：该管路柔性装焊***的构成如图1所示。***总体上包括软件和硬件两大部分，其中硬件主要包括视觉测量设备，工业机器人，导管切割机以及导管夹具，软件部分主要包括余量计算模块，位姿计算模块和机器人运动仿真模拟模块。
本发明提出的管路柔性装焊方案，包含如下工作流程：
步骤一：机器人分别抓取管路到视觉测量设备处进行检测，得到管路的三维特征数据传输给软件模块，数据包括导管所有端点及弯曲点的坐标以及导管在轴向和径向的偏差，轴向偏差即导管余量，后续计算所需数据均从该测量文件中提取。
步骤二：软件模块对测量数据进行读取和计算，得到管路余量的切割位置以及机器人的末端执行器位姿(TCP位姿)，并且生成机器人控制文件传输给机器人运动仿真模块进行模拟，模拟成功后输出控制文件给机器人。
步骤三：机器人在包含TCP位姿信息的控制文件驱动下抓取管路进行运动，实现管路余量的切割和两段管路的对接。
本发明提出的管路柔性装焊方案中包含的导管余量切割位置计算方法，包括下述步骤：
步骤一：根据测量得到的导管余量端中心点坐标Pm(xm,ym,zm)和机器人抓取导管测量时的位姿Tm TCP，计算导管余量端中心点在机器人TCP坐标系下的坐标Ptcp(xt,yt,zt)。
步骤二：结合机器人回归零位时的位姿Ts L，计算机器人回归零位时，导管余量端中心点坐标Ps(xs,ys,zs)。
步骤三：结合测量到的导管余量A(Allowance)，以及从导管三维数模得到的余量端面与机器人夹持直线段的夹角θ，计算导管余量切割位置。
本发明给出的一种管路柔性装焊方案及其导管余量切割位置计算方法，其优点及功效在于：与传统的管路装配焊接方法相比，本发明省去了繁多的样管和夹具，提升了通用性，降低了成本；与传统人工划线的导管余量切割方法相比，本发明通过计算得到导管余量的切割位置，并且控制机器人夹取导管进行切割，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明的柔性装焊***总体结构示意图。
图2为本发明中导管余量切割示意图。
图3为本发明中导管余量切割位置计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明：
如图1所示，本发明提出一种基于视觉测量和机器人的管路柔性装焊方案，具体步骤如下：
步骤一：机器人分别抓取管路到视觉测量设备处进行检测，得到管路的三维特征数据传输给软件模块，数据包括导管所有端点及弯曲点的坐标以及导管在轴向和径向的偏差，轴向偏差即导管余量，后续计算所需数据均从该测量文件中提取。
步骤二：软件模块对测量数据进行读取和计算，得到管路余量的切割位置以及机器人的末端执行器位姿(TCP位姿)，并且生成机器人控制文件传输给机器人运动仿真模块进行模拟，模拟成功后输出控制文件给机器人。
步骤三：机器人在包含TCP位姿信息的控制文件驱动下抓取管路进行运动，实现管路余量的切割和两段管路的对接。
其中，在步骤一中所述的“视觉测量设备”，满足测量速度快，精度高，能够便和与机器人连接等特点。
其中，在步骤二中所述的“软件模块”，包括机器人运动仿真软件，用于机器人运动的仿真模拟；导管余量计算模块，用于计算导管余量切割位置；位姿计算模块，主要计算机器人的末端执行器位姿，用于控制机器人运动。余量计算和位姿计算模块在三维CAD软件环境下通过二次开发实现。
如图2和图3所示，本发明提出的管路柔性装焊方案中包含的导管余量切割位置计算方法，具体实施方式如下：
步骤一：根据测量得到的导管余量端中心点坐标Pm(xm,ym,zm)和机器人抓取导管测量时的位姿Tm TCP，计算导管余量端中心点在机器人TCP坐标系下的坐标Ptcp(xt,yt,zt)。
步骤二：结合机器人回归零位时的位姿Ts TCP，计算机器人回归零位时，导管余量端中心点坐标Ps(xs,ys,zs)。
步骤三：结合测量到的导管余量A(Allowance)，以及从导管三维数模得到的余量端面与机器人夹持直线段的夹角θ，计算导管余量切割位置，具体方法如下：
根据导管三维信息可求得余量端面法向与导管夹持直线段的夹角θ：
其中Vl(vxl,vyl,vzl)为机器人所抓取导管直线段的方向向量，Vp(vxp,vyp,vzp)为导管余量端面的法向向量。
余量切割位置可用一个平面表示，该平面与管路轴线的交点坐标Pc(xc,yc,zc)可由下式求得：
则余量切割位置平面方程为：
0·(x-xc)+cosθ·(y-yc)+sinθ·(z-zc)＝0 (5)
导管与该平面相交的轮廓是一个圆，该圆满足下式：
(x-xc)2+(y-yc)2+(z-zc)2＝R2 (6)
实际生产中，可用轮廓圆上四个点P1、P2、P3、P4来表示，联立公式(5)～(6)，将x＝xc\xc+R\xc-R代入，可求得四点坐标。
下表所示为管路柔性装焊***的测量数据：
下表所示为计算得到的导管余量切割点坐标：
Claims (2)
1.一种基于管路柔性装焊的导管余量切割位置计算方法，其应用于基于视觉测量和机器人的航空航天类管路柔性装焊设备，所述设备包括软件和硬件两部分，其中硬件主要包括视觉测量设备、工业机器人、导管切割机以及导管夹具，软件部分主要包括余量计算模块、位姿计算模块和机器人运动仿真模拟模块；
其特征在于：所述方法包含如下步骤：
步骤一：根据测量得到的导管余量端中心点坐标Pm(xm,ym,zm)和机器人抓取导管测量时的位姿Tm TCP，计算导管余量端中心点在机器人TCP坐标系下的坐标Ptcp(xt,yt,zt)，
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步骤二：结合机器人回归零位时的位姿Ts TCP，计算机器人回归零位时，导管余量端中心点坐标Ps(xs,ys,zs)，
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步骤三：结合测量到的导管余量A，以及从导管三维数模得到的余量端面与机器人夹持直线段的夹角θ，计算导管余量切割位置，根据导管三维信息可求得余量端面法向与导管夹持直线段的夹角θ：
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其中(vxl,vyl,vzl)为机器人所抓取导管直线段的方向向量，(vxp,vyp,vzp)为导管余量端面的法向向量，
余量切割位置可用一个平面表示，该平面与管路轴线的交点坐标Pc(xc,yc,zc)可由下式求得：
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其中d为导管余量长度，则余量切割位置平面方程为：
0·(x-xc)+cosθ·(y-yc)+sinθ·(z-zc)＝0 (5)
导管与该平面相交的轮廓是一个圆，该圆满足下式：
(x-xc)2+(y-yc)2+(z-zc)2＝R2 (6)
实际生产中，可用轮廓圆上四个点P1、P2、P3、P4来表示，联立公式(5)～(6)，将x值分别取xc,xc+R,xc-R，可求得四点坐标，
进而可以得到四个余量切割点P1、P2、P3、P4。
2.根据权利要求1所述的一种基于管路柔性装焊的导管余量切割位置计算方法的管路柔性装焊方法，所述设备的执行包括如下步骤：
一：机器人分别抓取管路到视觉测量设备处进行检测，得到管路的三维特征数据传输给软件模块，数据包括导管所有端点及弯曲点的坐标以及导管在轴向和径向的偏差，轴向偏差即导管余量，后续计算所需数据均从该测量文件中提取；
二：软件模块对测量数据进行读取和计算，得到管路余量的切割位置以及机器人的末端执行器位姿TCP位姿，并且生成机器人控制文件传输给机器人运动仿真模块进行模拟，模拟成功后输出控制文件给机器人；
三：机器人在包含TCP位姿信息的控制文件驱动下抓取管路进行运动，实现管路余量的切割和两段管路的对接。
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