CN112720470B - 用于增材加工的机械臂tcp手动快速标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及增材加工技术领域，具体而言涉及用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置及方法，包括：L型支架，包括相互垂直的第一板体和第二板体；两个相机，被分别固定到第一板体和第二板体上，且其轴线处于同一平面内；两个监视器，分别与两个相机信号连接，用于显示所述相机获取的画面；底座，被安装在机械臂的末端轴上，具有一个容纳槽；使用该标定装置实时观测钢针尖端在三维空间中的位置，并手动操作机械臂，使得该钢针尖端从多个角度到达同一三维坐标点，实现TCP的标定；通过磁性底座可以快速拆装标定用钢针，钢针长度可以调节，可以用一根钢针为多个工具做标定，标定过程不会发生碰撞，提高检测效率和精度。

Description

用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置及方法

技术领域

本发明涉及增材加工技术领域，具体而言涉及用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置及方法。

背景技术

电弧增材制造打印，多以机械臂为移动载体，携带焊枪移动进行3D打印，由于增材加工过程中，金属粉末融化具有流动性，需要控制极高的精度以达到加工目的，为了保持精度，经常需要进行TCP标定。

TCP为“Tool Central Point”的简称，中文名为工具坐标点，机械臂初始状态的TCP是末端轴法兰中心点，当我们用手动或者编程的方式让机械臂去接近坐标系的某一点时，其实就是让TCP去靠近这一点。

实际工作时都会在机械臂的末端法兰上固定一个工具，比如激光头等等，此时就需要知道这些工具的作用点与机械臂末端轴法兰中心点之间的相对位置关系，以便控制该作用点的运行轨迹，这一找寻相对位置关系的过程就叫做TCP标定。

传统的标定过程是通过在末端法兰上固定一个钢针，并以不同姿态与空间中固定位置的另一根钢针对齐四次，从而实现标定，这样既容易发生碰撞，又难于观测是否对齐，最终都会导致测量精度降低，使得测量结果误差很大而作废，效率很低。

现有技术还提出一种基于小尺寸定位球的视觉标定的方式，为了达到目标精度，其方案中的小球设置的很小，而操作人员根据安全需要，距离机械手一定的距离，很难在空间上观察到小球是否进入到摄像头的区域内，因此操作仍然耗时。

现有技术文献：

专利文献1：CN111360797A一种基于视觉的机械臂TCP标定方法

专利文献2：CN105945948B一种应用于工业机械臂的TCP在线快速标定方法及装置

发明内容

本发明目的在于提供用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，可以通过实时观测钢针尖端在空间中的位置并加以手动控制，避免碰撞带来的误差，提高精度和检测效率。

为实现上述目的的第一方面提供用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，包括：

L型支架，包括相互垂直的第一板体和第二板体；

两个相机，被分别固定到第一板体和第二板体上，且其轴线处于同一平面内；

两个监视器，分别与两个相机信号连接，用于显示所述相机获取的画面；

底座，被安装在机械臂的末端轴上，具有一个容纳槽；

钢针，被安装在所述容纳槽中；

其中，所述底座上还设有用于固定钢针的螺母，使钢针能在容纳槽中被定位；

所述底座上还设有放电模块，所述放电模块输出端连接有延伸至钢针一侧的放电针，用于在放电针端产生高电压，使放电针和钢针之间产生电火花。

优选的，所述容纳槽与所述钢针过渡配合，所述螺母由容纳槽侧壁压紧钢针。

优选的，所述底座被构造成圆台状，具有容纳钢针的凸起端和连接机械臂的平面端。

优选的，所述底座的平面端为磁性材料。

优选的，所述底座的平面端还设有与机械臂法兰上法兰孔配合的凸起部。

优选的，所述监视器的画面上具有十字准星，两个监视器的十字准星交点处为两个相机轴线的交点。

优选的，两个所述相机型号相同。

优选的，所述放电针为铜针，铜针的尖端镀银。

本发明提供另一种方案，一种基于平面相机的机械臂TCP手动快速标定方法，使用上述的用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，包括以下步骤：

标定工具基准点：调节钢针，使其长度与待使用工具作用点一致；

获取监视环境：将底座安装在机械臂的末端轴上，将安装有相机的L型支架放置在与机械臂一侧，操作机械臂使钢针位于两个监视器的画面内；

手动校准：手动操作机械臂使钢针针尖四次分别以不同姿态和方向移动至监视器中心，完成标定。

优选的，在操作机械臂使钢针位于两个监视器的画面过程中，打开放电模块，通过观察电火花的位置，手动操作机械臂使钢针靠近两个相机的相交区域，直至针尖进入到两个监视器的画面内。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中针尖校准过程中第一步监视器的画面示意图；

图3是本发明实施例中针尖校准过程中第二步监视器的画面示意图；

图4是本发明实施例中针尖校准过程中第三步监视器的画面示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

根据本发明公开的实施例的标定装置及标定过程，在校准开始时首先由操作人员控制机械手，将标定物移动至摄像头区域内，为了提高校准速度，开始时机械手的移动速度设定的单位位移量大,精度低，由于现有技术采用的定位球作为标定物，若小球的体积较大，则达不到相应的精度，而小球很小的话，在操作人员控制机器人移动到相机画面区域时，又无法准确的观察到小球的位置，并且很容易出现小球从画面中一闪而过，不容易观察到。而根据生产需求，既需要能快速标定，又要在更换激光头或送粉头后保持高的精度，介于此，本发明以观测钢针尖端与放电针放电产生的电弧在空间中的位置进行手动控制，在慢慢靠近摄像区域内之后，再提高机械手移动精度，进行校准对正，以加快校准过程。

结合图1所示，本实施例中提供用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，主要包括L型支架1、两个相机2、两个监视器3、钢针4以及底座6。

本实施例中，L型支架1包括相互垂直的第一板体和第二板体，提供用于安装相机2的基准面。

可选的，第一板体和第二板体使用木板、金属板或复合板材。

具体的，第一板体和第二板体上有用于固定相机2的螺孔。

如此，将两个相机2分别固定到第一板体和第二板体上，且其轴线处于同一平面内，以便于从监视器3标定到空间中的某个点为校准点。

进一步的，两个相机2为平面相机，且型号相同。

本实施例中，两个监视器3分别与两个相机2信号连接，相机2和监视器3上均设有BNC接口，通过信号线传输监控画面，用于显示相机2获取的画面。监视器3的画面上具有十字准星，两个监视器3的十字准星交点处为两个相机2轴线的交点。

进一步的，为了便于观察针尖的空间位置，底座6上还设有放电模块，放电模块输出端连接有延伸至钢针4一侧的放电针7，用于在放电针7端产生高电压，使放电针7和钢针4之间产生电火花。

本实施例中，校准开始时，首先操作人员以相对低的精度控制机械手(例如以较快的述底移动机械手)，放电模块包括高压电源以及导线，导线的一端连接在放电针7上，放电针7和钢针4之间产生电火花，操作人员能根据电火花的位置大致判断针尖处位置，然后慢慢靠近摄像头的画面区域，直到显示屏上出现电火花后，调高机械手的精度，在调整位置直至钢针4针尖出现在两个监视器3中。

如此，当针尖两个监视器3的画面中时，以高精度、慢动作操作机械臂，使钢针4针尖逐渐靠近两个监视器3的画面十字准星的中心时，则判定针尖靠近两个相机2轴线的交点处，即校准点处，以不需要碰触的方式，实现了高精准度的校准。同时，通过监视器3的画面实时显示反馈到操作人员，有利于操作人员不断的修正校准，效率高且操作简单，容易操作。

进一步的，结合图1所示，底座6被安装在机械臂的末端轴上，底座6被构造成圆台状，具有容纳钢针的凸起端和连接机械臂的平面端，底座6的凸起端具有一个容纳槽。钢针4被安装在容纳槽中。

具体的，钢针4具有较小的尺寸，例如直径为3-5mm，可以实现高的标定精度，底座6上还设有用于固定钢针的螺母5，使钢针4能在容纳槽中被定位。

可选的实施例中，容纳槽与钢针4过渡配合，螺母5由容纳槽侧壁压紧钢针。

如此，根据待使用工具的长度(作用点距离机械臂端部的轴线长度)，调整好钢针4的针尖与底座6之间的间距，然后转动螺母5压紧钢针4，容纳槽与钢针4过渡配合可以保持钢针4在容纳槽中不会发生径向晃动，保持高的精度。

优选的，钢针4靠近针尖的部分被涂成黑色，L型支架1被放置在背景纯净的箱体内，机械臂从箱体开口的一侧伸入，开口位于相机2对侧的相邻面，操作人员也位于箱体开口的斜方一侧。

进一步的，放电针7针尖镀银，是白色的，与钢针4的针尖呈明显区别，放电针7被放置在与钢针4呈一定角度，防止在监视器画面中出现重合。

进一步的，为了方便将底座6安装在机械臂端部的法兰盘上，底座6的平面端为磁性材料，以磁吸的方式吸附在法兰盘上钢针本身质量轻，可以保持稳定。

优选的，底座6的平面端还设有与机械臂法兰上法兰孔配合的凸起部，进一步的提高精准性。

结合图1-4所示的标定装置的实施方式，本发明公开的实施例还提出基于平面相机的机械臂TCP手动快速标定方法，包括以下步骤：

松开固定用螺母5，前后调节钢针4，使得长度与待使用工具作用点一致后，再拧紧螺母5固定钢针，将磁性底座6直接吸附在机械臂末端轴上；

将安装有相机2的L型支架1装置放置在机械臂前方，打开监视器3，校准开始时，首先操作人员以相对低的精度控制机械手(机械手移动速度快)，放电针7和钢针4之间产生电火花，操作人员能根据电火花的位置大致判断针尖处在哪，然后慢慢靠近摄像头的画面区域，直到监视器3上出现电火花后，调高机械手的精度，在调整位置直至钢针4针尖出现在两个监视器3中，然后关闭电压。

可以看到当前画面如图2所示，操作机械臂，移动钢针4，使得钢针4顶部先于底部相机十字中心对齐，如图3所示，继续操作机械臂，移动钢针4，使得钢针4尖端与侧面相机十字中心对齐，如图4所示，从而完成第一次测量。

操作机械臂更改钢针姿态(如角度或方向等，即由A姿态变为B姿态)，重复图2至图4的校准过程，从而完成第二次测量，并再重复过程两次，完成第三和第四次测量，并最终实现标定。

结合以上实施例，使用该标定装置，通过电火花实时观测钢针尖端在三维空间中的位置，并手动操作机械臂，使得该钢针尖端进入显示器画面，并从多个角度到达同一三维坐标点(监视器十字交叉点)，实现TCP的标定；通过磁性底座6可以快速拆装标定用钢针4，钢针4长度可以调节，可以用一根钢针4为多个工具做标定，标定过程不会发生碰撞，提高检测效率和精度，标定精度和效率不再依赖于操作人员经验。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，其特征在于，包括：

L型支架，包括相互垂直的第一板体和第二板体；

两个相机，被分别固定到第一板体和第二板体上，且其轴线处于同一平面内；

两个监视器，一一对应地与相机信号连接，用于显示对应相机获取的画面；

底座，被安装在机械臂的末端轴上，所述底座具有一个容纳槽；

钢针，被安装在所述底座的容纳槽中；

其中，所述底座上还设有用于固定钢针的螺母，使钢针能在容纳槽中被定位；

所述底座上还设有放电模块，所述放电模块输出端连接有延伸至钢针一侧的放电针，用于在放电针端产生高电压，使放电针和钢针之间产生电火花。

2.根据权利要求1所述的用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，其特征在于，所述容纳槽与所述钢针过渡配合，所述螺母由容纳槽侧壁压紧钢针。

3.根据权利要求1所述的用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，其特征在于，所述底座被构造成圆台状，具有容纳钢针的凸起端和连接机械臂的平面端。

4.根据权利要求3所述的用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，其特征在于，所述底座的平面端为磁性材料。

5.根据权利要求4所述的用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，其特征在于，所述底座的平面端还设有与机械臂法兰上法兰孔配合的凸起部。

6.根据权利要求1所述的用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，其特征在于，所述监视器的画面上具有十字准星，两个监视器的十字准星交点处为两个相机轴线的交点。

7.根据权利要求1所述的用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，其特征在于，两个所述相机型号相同。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，其特征在于，所述放电针为铜针，铜针的尖端镀银。

9.一种用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定方法，其特征在于，使用权利要求1-8任意一项所述的用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定装置，所述的标定方法包括以下步骤：

标定工具基准点：调节钢针，使其长度与待使用工具作用点一致；

获取监视环境：将底座安装在机械臂的末端轴上，将安装有相机的L型支架放置在与机械臂一侧，操作机械臂使钢针位于两个监视器的画面内；

手动校准：手动操作机械臂使钢针针尖四次分别以不同姿态和方向移动至监视器中心，完成标定。

10.根据权利要求9所述的用于增材加工的机械臂TCP手动快速标定方法，其特征在于，在操作机械臂使钢针位于两个监视器的画面过程中，打开放电模块，通过观察电火花的位置，手动操作机械臂使钢针靠近两个相机的相交区域，直至针尖进入到两个监视器的画面内。

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