CN113932753A - 一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法，包括步骤1，将待打磨轮毂法兰盘工件设置并固定于工作态；步骤2，在工业机器人的机械臂上设置接触探针，并将机械臂的接触探针抵触在轮毂法兰盘的内侧壁；步骤3，定义接触探针第一接触位置为p1，然后在轮毂法兰盘的内侧壁上每间隔45°通过接触探针进行一次位置标定，并记录接触位置的位置坐标信息；步骤4，通过接触位置的位置坐标信息计算待打磨轮毂法兰盘的圆心O₀坐标；步骤5，重复步骤3和步骤4，进行多次标定，排除误差并确定待打磨轮毂法兰盘圆心位置，从而标定待打磨轮毂法兰盘轮廓。本发明可实现对于轮毂法兰盘轮廓的坐标系标定，并简化了标定流程，提升了生产效率。

Description

一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法

技术领域

本发明涉及一种用于工业机器人打磨领域的轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法。

背景技术

随着工业机器人的普及和人力成本的上升，使工业机器人在打磨行业的应用成为可能。与传统人工相比，机器人打磨方式具有工件表面一致性好、生产效率高、成本低的工艺优点。更重要的是，这种方式避免了手工打磨过程中金属粉尘和体力消耗对员工身心健康的损害，也降低了人工操作可能发生的安全事故几率。

机器人打磨编程可以采用人工示教和离线编程方式等2种方式。当用于复杂空间曲线和曲面加工时，人工示教方式下点位的精度及其间距控制的质量较差，且点位示教的效率低、随机性大，因而该方式的加工效果不理想。机器人离线编程方式能够在不影响机器人工作的情况下，自动进行编程，具有可达性分析、碰撞干涉检查、节拍计算等功能，程序更加安全合理。各大机器人厂商推出了离线编程软件，如FANUC公司的ROBOGUIDE***、ABB公司的RobotStudio***等。如专利“用于打磨机器人离线编程的***标定方法”(201810764773.5)提供了一种用于打磨机器人离线编程的***标定方法，但是要求获取实物扫描点云模型，并导入专业软件中处理重构，以得到标定数据。这个分选环节增加了3D扫描的工艺过程，增加了成本，降低了整体效率。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法，针对轮毂法兰盘的轮廓特点，运用离线编程和仿真功能，自动生成离线程序，并解决工件的实际安装偏差问题，满足打磨程序的复用需求。

实现上述目的的一种技术方案是：一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法，包括如下步骤：

步骤1，将待打磨轮毂法兰盘工件设置并固定于工作态；

步骤2，在工业机器人的机械臂上设置接触探针，并将机械臂的接触探针抵触在轮毂法兰盘的内侧壁；

步骤3，定义接触探针第一接触位置为p1，然后在轮毂法兰盘的内侧壁上每间隔45°通过接触探针进行一次位置标定，分别定义后续接触位置P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8，分别记录接触位置的位置坐标信息；

步骤4，通过接触位置的位置坐标信息计算待打磨轮毂法兰盘的圆心O₀坐标；

步骤5，重复步骤3和步骤4，进行多次标定，求得圆心坐标O₁、O₂、O₃…O_n，若其中任意两点距大于设定值，则放弃该次标定数据点集，然后通过标定数据点所处区域范围确定待打磨轮毂法兰盘圆心位置，从而标定待打磨轮毂法兰盘轮廓。

进一步的，步骤3中，所述P1的位置坐标为(x₁,y₁,z₁),所述P2的位置坐标为(x₂，y₂，z₂)，所述P1的位置坐标为(x₃,y₃,z₃)，以此类推。

再进一步的，圆心O₀的位置采用(X、Y、Z、W、P、R)定义，其中,X、Y、Z用于表示圆心O₀在工业机器人的基坐标中位置；W、P、R用于表示工件坐标系的姿态，其中，W值表示工件坐标系绕基坐标X轴旋转的角度，P表示工件坐标系绕基坐标Y轴的旋转角度，R值表示工件坐标系绕基坐标Z轴的旋转角度；

圆心0₀的坐标为：

其中，

A₁＝y₁z₂-y₁z₃-z₁y₂+z₁y₃+y₂z₃-y₃z₂

B₁＝-x₁z₂+x₁z₃+z₁x₂-z₁x₃-x₂z₃+x₃z₂

C₁＝x₁y₂-x₁y₃-y₁x₂+y₁x₃+x₂y₃-x₃y₂

D₁＝-x₁y₂z₃+x₁y₃z₂+x₂y₁z₃-x₃y₁z₂-x₂y₃z₁+x₃y₂z₁

A₂＝2(x₂-x₁)

B₂＝2(y₂-y₁)

C₂＝2(z₂-z₁)

D₂＝x₁ ²+y₁ ²+z₁ ²-x₂ ²-y₂ ²-z₂ ²

A₃＝2(x₃-x₁)

B₃＝2(y₃-y₁)

C₃＝2(z₃-z₁)

D₃＝x₁ ²+y₁ ²+z₁ ²-x₃ ²-y₃ ²-z₃ ²

旋转角度为：

R＝atan2(u_y,y_x)

P＝atan2(-u_zcosR,u_x)

W＝atan2(v_z,w_z)

其中，

本发明提供的一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法，无需经过3D扫描的工艺过程，即可实现对于轮毂法兰盘轮廓的坐标系标定，扩展了打磨机器人离线编程的应用，使复杂轨迹的编程效率得到了显著提高，且满足打磨程序的复用需求，使机器人打磨的打磨质量稳定，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法的待打磨轮毂法兰盘工件结构示意图；

图2为本发明的一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法的待打磨轮毂法兰盘所在平面结构示意图。

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：

本发明在ROBOGUIDE环境下，针对轮毂法兰盘的轮廓特点，运用离线编程和仿真功能，自动生成离线程序，并解决工件的实际安装偏差问题，满足打磨程序的复用需求。

本实施例的打磨对象是球形轮毂，是风电设备的关键部件，由于其体积和重量大，铸造后的打磨清理难度和风险较高。目前，轮毂的打磨清理方式主要还是采用人工手持刀具或磨轮进行打磨，加工效率低、人工操作差异化大。该风电轮毂高3000mm，质量约为20t，周向匀布3个风叶对接法兰盘，盘外径约为2300mm。由于在毛胚件的铸造工艺过程中会产生飞边、毛刺、分型线等情况，要求对铸件的线边，如叶片对接法兰盘边沿，采用打磨工艺进行初加工清理。采用本发明可用自动化方式取代人工锤击和砂轮打磨。

该打磨***由机器人、末端快换接口、打磨头和探针头、工件旋转工作台等组成。其中，机器人采用FANUC公司的R-2000iC/210L，该机器人最大作用范围可达3100mm，重复精度0.05mm，广泛应用于打磨、焊接、搬运、去毛刺等工作场景。机器人末端安装快换接头，可根据工艺需要，自动进行打磨头和接触探针的更换，其中接触探针用于轮毂工件的位置标定。工件旋转工作台采用蜗轮蜗杆传动形式，可实现台面的旋转定位和加工时的可靠自锁。为利于离线程序的移植复用，工件坐标系原点一般设置在圆心o，但是由于法兰盘中空且尺寸大，o点无法直接而准确的定位。

请参阅图1和图2，设法兰盘所在平面为平面Ⅰ，工业机器人的基坐标系为B，圆心o点为待打磨法兰盘工件1坐标系的原点，因而o点在平面Ⅰ上，w为待打磨法兰盘工件1坐标系的第三坐标轴，其他的u、v坐标轴可任意定义。该法兰盘上无需设置接触探针定位销点，这是由于圆形的位置理论上在于圆心o点坐标及其平面Ⅰ的单位法向量w，而与u、v向量无关。

在现场机器人上复用离线编程程序前，由于工件装夹的误差，需要对工件位置进行检测和标定。本发明的一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法，包括如下步骤：

步骤1，将待打磨轮毂法兰盘工件设置并固定于工作态。

步骤2，在工业机器人的机械臂上设置接触探针，为了提高检测精度，采用高精度高硬度的接触探针。将机械臂的接触探针抵触在轮毂法兰盘的内侧壁。

步骤3，定义接触探针第一接触位置为p1，然后在轮毂法兰盘的内侧壁上每间隔45°通过接触探针进行一次位置标定，分别定义后续接触位置P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8，分别记录接触位置的位置坐标信息。图2中P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8即为探针顺序标定点，设P1点在待打磨法兰盘工件1坐标系的u轴上。P1的位置坐标为(x₁,y₁,z₁),P2的位置坐标为(x₂，y₂，z₂)，P1的位置坐标为(x₃,y₃,z₃)，以此类推。

步骤4，通过接触位置的位置坐标信息计算待打磨轮毂法兰盘的圆心O₀坐标。FANUC机器人的工件坐标系标定由6个数值定义，即X、Y、Z、W、P、R。其中,X、Y、Z用于表示原点在机器人的基坐标B中位置；W、P、R用于表示工件坐标系的姿态，其中，W值表示工件坐标系绕X轴旋转的角度，P表示工件坐标系绕Y轴的旋转角度，R值表示工件坐标系绕Z轴的旋转角度。

圆心0₀的坐标为：

其中，

A₁＝y₁z₂-y₁z₃-z₁y₂+z₁y₃+y₂z₃-y₃z₂

B₁＝-x₁z₂+x₁z₃+z₁x₂-z₁x₃-x₂z₃+x₃z₂

C₁＝x₁y₂-x₁y₃-y₁x₂+y₁x₃+x₂y₃-x₃y₂

D₁＝-x₁y₂z₃+x₁y₃z₂+x₂y₁z₃-x₃y₁z₂-x₂y₃z₁+x₃y₂z₁

A₂＝2(x₂-x₁)

B₂＝2(y₂-y₁)

C₂＝2(z₂-z₁)

D₂＝x₁ ²+y₁ ²+z₁ ²-x₂ ²-y₂ ²-z₂ ²

A₃＝2(x₃-x₁)

B₃＝2(y₃-y₁)

C₃＝2(z₃-z₁)

D₃＝x₁ ²+y₁ ²+z₁ ²-x₃ ²-y₃ ²-z₃ ²

旋转角度为：

R＝atan2(u_y,y_x)

P＝atan2(-u_zcosR,u_x)

W＝atan2(v_z,w_z)

其中，

综上,(X,Y,Z,W,P,R)就是这3点下用户坐标系标定时候的直接输入值。其中(x₀,y₀,z₀)为工件坐标系的原点。

步骤5，重复步骤3和步骤4，进行多次标定以避免标定操作时的过大人为误差。求得圆心坐标O₁、O₂、O₃…O_n，若其中任意两点距大于设定值，则放弃该次标定数据点集，然后通过标定数据点所处区域范围确定待打磨轮毂法兰盘圆心位置，从而标定待打磨轮毂法兰盘轮廓。该标定算法可以通过Karel语言形式，嵌入机器人控制器，以程序执行方式调用实现。

实施例1：在ROBOGUIDE中，以本方法对工件的待加工外边沿区域进行多次定位，并运用工件坐标系标定算法，获取标定输入值。工件的目标特征利用CAD-TO-PATH功能中Closed Loop方式自动识别，提取出外边沿轮廓曲线，自动生成法兰面边沿的离线打磨程序。

在该离线自动编程功能中，用户坐标系原点设置在法兰盘中心，z轴垂直于法兰盘平面指向外侧，加工刀具半径设置为20mm，刀具朝向轨迹中心偏转10°。编程的进刀点和出刀点设为P1点,安全距离设置为100mm，机器人进行去毛刺加工作业时，首先将刀具快速移动到安全点，然后以直线方式移动到进刀点，随后沿着加工路径点打磨加工，完成路径的加工之后，即移动到路径终点之后，直线方式抬起刀具至安全点。

实施例2：当工件发生了一定的偏移，包括位置和姿态，同样运用工件坐标系标定算法，获取标定输入值，更新同一个工件坐标系。再次运行程序FPRG1，重新计算打磨头的轨迹路径。

在两个实施例汇总，轮毂法兰盘边沿的加工轨迹位置均准确，说明上述的用户坐标系标定方法准确；对比实施例1和实施例2，二者的刀具姿态和加工轨迹一致，说明自动生成的离线程序可以在现场机器人中复用；因此，采用ROBOGUIDE自动生成的离线程序，可以用于车间现场轮毂法兰盘的加工操作，而无需在工件上预先设置精确的定位点，也为加工工艺任务的分工提供了条件。

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)

1.一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将待打磨轮毂法兰盘工件设置并固定于工作态；

步骤2，在工业机器人的机械臂上设置接触探针，并将机械臂的接触探针抵触在轮毂法兰盘的内侧壁；

步骤3，定义接触探针第一接触位置为p1，然后在轮毂法兰盘的内侧壁上每间隔45°通过接触探针进行一次位置标定，分别定义后续接触位置P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8，分别记录接触位置的位置坐标信息；

步骤4，通过接触位置的位置坐标信息计算待打磨轮毂法兰盘的圆心O₀坐标；

步骤5，重复步骤3和步骤4，进行多次标定，求得圆心坐标O₁、O₂、O₃…O_n，若其中任意两点距大于设定值，则放弃该次标定数据点集，然后通过标定数据点所处区域范围确定待打磨轮毂法兰盘圆心位置，从而标定待打磨轮毂法兰盘轮廓。

2.根据权利要求1所述的一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法，其特征在于，步骤3中，所述P1的位置坐标为(x₁,y₁,z₁),所述P2的位置坐标为(x₂，y₂，z₂)，所述P1的位置坐标为(x₃,y₃,z₃)，以此类推。

3.根据权利要求2所述的一种轮毂法兰盘打磨的轮廓标定方法，其特征在于，圆心O₀的位置采用(X、Y、Z、W、P、R)定义，其中,X、Y、Z用于表示圆心O₀在工业机器人的基坐标中位置；W、P、R用于表示工件坐标系的姿态，其中，W值表示工件坐标系绕基坐标X轴旋转的角度，P表示工件坐标系绕基坐标Y轴的旋转角度，R值表示工件坐标系绕基坐标Z轴的旋转角度；

圆心0₀的坐标为：

其中，

A₁＝y₁z₂-y₁z₃-z₁y₂+z₁y₃+y₂z₃-y₃z₂

B₁＝-x₁z₂+x₁z₃+z₁x₂-z₁x₃-x₂z₃+x₃z₂

C₁＝x₁y₂-x₁y₃-y₁x₂+y₁x₃+x₂y₃-x₃y₂

D₁＝-x₁y₂z₃+x₁y₃z₂+x₂y₁z₃-x₃y₁z₂-x₂y₃z₁+x₃y₂z₁

A₂＝2(x₂-x₁)

B₂＝2(y₂-y₁)

C₂＝2(z₂-z₁)

D₂＝x₁ ²+y₁ ²+z₁ ²-x₂ ²-y₂ ²-z₂ ²

A₃＝2(x₃-x₁)

B₃＝2(y₃-y₁)

C₃＝2(z₃-z₁)

D₃＝x₁ ²+y₁ ²+z₁ ²-x₃ ²-y₃ ²-z₃ ²

旋转角度为：

R＝atan2(u_y,y_x)

P＝atan2(-u_zcosR,u_x)

W＝atan2(v_z,w_z)

其中，

v＝w×u。

Images