CN114367996A - 一种刀具损伤原位检测与换刀机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刀具损伤原位检测与换刀机器人，包括移动操作机器人、视觉检测模块、智能换刀模块和备用刀库。移动操作机器人包括移动机器人和协作机械臂，用于带动视觉检测模块和智能换刀模块分别到达检测工位和换刀工位；视觉检测模块和智能换刀模块通过快换装置安装在协作机械臂末端执行器上，分别用于刀具的原位检测和损伤刀具的及时更换；备用刀库设置在移动机器人上，用于临时储存备用新刀具和换下的损伤刀具。本发明将刀具视觉原位检测与换刀有机结合，对检测不合格的损伤刀具进行及时更换，有助于大幅提升机床和产线的智能化水平、柔性化水平、加工质量和加工效率。

Description

一种刀具损伤原位检测与换刀机器人
技术领域
本发明属于智能制造技术领域，特别是一种刀具损伤原位检测与换刀机器人。
背景技术
在智能制造技术领域，刀具损伤对产品的加工精度、加工质量以及加工效率有着显著影响，若刀具损伤未被及时发现，将会导致零件报废，机床停机、机床损坏，甚至工件折断伤人，直接影响加工效益和经济效益。因此对刀具进行有效的检测十分必要。现有技术多使用离线定量检测或针对单台机床使用传感器及工业相机在机检测，检测效率较低，成本高昂，实时性差，泛用性不强。因此，针对智能制造领域，使多台机床共用一台检测换刀机器人，实现刀具损伤的在位检测和损伤刀具的及时更换，是一项迫切需要解决的问题。
中国专利公开号CN110340733A公开了一种清洁切削环境下刀具损伤在线与在位检测***及方法，兼顾了效率与精度，但该检测方法需要在每一台机床内部安装具有视觉***保护功能与刀具清洁功能的刀具损伤监测装置，该发明占用机床内部空间，需考虑是否会与机床发生干涉，仅适用于内部空间较大的单台机床，不可服务车间内的多台机床，使得产线总体改造成本较高；中国专利公开号CN108107838A公开了一种基于云知识库和机器学***、可以应用于各种复杂机加场景的、将刀具损伤检测和换刀相结合的***。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刀具损伤原位检测与换刀机器人，以实现智能制造产线中，刀具损伤原位巡检和智能换刀。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种刀具损伤原位检测与换刀机器人，其特征在于，包括移动操作机器人、备用刀库(3)、视觉检测模块(12)和智能换刀模块(13)。
所述移动操作机器人用于快速准确到达检测工位，实施精确空间定位，协助实施检测和换刀功能；所述备用刀库(3)通过支架(5)和螺钉固定在移动机器人(4)顶部，用于储存备用新刀具和换下的损伤刀具；所述视觉检测模块设置在协作机械臂(2)的末端执行器(1)上，用于检测并提取刀具损伤特征；所述智能换刀模块用于损伤刀具的快速智能更换；
所述的移动操作机器人包括移动机器人(4)和协作机械臂(2)；所述移动机器人(4)用于在产线中移动；所述协作机械臂(2)用于准确驱动末端执行器(1)到达检测/换刀工位；
所述的移动机器人(4)是指使用轮式移动机器人、足式移动机器人或轮足复合式移动机器人中的任意一种；所述轮式移动机器人通过车轮进行移动；所述足式移动机器人通过机械足进行移动；所述轮足复合式机器人可以通过腿部位姿调整轮式运动和足式运动方式，进而进行移动；
所述协作机械臂(2)末端执行器(1)包括两种方案：方案一使用末端快换装置，方案二使用专用末端机构；
所述的机械臂末端执行器(1)方案一指，所述移动机器人上还设置有快换支架，视觉检测模块(12)和智能换刀模块(13)放置在支架上，且分别固定有电动快换装置B端；协作机械臂可以通过末端的电动快换A端分别抓取视觉检测模块和智能换刀模块进行刀具损伤视觉检测和损伤刀具更换；
所述的机械臂末端执行器(1)方案二指，使用专用末端机构；所述专用末端机构包括N工作位置；所述各工作位置绕一公共圆心均匀分布；
所述的N个工作位置，其中N≥2，即包含第一工作位置、第二工作位置、第N工作位置等；所述第一工作位置上固定有视觉检测模块(12)，用于实现刀具损伤视觉检测；所述其他工作位置共同构成智能换刀模块(13)分别用于夹取替换刀具和夹取损伤刀具；
所述备用刀库(3)，包括刀库(7)和支架(5)；所述刀库(7)通过支架(5)安装在移动机器人(4)上；所述支架(5)通过螺钉与移动机器人(4)连接，位于移动机器人(4)顶部末端；所述刀库(7)包括多个刀具存储仓(6)；所述刀具存储仓(6)中存放带刀柄的刀具(8)；所述刀库(7)可绕刀库中心旋转；
基于上述的刀具损伤原位检测与换刀机器人的检测方法，步骤如下：
步骤1、备用刀库中装载多把替换刀具，移动操作机器人启动，并前往机床工位；
步骤2、刀具损伤检测：
步骤3、对达到更换标准的刀具进行换刀；
步骤4、移动操作机器人等待或执行下一项任务指令；
所述机床工位指产线中移动机器人的指定移动位置；
所述步骤2包括：
步骤2.1、协作机械臂快速粗定位；
步骤2.2、末端执行器带动视觉模块精确定位至检测工位；
步骤2.3、视觉模块工作，采集刀具高清图像；
步骤2.4、对获取的图像进行处理，提取损伤量，并根据损伤量判断刀具损伤形式、程度以及是否达到更换标准；
所述步骤3包括：
步骤3.1、通过损伤刀具刀柄标号迅速识别损伤刀具种类；
步骤3.2、依据识别的刀具种类，备用刀库调用对应种类刀具所在储存仓，机械臂带动末端执行器至空间指定位置，末端执行器夹取刀具，并将刀具从备用刀库中取出；
步骤3.3、机械臂带动末端执行器快速定位至换刀位置，将换刀工作位置中的空槽对准损伤刀具；
步骤3.4、末端执行器利用换刀工作位置中的空槽夹紧损伤刀具，机械臂带动末端执行器运动，将损伤刀具从机床中取出；
步骤3.5、将替换刀具对准刀具安装位置，机械臂带动末端执行器运动，将替换刀具安装在机床上；
步骤3.6、备用刀库旋转，使空储存仓处于上方位置，机械臂带动末端执行器运动至空间指定位置后，将损伤刀具归还备用刀库；
所述检测工位指视觉检测模块的工作位置；所述换刀工位指智能换刀模块的工作位置。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明设计了一种检测-换刀结合的策略，既能够对刀具进行高精高效的在位损伤检测，又能够对损伤刀具进行及时的处置。避免了因刀具损伤造成的停机，极大地提升了工作效率。
(2)本发明设计了一种通过备用刀库换刀的方法，通过设计并在移动机器人上固定备用刀库，实现了替换刀具的储存和快速更换，提高了产线工作效率，减少了机器人往返产线刀库的频率，大幅提升产线智能化水平。
(3)本发明可根据不同应用场景，选用轮足复合机器人、轮式机器人或足式机器人，通过平缓路段轮式运动和复杂路段足式运动的方式相结合，克服了单一种类机器人难以应用于复杂产线、能源消耗大、产线应用效率低的问题，兼顾了泛用性和效率。
附图说明
图1为一种刀具损伤原位检测与换刀机器人
图2为备用刀库示意图
图3为专用末端执行器示意图
图4为刀具损伤检测示意图
附图标记如下：
1、末端执行器
2、协作机械臂
3、备用刀库
4、移动机器人
5、支架
6、刀具存储仓
7、备用刀库
8、刀具
9、替换刀具
10、环形光源
11、镜头
12、视觉检测模块
13、智能换刀模块
具体实施方案
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步介绍。
一种刀具损伤原位检测与换刀机器人，其特征在于，包括轮足复合机器人(4)、备用刀库(3)、检测换刀机械臂(2)和末端执行器(1)。
所述轮足复合机器人包括机器人本体、设置在机器人本体上的四足和设置在四足上的四轮，轮足复合机器人最大负载不低于100kg。
所述备用刀库，包括刀库(7)、支架(5)和电机；所述刀库(7)通过支架(5)安装在轮足复合机器人(4)上；所述刀库(7)包括四个刀具存储仓(6)；所述刀具存放位置互成90°分布在刀库上；所述刀库(7)可绕刀库中心旋转，每次旋转角度为90°；所述电机用于带动刀库旋转。
所述检测换刀机械臂(2)采用六自由度机械臂，用于实现刀具高清图像采集和损伤刀具更换；所述机械臂(2)自重不超过35kg，负载不低于8kg，工作半径不小于1m，工作高度不小于1m，精度不低于0.1mm。
所述检测换刀用末端执行器(1)共有三个工作位置；所述工作位置互成120°角，通过一环状结构固定；所述工作位置的圆心位于与环状结构共圆心的一圆周上；所述工作位置可绕共圆心旋转；所述工作位置分别固定视觉模块(15)和用于更换刀具(16)；所述视觉模块固定在末端执行器(1)一工作位置(15)上，通过末端执行器(1)旋转实现定位，通过机械臂(2)调整拍摄距离；所述视觉模块主要包括工业CCD相机、镜头(8)和同轴的环形光源(10)；所述工业CCD相机最大外接圆直径应小于100mm；所述工业CCD相机固定在机械臂末端执行器(2)上；所述镜头(8)与工业CCD相机连接；所述环形光源(10)设置在镜头(8)前端；所述环形光源(10)为LED白色环形光源；
进一步地所述的刀具损伤原位巡检与智能换刀机器人检测方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、备用刀库中装载多把替换刀具，移动操作机器人启动；
步骤2、移动操作机器人接收调度指令并快速前往机床工位；
步骤3、刀具损伤检测：
步骤3.1、检测换刀机械臂快速粗定位；
步骤3.2、末端执行器带动视觉模块精确定位至检测工位；
步骤3.3、视觉模块工作，采集刀具高清图像；
步骤3.4、对获取的图像进行处理，提取损伤量，并根据损伤量判断刀具损伤形式、程度以及是否达到更换标准；步骤4、对达到更换标准的刀具进行换刀；
步骤4.1、通过损伤刀具刀柄标号迅速识别损伤刀具种类；
步骤4.2、依据识别的刀具种类，备用刀库调用对应种类刀具所在储存仓，机械臂带动末端执行器至空间指定位置，末端执行器夹取刀具，并将刀具从备用刀库中取出；
步骤4.3、机械臂带动末端执行器快速定位至换刀位置，将换刀工作位置中的空槽对准损伤刀具；
步骤4.4、末端执行器利用换刀工作位置中的空槽夹紧损伤刀具，机械臂带动末端执行器运动，将损伤刀具从机床中取出；
步骤4.5、将替换刀具对准刀具安装位置，机械臂带动末端执行器运动，将替换刀具安装在机床上；
步骤4.6、备用刀库旋转，使空储存仓处于上方位置，机械臂带动末端执行器运动至空间指定位置后，将损伤刀具归还备用刀库；
步骤5、移动操作机器人等待或执行下一项调度指令；
所述机床工位指产线中移动机器人的指定移动位置；所述检测工位指视觉检测模块的工作位置；所述换刀工位指智能换刀模块的工作位置。
进一步地，在具体操作中，移动操作机器人启动，开始接受调度指令，而后快速前往机床工位。机械臂带动视觉检测模块到达检测工位，对刀具损伤状态进行高精定量测量。若刀具达到损伤标准，机械臂带动智能换刀模块对损伤刀具进行更换。损伤刀具更换完成或刀具未达到损伤标准，进行下一项调度指令。

Claims (10)

1.一种刀具损伤原位检测与换刀机器人，其特征在于，包括移动操作机器人、备用刀库(3)、视觉检测模块(12)和智能换刀模块(13)；所述移动操作机器人用于快速准确到达检测工位，实施精确空间定位，协助实施检测和换刀功能；所述备用刀库(3)通过支架(5)和螺钉固定在移动机器人(4)顶部，用于储存备用新刀具和换下的损伤刀具；所述视觉检测模块(12)设置在协作机械臂(2)的末端执行器(1)上，用于检测并提取刀具损伤特征；所述智能换刀模块(13)用于损伤刀具的快速智能更换。
2.根据权利要求1所述的一种刀具损伤原位检测与换刀机器人，其特征在于一种移动操作机器人，包括移动机器人(4)和协作机械臂(2)；所述移动机器人(4)用于在产线中移动；所述协作机械臂(2)用于准确驱动末端执行器(1)到达检测/换刀工位。
3.根据权利要求2所述的一种刀具损伤原位检测与换刀机器人，其特征在于，所述移动机器人(4)是指使用轮式移动机器人、足式移动机器人或轮足复合式移动机器人中的任意一种；所述轮式移动机器人通过车轮进行移动；所述足式移动机器人通过机械足进行移动；所述轮足复合式机器人可以通过腿部位姿调整轮式运动和足式运动方式，进而进行移动。
4.根据权利要求3所述的一种刀具损伤原位检测与换刀机器人，其特征在于，所述协作机械臂(2)的末端执行器(1)包括两种方案：方案一使用专用末端快换装置，方案二使用专用末端机构。
5.根据权利要求4所述的一种刀具损伤原位检测与换刀机器人，其特征在于，所述末端执行器(1)的方案一包括：所述移动机器人(4)上设置有快换支架，视觉检测模块(12)和智能换刀模块(13)放置在快换支架上，且分别固定有电动快换装置B端；协作机械臂(2)末端上固定有电动快换A端，可以通过电动快换A端抓取电动快换B端，进而分别抓取视觉检测模块和智能换刀模块进行刀具损伤视觉检测和损伤刀具更换。
6.根据权利要求4所述的一种刀具损伤原位检测与换刀机器人，其特征在于，所述机械臂的末端执行器(1)的方案二包括：使用专用末端机构；所述专用末端机构包括N个工作位置；所述各工作位置绕一公共圆心均匀分布。所述的N个工作位置，其中N≥2，即包含第一工作位置、第二工作位置、第N工作位置；所述第一工作位置上固定有视觉检测模块(12)，用于实现刀具损伤视觉检测；所述其他工作位置共同构成了智能换刀模块(13)，用于夹取替换刀具和夹取损伤刀具。
7.根据权利要求1所述一种刀具损伤原位巡检和智能换刀机器人，其特征在于，所述备用车库(3)包括刀库(7)和支架(5)；所述刀库(7)通过支架(5)安装在移动机器人(4)上；所述支架(5)通过螺钉与移动机器人(4)连接，位于移动机器人(4)顶部末端；所述刀库(7)包括多个刀具存储仓(6)；所述刀具存储仓(6)中存放带刀柄的刀具(8)；所述刀库(7)可绕刀库中心旋转。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种刀具损伤原位检测与换刀机器人，其特征在于，所述移动机器人(4)最大负载不低于100kg；所述协作机械臂(2)自重不超过35kg，负载不低于8kg，工作半径不小于1m，工作高度不小于1m，精度不低于0.1mm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种刀具损伤原位检测与换刀机器人的使用方法，其特征在于,步骤如下：
步骤1、备用刀库中装载多把替换刀具，移动操作机器人启动，并前往机床工位；
步骤2、刀具损伤检测：
步骤3、对达到更换标准的刀具进行换刀；
步骤4、移动操作机器人等待或执行下一项任务指令。
10.根据权利要求9所述的一种刀具损伤原位检测与换刀机器人的使用方法,其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2.1、协作机械臂快速粗定位；
步骤2.2、末端执行器带动视觉模块精确定位至检测工位；
步骤2.3、视觉模块工作，采集刀具高清图像；
步骤2.4、对获取的图像进行处理，提取损伤量，并根据损伤量判断刀具损伤形式、程度以及是否达到更换标准；
所述步骤3包括：
步骤3.1、通过损伤刀具刀柄标号迅速识别损伤刀具种类；
步骤3.2、依据识别的刀具种类，备用刀库调用对应种类刀具所在储存仓，机械臂带动末端执行器至空间指定位置，末端执行器夹取刀具，并将刀具从备用刀库中取出；
步骤3.3、机械臂带动末端执行器快速定位至换刀位置，将换刀工作位置中的空槽对准损伤刀具；
步骤3.4、末端执行器利用换刀工作位置中的空槽夹紧损伤刀具，机械臂带动末端执行器运动，将损伤刀具从机床中取出；
步骤3.5、将替换刀具对准刀具安装位置，机械臂带动末端执行器运动，将替换刀具安装在机床上；
步骤3.6、备用刀库旋转，使空储存仓处于上方位置，机械臂带动末端执行器运动至空间指定位置后，将损伤刀具归还备用刀库。
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