CN204584869U - 曲面零件的加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型的曲面零件的加工设备包括机器人、位姿标定块、三维扫描装置及上位机，在加工前，先确定曲面零件的顶点法向量，再根据机器人算法模型转换为位姿坐标理论值；而加工前，标定位姿标定块相对于加工刀具的中心点的位置关系；然后，使机器人移至加工区域，以位姿坐标理论值调整加工刀具的法向量；接着，使三维扫描装置扫描位姿标定块，以得出位姿标定块的实际位姿值，然后根据实际位姿值与理论值之间的差值得出实际位姿误差；接着，通过控制单元根据实际位姿误差对机器人的执行器当前的位姿坐标值进行补偿修正；再接着，便可使机器人对加工面上对应的加工区域进行加工；完后，重复上述步骤，直至加工面上的加工区域加工完成。

Description

曲面零件的加工设备

技术领域

本实用新型涉及曲面零件的加工技术领域，尤其涉及一种大尺寸曲面零件的加工设备。

背景技术

目前对于大尺寸的曲面零件的孔加工方式，普遍为采用CNC钻孔加工或者人工钻孔，可是，若采用CNC钻孔加工，则存在机床占地面积大、成本高的问题；若采用人工加工，则存在效率低、精度差的问题。另外，也有部分人员采用机器人加工方式，但是，目前的机器人加工方式存在定位误差大、批量工件重复加工精度不高的问题，以致曲面零件的制孔加工的同轴精度较差，从而使到已加工的曲面零件出现难以准确装配的问题。

因此，有必要提供一种技术手段以解决上述缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供曲面零件的加工设备，以解决现有技术中在机器人加工方式时存在定位误差大、批量工件重复加工精度不高以致出现曲面零件的制孔加工的同轴精度较差的问题，保证曲面零件能够准确装配。

本实用新型是这样实现的，曲面零件的加工设备，所述曲面零件具有至少一个加工面，所述加工面上设有用以对所述加工面进行加工的加工方向，所述加工设备包括：

供所述曲面零件停靠放置的第一放置区；

靠近于所述第一放置区的第二放置区；

用以对所述曲面零件进行加工的机器人，所述机器人沿所述加工面的加工方向移动设于所述第二放置区上，且所述机器人包括机器人本体以及用以控制所述机器人本体工作的控制单元，所述机器人本体上配设有用以执行加工指令的执行器，所述执行器包括主轴及设于所述主轴上的加工刀具，所述控制单元配置有机器人算法模型；

用以标识界定所述机器人的移动位置相对于理论位姿值的位姿偏差的位姿标定块，所述位姿标定块设于所述主轴上，且所述位姿标定块的中心线与所述主轴的中心线垂直相交；

用于扫描获取被测对象的三维空间坐标数据并可对该三维空间坐标数据进行特征点云数据采集及特征自动拼接的三维扫描装置，所述三维扫描装置移动设于所述第二放置区上；及

用以发出操作指令和显示结果数据的上位机，所述上位机配设有可对所述曲面零件进行模型仿真分析以得出所述曲面零件的顶点法向量的模型仿真分析软件，且所述上位机分别与所述控制单元、所述三维扫描装置电连接。

具体地，所述位姿标定块为长方体结构，且所述长方体结构的长度、宽度及高度互不相等。

进一步地，所述位姿标定块的长度为45-50mm、宽度为25-30mm、高度为15-20mm。

具体地，所述机器人还包括设于所述机器人本体的底端以使所述机器人本体滑动设置的滑块、及与所述滑块滑动配合的滑动平台，所述滑动平台设于所述第二放置区上并沿所述加工面的加工方向延伸设置，所述三维扫描装置设于所述滑动平台的一端。

本实用新型的曲面零件的加工设备的技术效果为：本实用新型的加工设备主要由机器人、位姿标定块、三维扫描装置及上位机组成，由此，在加工前，可先通过上位机上配设的模型仿真分析软件得出曲面零件的顶点法向量；再根据机器人算法模型转换为可以用于控制机器人对曲面零件进行加工的位姿坐标理论值；标定位姿标定块相对于加工刀具的中心点的位置关系，以通过位姿标定块的位姿值对应得到加工刀具下刀时的位姿值；而加工时，便可使机器人移至加工区域；此时，先通过控制单元根据位姿坐标理论值对机器人的加工刀具的姿态进行对应的调整，同时，使三维扫描装置扫描位姿标定块，以得出位姿标定块的实际值，然后根据实际值与理论值之间的差值得出机器人实际姿态误差，并对应得出执行器当前的实际位姿误差；接着，通过控制单元根据实际偏转误差对机器人的执行器当前的位姿坐标值进行补偿修正；再接着，便可使机器人对加工面上对应的加工区域进行加工；完后，重复上述加工步骤，直至加工面上的加工区域加工完成。整个加工方法操作简便，可有效提高机器人的位姿定位精度，并有利于提高批量曲面零件重复加工的精度；同时，还可保证经补偿后的加工刀具的刀轴矢量与曲面零件的曲面法向矢量一致，提高曲面零件的制孔加工的同轴精度,从而保证曲面零件的孔位的精确装配。

附图说明

图1为本实用新型的曲面零件的加工设备的示意图；

图2为本实用新型的曲面零件的加工设备的位姿标定块与加工刀具的位置关系示意图；

图3和图4为本实用新型的曲面零件的加工设备通过模型仿真分析软件得出曲面零件的顶点法向量的示意图；

图5为本实用新型的曲面零件的加工设备的加工刀具的位姿补偿示意图；

图6为本实用新型的曲面零件的加工设备的位姿补偿的示意图；

图7为本实用新型的曲面零件的加工设备的机器人的位姿补偿的流程框图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

曲面零件的加工方法的实施例：

请参阅图1至图7，下面对本实施例的曲面零件的加工方法进行阐述。

本实施例的曲面零件的加工方法，包括以下步骤：

步骤S101、准备待加工的曲面零件20，曲面零件20具有至少一个加工面21，并于加工面21上设定用以对加工面进行加工的加工方向，其中，该加工方向如箭头P所示；

步骤S102、设置一供曲面零件20停靠放置的第一放置区11；

步骤S103、将曲面零件20设于第一放置区11上；

步骤S104、准备一可分段移动以对曲面零件20进行分段加工的机器人12，设置机器人12包括机器人本体121以及用以控制机器人本体121工作的控制单元(图中未标示)，使机器人本体121上配设有用以执行加工指令的执行器1210，设置执行器1210包括主轴1211及加工刀具1212，使该加工刀具1212设于主轴1211上，使控制单元配置有机器人算法模型，其中，该加工刀具1212可以为钻削或铣削刀具；

步骤S105、设置一供机器人12安装设置的第二放置区13，并使第二放置区13靠近于第一放置区11；

步骤S106、将机器人12沿加工面21的加工方向移动设于第二放置区13上，并于控制单元上设定机器人12的工作坐标系，且使工作坐标系包括互相垂直的X方向、Y方向及Z方向；

步骤S107、于主轴1211上设置用以标识界定机器人12的移动位置相对于理论位姿值的位姿偏差的位姿标定块14，并使位姿标定块14的中心线与主轴1211的中心线垂直相交，使位姿标定块14包括互相垂直的长度方向、宽度方向及高度方向；

步骤S108、于第二放置区13上设置一用于扫描获取被测对象的三维空间坐标数据并可对该三维空间坐标数据进行特征点云数据采集及特征自动拼接的三维扫描装置15，使三维扫描装置15移动设于第二放置区13上，且设定三维扫描装置15的定位位置；

步骤S109、准备一用以发出操作指令和显示结果数据的上位机16，并使上位机16分别与控制单元、三维扫描装置15电连接。

步骤S110、于上位机16上配设有可对曲面零件20进行模型仿真分析的模型仿真分析软件，并通过模型仿真分析软件得出曲面零件20的顶点法向量，再根据机器人算法模型将顶点法向量转换为可以用于控制机器人12对曲面零件20进行加工的位姿坐标理论值；

步骤S111、标定位姿标定块14相对于加工刀具1212的中心点的位置关系，以通过位姿标定块14的位姿值对应得到加工刀具1212下刀时的位姿值；

步骤S112、通过控制单元控制机器人12移至加工面21上的加工区域，可定义该机器人12当前的三维位姿坐标为(x,y,z)；

步骤S113、通过上位机16根据位姿坐标理论值对机器人12的加工刀具1212的法向量进行对应的调整，可定义该加工刀具1212当前的三维位姿坐标为(Rx,Ry,Rz)；

步骤S114、使三维扫描装置15扫描位姿标定块14，并将扫描得到的图像数据传至上位机16；

步骤S115、通过上位机16的模型仿真分析软件对三维扫描装置15传送的图像数据进行逆向建模及数据分析，以得出位姿标定块14的三维空间坐标数据，而此时执行器1210的加工刀具1212当前的三维位姿坐标为(Rx₁,Ry₁,Rz₁)；且根据实际值与理论值之间的差值得出实际位姿误差，即为(ΔRx,ΔRy,ΔRz)，以对应得出执行器1210的加工刀具1212当前的实际位姿误差；

步骤S116、通过上位机16根据实际位姿误差对机器人12的执行器1210当前的位姿坐标值进行补偿修正；

步骤S117、通过控制单元控制机器人12对加工面21上对应的加工区域进行加工；

步骤S118、重复步骤S112至步骤S117，直至加工面21上的加工区域加工完成。

在本实施例中，通过设有机器人12、位姿标定块14、三维扫描装置15及上位机16，由此，在加工前，可先通过上位机16上配设的模型仿真分析软件得出曲面零件20的顶点法向量；再根据机器人算法模型转换为可以用于控制机器人12对曲面零件20进行加工的位姿坐标理论值；标定位姿标定块14相对于加工刀具1212的中心点的位置关系，以通过位姿标定块14的位姿值对应得到加工刀具1212下刀时的位姿值；而加工时，便可使机器人12移至加工区域；此时，先通过控制单元根据位姿坐标理论值对机器人12的加工刀具1212的姿态进行对应的调整，同时，使三维扫描装置15扫描位姿标定块14，以得出位姿标定块的实际值，然后根据实际值与理论值之间的差值得出机器人12实际姿态误差，并对应得出执行器1210当前的实际位姿误差；接着，通过控制单元根据实际偏转误差对机器人12的执行器1210当前的位姿坐标值进行补偿修正；再接着，便可使机器人12对加工面21上对应的加工区域进行加工；完后，重复上述加工步骤，直至加工面21上的加工区域加工完成。整个加工方法操作简便，可有效提高机器人12的位姿定位精度，并有利于提高批量曲面零件20重复加工的精度；同时，还可保证经补偿后的加工刀具1212的刀轴矢量与曲面零件20的曲面法向矢量一致，提高曲面零件20的制孔加工的同轴精度,从而保证曲面零件20的孔位的精确装配。

请参阅图3和图4，在步骤S110中，具体包括以下：

其中，本实施例的模型仿真分析软件包括UG软件和逆向建模Geomagic软件组成，据此，得出以下：

参考点选取：于模型仿真分析软件中的UG软件的CAM模块中，通过模拟刀具对曲面零件20的模型进行加工，选取模拟刀具对曲面零件20的模型的任一下刀点，并在以下刀点为圆心、半径为r的圆周上选取三个间隔相等的参考点，该三个参考点分别为A、B、C，且r＞0；

顶点法向量计算：通过选取的三个参考点建立一平面，并通过模型仿真分析软件中的UG软件的二次开发功能进行编程计算平面的法线矢量N，以对应得出顶点法向量。

请参阅图2，为了便于生产设计，设置位姿标定块14为长方体结构，并使长方体结构的长度、宽度及高度互不相等，以便于用户清楚辨别长方体结构的长度、宽度及高度，继而能够清楚知晓机器人20的工作坐标系的X方向、Y方向及Z方向。进一步地，设置位姿标定块14的长度为45-50mm、宽度为25-30mm、高度为15-20mm，优选地，可选取该位姿标定块14的长度为50mm、宽度为30mm、高度为20mm。

曲面零件的加工设备的实施例：

请参阅图1至图7，下面对本实用新型的曲面零件的加工设备的最佳实施例进行阐述。

在本实施例中，曲面零件20具有至少一个加工面21，加工面21上设有用以对加工面21进行加工的加工方向，其中，该加工方向如箭头P所示，而本实施例的加工设备10包括第一放置区11、第二放置区13、机器人12、位姿标定块14、三维扫描装置15及上位机16，下面对该加工设备10的各部件作进一步说明：

第一放置区11为供曲面零件20停靠放置；

第二放置区13靠近于第一放置区11；

机器人12可分段移动以对曲面零件20进行分段加工，其中，机器人12包括机器人本体121以及用以控制机器人本体121工作的控制单元(图中未标示)，机器人本体121上配设有用以执行加工指令的执行器1210，执行器1210包括主轴1211及安装于主轴1211上的加工刀具1212，执行器1210包括主轴1211及设于主轴1211上的加工刀具1212，控制单元配置有机器人算法模型以及机器人12的工作坐标系，且该工作坐标系包括互相垂直的X方向、Y方向及Z方向，其中，该加工刀具1212可以为钻削及铣削刀具；

位姿标定块14为用以标识界定机器人12的移动位置相对于理论位姿值的位姿偏差，其中，位姿标定块14设于主轴1211上，且位姿标定块14的中心线与主轴1211的中心线垂直相交，位姿标定块14包括互相垂直的长度方向、宽度方向及高度方向；

三维扫描装置15为用于扫描获取被测对象的三维空间坐标数据并可对该三维空间坐标数据进行特征点云数据采集及特征自动拼接，其中，三维扫描装置15移动设于第二放置区13上；

上位机16为用以发出操作指令和显示结果数据的，其中，上位机16配设有可对曲面零件20进行模型仿真分析以得出曲面零件20的顶点法向量的模型仿真分析软件，且上位机16分别与控制单元、三维扫描装置15电连接。

本实施例的加工设备10主要由机器人12、位姿标定块14、三维扫描装置15及上位机16组成，由此，在加工前，可先通过上位机16上配设的模型仿真分析软件得出曲面零件20的顶点法向量，再根据机器人算法模型转换为可以用于控制机器人12对曲面零件20进行加工的位姿坐标理论值；标定位姿标定块14相对于加工刀具1212的中心点的位置关系，以通过位姿标定块14的位姿值对应得到加工刀具1212下刀时的位姿值；而加工时，然后，便可使机器人12移至加工区域；此时，先通过控制单元根据位姿坐标理论值对机器人12的加工刀具1212的姿态进行对应的调整，同时，使三维扫描装置15扫描位姿标定块14，以得出位姿标定块的实际值，然后根据实际值与理论值之间的差值得出机器人12实际位姿误差，并对应得出执行器1210当前的实际位姿误差；接着，通过控制单元根据实际偏转误差对机器人12的执行器1210当前的位姿坐标值进行补偿修正；再接着，便可使机器人12对加工面21上对应的加工区域进行加工；完后，重复上述加工步骤，直至加工面21上的加工区域加工完成。整个加工方法操作简便，可有效提高机器人12的位姿定位精度，并有利于提高批量曲面零件20重复加工的精度；同时，还可保证经补偿后的加工刀具1212的刀轴矢量与曲面零件20的曲面法向矢量一致，提高曲面零件20的制孔加工的同轴精度,从而保证曲面零件20的孔位的精确装配。

请参阅图2，为了便于生产设计，该位姿标定块14为长方体结构，而长方体结构的长度、宽度及高度互不相等，以便于用户清楚辨别长方体结构的长度、宽度及高度，继而能够清楚知晓机器人20的工作坐标系的X方向、Y方向及Z方向。进一步地，位姿标定块14的长度为45-50mm、宽度为25-30mm、高度为15-20mm，优选地，可选取该位姿标定块14的长度为50mm、宽度为30mm、高度为20mm。

请参阅图1，本实施例的机器人12还包括设于机器人本体121的底端以使机器人本体121滑动设置的滑块122、及与滑块122滑动配合的滑动平台123，其中，该滑动平台123设于第二放置区13上，并沿加工面21的加工方向延伸设置，该三维扫描装置15设于滑动平台123的一端。而借由滑块122和滑动平台123的设置，简单有效地使到机器人本体121沿加工面21的加工方向移动。

下面结合各图式，对本实施例的曲面零件的加工设备10的工作原理作进一步说明：

在加工前，可先通过上位机16上配设的模型仿真分析软件得出曲面零件20的顶点法向量，再根据机器人算法模型转换为可以用于控制机器人12对曲面零件20进行加工的位姿坐标理论值；标定位姿标定块14相对于加工刀具1212的中心点的位置关系，以通过位姿标定块14的位姿值对应得到加工刀具1212下刀时的位姿值；而加工时，便可使机器人12移至加工区域；此时，先通过控制单元根据位姿坐标理论值对机器人12的加工刀具1212的姿态进行对应的调整，同时，使三维扫描装置15扫描位姿标定块14，以得出位姿标定块的实际值，然后根据实际值与理论值之间的差值得出机器人12实际位姿误差，并对应得出执行器1210当前的实际位姿误差；接着，通过控制单元根据实际位姿误差对机器人12的执行器1210当前的位姿坐标值进行补偿修正；再接着，便可使机器人12对加工面21上对应的加工区域进行加工；完后，重复上述加工步骤，直至加工面21上的加工区域加工完成。

以上所述仅为本实用新型较佳的实施例而已，其结构并不限于上述列举的形状，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.曲面零件的加工设备，所述曲面零件具有至少一个加工面，所述加工面上设有用以对所述加工面进行加工的加工方向，其特征在于，所述加工设备包括：

供所述曲面零件停靠放置的第一放置区；

靠近于所述第一放置区的第二放置区；

用以对所述曲面零件进行加工的机器人，所述机器人沿所述加工面的加工方向移动设于所述第二放置区上，且所述机器人包括机器人本体以及用以控制所述机器人本体工作的控制单元，所述机器人本体上配设有用以执行加工指令的执行器，所述执行器包括主轴及设于所述主轴上的加工刀具，所述控制单元配置有机器人算法模型；

用以标识界定所述机器人的移动位置相对于理论位姿值的位姿偏差的位姿标定块，所述位姿标定块设于所述主轴上，且所述位姿标定块的中心线与所述主轴的中心线垂直相交；

用于扫描获取被测对象的三维空间坐标数据并可对该三维空间坐标数据进行特征点云数据采集及特征自动拼接的三维扫描装置，所述三维扫描装置移动设于所述第二放置区上；及

用以发出操作指令和显示结果数据的上位机，所述上位机配设有可对所述曲面零件进行模型仿真分析以得出所述曲面零件的顶点法向量的模型仿真分析软件，且所述上位机分别与所述控制单元、所述三维扫描装置电连接。

2.如权利要求1所述的曲面零件的加工设备，其特征在于：所述位姿标定块为长方体结构，且所述长方体结构的长度、宽度及高度互不相等。

3.如权利要求2所述的曲面零件的加工设备，其特征在于：所述位姿标定块的长度为45-50mm、宽度为25-30mm、高度为15-20mm。

4.如权利要求1-3任一项所述的曲面零件的加工设备，其特征在于：所述机器人还包括设于所述机器人本体的底端以使所述机器人本体滑动设置的滑块、及与所述滑块滑动配合的滑动平台，所述滑动平台设于所述第二放置区上并沿所述加工面的加工方向延伸设置，所述三维扫描装置设于所述滑动平台的一端。