CN217394580U - 基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，包括：视觉采集设备、上连接板、能够承受轴向转矩的轴向位移驱动机构、下连接板、力传感器、主轴电机连接板、主轴电机夹具、主轴电机、打磨工具。在实际应用中，使用视觉采集设备采集待打磨工件表面图像，经程序处理得到工件三维模型，进行轨迹规划和工艺参数规划，通过工业机器人与本实用新型打磨执行装置联动可以实现对工件的柔顺打磨和在线视觉检测，以满足高效高精密机器人智能化打磨作业需求。

Description

基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置

技术领域

本实用新型涉及机器视觉检测、工件打磨领域，具体为一种基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置。

背景技术

在航空发动机叶片、汽轮机叶片、风力发电机叶片等关键动力部件的生产制造过程中，打磨是一道不可缺少的后期精整工序，这些部件的很多部分是自由曲面造型，传统打磨作业主要由手工完成，劳动强度大、效率低、形面精度的一致性差，并且打磨粉尘危害工人身体健康。传统的工业机器人示教方法应用于打磨领域面临示教时间长、路径点精度难以保证、刚性接触易对工件造成损伤等问题。

已公开实用新型专利《基于机器视觉的全自动打磨***》，授权号CN209811886U，公开了一种基于机器视觉的打磨执行装置，包括电主轴、沿轴向方向移动的恒力浮动控制机构、位移传感器、姿态传感器，该装置的打磨主轴具有一定的浮动能力，可实现恒力打磨，但无法进行打磨接触力柔顺调节；没有承受轴向转矩的机构，打磨工具传递的反作用转矩会使电主轴外壳向工具旋转的反方向转动，可靠性不足；使用电主轴外壳作为气浮活塞杆，恒力驱动部件和打磨旋转部件结合为一体，当电主轴故障需要维修或者更换时必须拆卸整个打磨执行装置，未能实现各功能结构的模块化组合，不便于故障维修；只能在打磨前和打磨后对工件进行图像采集，无法在打磨过程中对打磨工具的位姿进行在线检测和对定位误差进行在线补偿。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于机器视觉实时检测和柔顺力控制的智能柔顺打磨执行装置，可以根据打磨过程中工具-工件接触面积的变化对接触力实现柔顺跟踪调节，能够承受工具-工件打磨轴向反作用转矩，实现打磨轴向接触力驱动机构和打磨旋转机构的模块化组合，对机器人的定位误差实现机器视觉在线检测和位姿补偿。

为解决以上技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，包括视觉采集设备，还包括：

上连接板，用于与工业机器人末端轴连接，其上有和机器人末端轴连接的安装孔；

能够承受轴向转矩的轴向位移驱动机构，一端安装在所述上连接板上，用于提供法向驱动力；

下连接板，与所述能够承受轴向转矩的轴向位移驱动机构的另一端，即浮动端，固定连接；

力传感器，其固定端与所述下连接板固定连接，用于测量打磨接触力，为接触力控制程序提供力反馈信号；

主轴电机，用于提供打磨主运动；

主轴电机连接板，安装在所述力传感器的负载端，用于连接所述力传感器和主轴电机；

主轴电机夹具，安装在所述主轴电机连接板上，用于固定所述主轴电机；

打磨工具，安装在所述主轴电机的旋转轴上。

进一步，所述的能够承受轴向转矩的轴向位移驱动机构是带导杆弹簧回复单作用气缸；还包括：

压力控制阀，用于控制所述气缸上腔气压；

倾角传感器，用于测量所述打磨工具主轴相对于重力加速度方向的倾斜角度。

进一步，所述的压力控制阀是两个高频电磁阀，其中一个用于控制所述气缸上腔的进气流量，另一个用于控制排气流量。

进一步，所述的压力控制阀还可以是一个电气比例阀，用于调节所述气缸上腔的气压跟随输入模拟信号成比例地变化。

进一步，所述的能够承受轴向转矩的轴向位移驱动机构还可以是电动推杆。

进一步，所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置：

所述的视觉采集设备用于在打磨前采集工件表面轮廓信息、在打磨过程中采集打磨工具和工件相对位姿、在打磨后采集工件表面轮廓和纹理信息；

还包括云台，具有不少于1个自由度，用于调节所述视觉采集设备的拍摄位姿。

进一步，所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，还包括位移传感器，与所述能够承受轴向转矩的轴向位移驱动机构并联安装在所述上连接板和所述下连接板之间，用于测量所述轴向位移驱动机构的伸长量，为打磨接触力控制程序提供轴向伸长量反馈信号。

进一步，所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，还包括：

减压阀，用于为所述气缸的上、下腔提供预压力，在上、下腔形成“气垫”，由于压缩空气具有阻尼特性，可防止所述气缸的突然动作引起所述工具和工件之间接触力的冲击，实现柔顺力控制；

溢流阀，用于保持所述气缸下腔气压；

两个止回阀，用于防止所述气缸的上、下腔气体互通。

进一步，所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，还包括节流阀，用于调节所述气缸下腔排气流量，间接调节所述气缸下腔气体阻尼系数。

进一步，所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，还包括减震器，安装在所述主轴电机夹具和主轴电机连接板之间，用于抑制打磨过程中产生的机械振动。

采用本实用新型对工件进行打磨的流程包括如下步骤：

步骤1：工件装夹和工具标定：将待打磨工件进行装夹固定；同时以智能柔顺末端执行装置作为机器人的执行工具进行工具标定；

步骤2：视觉采集工件表面轮廓：使用视觉采集设备采集工件待打磨表面图像信息，并发送给上位机***；所述视觉采集设备可采用双目视觉方式、单目视觉加三维激光扫描仪方式或者单目视觉加结构光方式；

步骤3：生成工件三维模型：上位机***接收所采集的工件表面图像，使用图像处理程序生成工件表面三维点云信息，经过点云去噪、轮廓拟合等处理生成实际工件三维模型；

步骤4：打磨轨迹规划：将实际工件三维模型与标准工件三维模型做差值得到需要去除部分的三维模型，据此，使用轨迹规划程序生成打磨轨迹点坐标信息，并计算机器人运动学逆解，得到各时间步的机器人关节角度信息；

步骤5：打磨工艺参数规划：根据规划好的打磨轨迹和工艺要求，使用工艺参数规划程序得到主轴转速、各轨迹点的接触力等工艺参数；

步骤6：打磨***对工件进行打磨：运行打磨主程序，上位机向机器人控制柜和智能柔顺打磨执行装置控制箱发送指令对工件进行打磨；

步骤7：打磨过程在线检测与位姿补偿：视觉采集设备实时采集工具和工件接触图像，经上位机程序处理得到工具主轴与工件表面路径点处法向量的偏角，与轨迹规划结果对比得到定位误差，反馈给机器人控制程序实现姿态补偿；法向接触力控制程序通过调节所述轴向位移驱动机构实现工具-工件接触力柔顺控制，同时自动补偿法向定位误差；

步骤8：视觉测量打磨质量：机器人完成打磨轨迹后，视觉采集设备采集工件表面轮廓和纹理信息，经上位机表面质量评估程序处理得到工件成形误差和表面粗糙度信息；如果有不合格区域，对其进行标记，重复步骤4至步骤8，对不合格区域进行再处理；如果符合打磨质量要求，则结束本次打磨。

本实用新型的有益效果在于：

1、使用带导杆弹簧回复单作用气缸或者电动推杆驱动打磨工具沿工件表面法向运动，可以实现打磨接触力的快速调节，并且能够可靠承载工具打磨运动传递的反作用转矩，法向接触力与主轴转速、工具倾角、进给速度等工艺参数协同控制，可以实现材料的精确去除和工件表面质量的均匀一致性；

2、在主轴电机与接触力驱动机构之间安装减震器，可以实现工具和工件表面的柔顺接触，避免刚性冲击对工件或者打磨工具的损伤；

3、在实际打磨中一般采用工具相对于工件表面倾斜打磨方式，当根据轨迹规划结果采用工具的前、后、左、右不同边缘贴合工件进行打磨时，上位机控制程序可以控制所述云台灵活调整视觉采集设备的位置和拍摄角度，以跟踪采集工具-工件接触图像，避免主轴电机对接触区域的遮挡；

4、采用视觉采集设备实时采集工具和工件的相对位姿，与规划的工具轨迹进行对比，得到打磨工具的定位偏差，通过机器人控制程序实现在线位姿补偿，以保证工件成形精度；

5、实现了打磨轴向接触力驱动机构和打磨旋转机构的模块化组合，便于故障部件的维修和更换。

附图说明

图1是本实用新型基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置进行工件打磨的工作示意图。

图2是本实用新型基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置结构实施例1的示意图。

图3是六自由度相机云台的结构示意图。

图4是本实用新型基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置结构实施例1的接触力控制原理图。

图5是本实用新型基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置实施例2的结构示意图。

图6是本实用新型基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置实施例2的接触力控制原理图。

图7是本实用新型基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置实施例3的结构示意图。

图8是本实用新型基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置的工作流程图。

图9是上位机***程序功能模块图。

附图标记说明：

1、打磨执行装置安装孔；2、上连接板；3、高频电磁阀；4、倾角传感器；5、六自由度相机云台；6、视觉采集设备；7、带导杆弹簧回复单作用气缸；8、位移传感器；9、溢流阀；10、节流阀；11、下连接板；12、力传感器；13、主轴电机连接板；14、主轴电机；15、主轴电机夹具；16、打磨工具；17、上位机电脑；18、脉宽调制（Pulse width modulation, PWM）信号发生器；19、压缩空气气源；20、蓄能器；21、过滤器；22、减压阀1；23、减压阀2；24、电气比例阀；26、工业机器人；27、基于机器视觉的智能柔顺打磨执行装置；28、工件；29、夹具；30、工作台； 31、机器人控制柜；32、智能柔顺打磨执行装置控制箱；33、电动推杆；34、减震器；35、单自由度云台；51、云台底座；52、云台第一连杆；53、云台第二连杆；54、云台第三连杆；55、云台第四连杆；56、云台第五连杆；57、云台第六连杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

图1所示基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置进行工件打磨的工作示意图，该***包括：六自由度工业机器人26、安装于机器人第六轴上的智能柔顺打磨执行装置27、待打磨的自由曲面工件28、夹具29、工作台30、上位机电脑17、机器人控制柜31、智能柔顺打磨执行装置控制箱32。

基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置结构实施例1

基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置结构实施例1的示意图如图2所示，包括：

上连接板2：用于和工业机器人末端轴相连接，并且安装驱动气缸7、位移传感器8、机器视觉设备云台5、压力控制阀3、倾角传感器4；

两个高频电磁阀3：用于控制气缸上腔气压，其中一个用于控制进气流量，另一个用于控制排气流量；

倾角传感器4：用于测量打磨执行装置主轴与重力加速度方向的偏角，为上位机接触力重力补偿程序提供反馈信号；

六自由度相机云台5：用于调整3D相机镜头位姿，保证检测区域始终在镜头视野最佳范围；

3D相机6：用于在打磨前采集工件表面轮廓信息、打磨过程中检测工具-工件接触情况、打磨后采集工件表面轮廓和纹理信息；

带导杆弹簧回复单作用气缸7：作为驱动力施加元件，同时导杆可承受打磨反作用转矩，其中下腔的回位弹簧用于平衡执行装置浮动部分的重力分量以及上腔减压时自动回位；

位移传感器8：用于检测气缸伸长量，为打磨接触力控制程序的位置环提供反馈信号；

溢流阀9：用于保持气缸下腔气压；

节流阀10：用于调节气缸下腔排气流量，间接调节气缸下腔气体阻尼系数；

下连接板11：用于安装气缸7的浮动端、位移传感器8的移动端、溢流阀9、节流阀10、力传感器12；

六维力传感器12：用于测量打磨接触法向力，为上位机打磨接触力控制程序提供反馈信号；

主轴电机连接板13：用于连接六维力传感器12的负载端和主轴电机夹具15；

主轴电机夹具15：用于安装主轴电机14；

主轴电机14：用于驱动打磨工具16；

打磨工具16：用于打磨工件。

该打磨执行装置的接触力驱动原理如图4所示，其中：

用实线表示气流通路，用虚线表示控制信号和反馈信号线路；

可编程控制器PLC 18：安装在打磨执行装置控制箱32中，用于发送周期一定、占空比变化的脉宽调制PWM信号，以控制两高频电磁阀的等效孔口开度；

上位机电脑17：***功能模块如图9所示，包括视觉采集、三维模型重建、机器人轨迹规划与在线位姿补偿、打磨工艺参数规划、打磨主程序、工具-工件位姿检测、打磨质量评估等程序模块，其中打磨主程序模块包括机器人轨迹执行和打磨执行装置控制两个子模块；

压缩空气气源19、蓄能器20、过滤器21、减压阀22，构成气源处理装置，供气压力0.6MPa；

减压阀23：用于为气缸的上、下腔提供预压力，在上、下腔形成“气垫”，由于压缩空气具有阻尼特性，可以防止气缸的突然动作引起接触力的冲击，实现柔顺力控制；

止回阀25：用于防止气缸上、下腔气体互通。

图3给出了六自由度相机云台结构示意图，包括：

云台底座51、云台第一连杆52、云台第二连杆53、云台第三连杆54、云台第四连杆55、云台第五连杆56、云台第六连杆57，第六连杆上安装有3D视觉相机。连杆之间的关节处使用步进电机或伺服电机驱动。

使用该打磨执行装置对工具-工件接触力进行控制时，上位机控制程序发送占空比数值给PLC，PLC发送PWM信号控制高频电磁阀调节进气阀或排气阀的等效开口大小，从而控制气缸上腔的进气流量或排气流量，实现增压或减压，进而驱动接触力跟随控制信号变化。

基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置结构实施例2

图5给出了另一种基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置结构示意图，其接触力驱动原理如图6所示，其中采用了另一种压力控制阀，即电气比例阀24，作为气缸上腔的压力调节阀，其余部件的功能与实施例1相同。

使用该打磨执行装置对工具-工件接触力进行控制时，上位机控制程序通过数模转换模块发送模拟电压或电流信号给电气比例阀24，电气比例阀可以调节气缸上腔的气压与输入信号成比例地变化，从而实现对工具-工件接触力的跟踪控制。

基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置结构实施例3

图7给出了另一种基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置结构示意图，采用电动推杆33代替气缸7作为接触力驱动机构，采用单自由度相机云台35作为相机拍摄位姿调整机构，采用橡胶减震器34安装在电机夹具15和电机连接板13之间，实现打磨减震缓冲功能，其余部件的功能与实施例1相同。

使用该打磨执行装置对工具-工件接触力进行控制时，上位机控制程序通过发送脉冲信号给电动推杆33的驱动器来驱动电动推杆，调节打磨工具与工件的相对位移，打磨工具与工件接触产生形变，从而实现对接触力的跟踪控制。

下面是采用本实用新型对工件进行打磨的具体流程。

采用本实用新型上述三个实施例中的任何一项对工件进行打磨的流程图如图8所示，打磨步骤如下：

步骤1：工件装夹和工具标定：将待打磨工件进行装夹固定；同时以智能柔顺末端执行装置作为机器人的执行工具进行工具标定；

步骤2：视觉采集工件表面轮廓：使用视觉采集设备采集工件待打磨表面图像信息，并发送给上位机***；所述视觉采集设备可采用双目视觉方式、单目视觉加三维激光扫描仪方式或者单目视觉加结构光方式；

步骤3：生成工件三维模型：上位机***接收所采集的工件表面图像，使用图像处理程序生成工件表面三维点云信息，经过点云去噪、轮廓拟合等处理生成实际工件三维模型；

步骤4：打磨轨迹规划：将实际工件三维模型与标准工件三维模型做差值得到需要去除部分的三维模型，据此，使用轨迹规划程序生成打磨轨迹点坐标信息，并计算机器人运动学逆解，得到各时间步的机器人关节角度信息；

步骤5：打磨工艺参数规划：根据规划好的打磨轨迹和工艺要求，使用工艺参数规划程序得到主轴转速、各轨迹点的接触力等工艺参数；

步骤6：打磨***对工件进行打磨：运行打磨主程序，上位机向机器人控制柜和智能柔顺打磨执行装置控制箱发送指令对工件进行打磨；

步骤7：打磨过程在线检测与位姿补偿：视觉采集设备实时采集工具和工件接触图像，经上位机程序处理得到工具主轴与工件表面路径点处法向量的偏角，与轨迹规划结果对比得到定位误差，反馈给机器人控制程序实现姿态补偿；法向接触力控制程序通过调节所述轴向位移驱动机构实现工具-工件接触力柔顺控制，同时自动补偿法向定位误差；

步骤8：视觉测量打磨质量：机器人完成打磨轨迹后，视觉采集设备采集工件表面轮廓和纹理信息，经上位机表面质量评估程序处理得到工件成形误差和表面粗糙度信息；如果有不合格区域，对其进行标记，重复步骤4至步骤8，对不合格区域进行再处理；如果符合打磨质量要求，则结束本次打磨。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，比如视觉采集设备还可采用“单目视觉相机+二维或三维激光扫描仪”或者“单目视觉相机+结构光设备”、相机云台的自由度数量可根据零件形状复杂程度对相机拍摄角度的实际要求进行调整，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，包括视觉采集设备，其特征在于：还包括：

上连接板(2) ，用于与工业机器人末端轴连接，其上有和机器人末端轴连接的安装孔(1)；

能够承受轴向转矩的轴向位移驱动机构：一端安装在所述上连接板(2)上，用于提供法向驱动力；

下连接板(11)，与所述能够承受轴向转矩的轴向位移驱动机构的另一端，即浮动端，固定连接；

力传感器(12)，其固定端与所述下连接板(11)固定连接，用于测量打磨接触力；

主轴电机连接板(13)：安装在所述力传感器(12)的负载端，用于连接所述力传感器(12)和主轴电机；

主轴电机(14)，用于提供打磨主运动；

主轴电机夹具(15)，安装在所述主轴电机连接板(13)上，用于固定所述主轴电机(14)；

打磨工具(16)，安装在所述主轴电机(14)的旋转轴上。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，其特征在于：所述的能够承受轴向转矩的轴向位移驱动机构是带导杆弹簧回复单作用气缸(7)；还包括：

压力控制阀，用于控制所述气缸(7)上腔气压；

倾角传感器(4)，用于测量所述打磨工具主轴相对于重力加速度方向的倾斜角度。

3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，其特征在于：所述的压力控制阀是两个高频电磁阀(3)，其中一个用于控制所述气缸(7)上腔的进气流量，另一个用于控制排气流量。

4.根据权利要求2所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，其特征在于：所述的压力控制阀是一个电气比例阀(24)，用于调节所述气缸(7)上腔的气压跟随输入模拟信号成比例地变化。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，其特征在于：所述的能够承受轴向转矩的轴向位移驱动机构是电动推杆(33)。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，其特征在于：

所述的视觉采集设备用于在打磨前采集工件表面轮廓信息、在打磨过程中采集打磨工具和工件相对位姿、在打磨后采集工件表面轮廓和纹理信息；

还包括云台(5)，具有不少于1个自由度，用于调节所述视觉采集设备的拍摄位姿。

7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，其特征在于：还包括位移传感器(8)，与所述能够承受轴向转矩的轴向位移驱动机构并联安装在所述上连接板(2)和所述下连接板(11)之间，用于测量所述轴向位移驱动机构的伸长量。

8.根据权利要求2至4中任何一项所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，其特征在于：还包括：

减压阀(23)，用于为所述气缸(7)的上、下腔提供预压力，在上、下腔形成“气垫”，由于压缩空气具有阻尼特性，可防止所述气缸(7)的突然动作引起所述工具(16)和工件之间接触力的冲击，实现柔顺力控制；

溢流阀(9)，用于保持所述气缸(7)下腔气压；

两个止回阀(25)，用于防止所述气缸(7)的上、下腔气体互通。

9.根据权利要求8所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，其特征在于：还包括节流阀(10)，用于调节所述气缸(7)下腔排气流量，间接调节所述气缸(7)下腔气体阻尼系数。

10.根据权利要求1所述的基于机器视觉的机器人智能柔顺打磨执行装置，其特征在于：还包括减震器(34)，安装在所述主轴电机夹具(15)和主轴电机连接板(13)之间，用于抑制打磨过程中产生的机械振动。

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