PL226842B1 - System bezkolizyjnej obróbki wobrabiarce CNC - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest system bezkolizyjnej obróbki w obrabiarce CNC wykorzystujący kamery do identyfikowania i rozpoznawania położenia przedmiotów w przestrzeni roboczej obrabiarki CNC.

Współczesne obrabiarki CNC, dzięki zastosowaniu coraz nowszych i wytrzymalszych materiałów oraz dużej mocy napędów mogą osiągać znaczne wartości przyspieszeń i prędkości posuwu narzędzia podczas obróbki i ruchów ustawczych. Są to urządzenia o skomplikowanej kinematyce i wykonujące znaczną ilość obliczeń trajektorii i analiz stanów dynamicznych. Niestety w wyniku błędów obsługi łatwo doprowadzić do kolizji wewnątrz przestrzeni roboczej obrabiarki czego skutkiem może być na przykład utrata geometrii lub trwałe uszkodzenia podzespołów. Obrabiarki CNC zazwyczaj są zabezpieczone przed kolizjami z elementami stałymi na przykład elementami korpusów, czy obudową magazynu narzędzi. Nie istnieją natomiast zabezpieczenia uwzględniające przedmioty montowane na stole obrabiarki lub zapobiegające błędnym decyzjom operatora, na przykład użycie niewłaściwego narzędzia lub pomyłka podczas ruchów manualnych. Jedyna informacja przesyłana do programu obróbki odnosząca się do przedmiotu obrabianego, to położenie jego układu bazowego, uzyskiwane poprzez manualny pomiar sondą stykową.

W ostatnich latach obserwuje się znaczny rozwój układów optycznych, stosowanych w produkcji i przemyśle do pomiarów i nadzoru. Najbardziej zaawansowane okazują się być układy stereowizyjne do trójwymiarowego skanowania geometrii i dokonywania pomiarów, na podstawie tylko obrazów uzyskanych z kamer. Urządzenia te uzyskują bardzo duże dokładności dorównujące klasycznym maszynom współrzędnościowym, oferując jednocześnie znacznie szybsze pomiary geometrii niż pomiary manualne. Inną grupę tych urządzeń stanowią skanery, działające w oparciu o projekcję wzorców strukturalnych na skanowanej powierzchni i obserwację ich przebiegu przez kamery. Analiza obrazów oświetlanego wzorcem przedmiotu pozwala w czasie jednej sekwencji uzyskać informacje o kształcie i gabarytach skanowanego przedmiotu.

Znane są powszechnie systemy skanowania trójwymiarowego oraz systemy do obliczeń fotogrametrycznych, jednak ich zastosowanie ogranicza się do odtwarzania pełnej lub niepełnej geometrii przedmiotu (tzw. inżynieria odwrotna) w celu uzyskania komputerowych modeli trójwymiarowych lub w celu dokonania pomiarów i sprawdzenia błędów geometrycznych rzeczywistego przedmiotu. Otrzymany model trójwymiarowy jest związany jedynie z lokalnym układem odniesienia związanym na stałe z systemem skanowania i nieokreślonym względem żadnej przestrzeni rzeczywistej, np.: absolutnym układem odniesienia dla przestrzeni roboczej maszyny współrzędnościowej. Znane są powszechnie systemy skanowania wizyjnego w zastosowaniach przemysłowych, ale służące jedynie do skanowania geometrii przedmiotu i sprawdzania zgodności z modelem wirtualnym lub do tworzenia wirtualnych modeli z gotowych form przemysłowych lub użytkowych.

Z opisów patentowych KR20100090458, US2005222705, US2007050089 oraz KR20090059751 znane jest wykorzystanie kamer wizyjnych do analizowania dwuwymiarowej przestrzeni do detekcji obrysu przedmiotu obrabianego, wykrywania otworów lub uszkodzonych narzędzi obróbkowych. Z patentu DE4327250 znane jest rozwiązanie, polegające na pomiarze współrzędnych za pomocą stykowej sondy pomiarowej, której koniec znajduje się stale w polu widzenia kamery zamocowanej nieruchomo na głowicy pomiarowej. Funkcją kamery jest jedynie monitorowanie względnego położenia sondy i powierzchni mierzonej w celu dokonania płynnego i bezpiecznego dojazdu do powierzchni. System ten nie rozpoznaje geometrii całego przedmiotu mierzonego w trzech wymiarach, ani nie ustala położenia przedmiotu względnie maszynowego układu współrzędnych. Patent US6728582 opisuje metodę pozyskiwania przybliżonego położenia przedmiotu obrabianego za pomocą szacowania metodami statystycznymi. Według opisu metoda opiera się na porównywaniu obrazu z kamer z ustalonymi wzorcami przedmiotów w procesie nauczania. Metoda nie pozwala jednoznacznie określić położenia i pełnej geometrii dowolnego przedmiotu umieszczonego w przestrzeni roboczej maszyny po raz pierwszy i nie przynosi rezultatów w przypadku obróbki precyzyjnej. System nie jest zintegrowany z programem obróbkowym maszyny CNC. Do pomiarów geometrii i bazowania układów współrzędnych przedmiotu na maszynach CNC wykorzystywane są specjalne głowice skanujące techniką stykową, sterowane manualnie przez operatora. Znana jest ze zgłoszenia patentowego P.393943 maszyna CNC, zwłaszcza obrabiarka lub pomiarowa maszyna współrzędnościowa, wyposażona w optyczny system skanowania wizyjnego, sprzężonego z układem sterowania CNC maszyny, która charakteryzuje się tym, że ma skalibrowany układ do wyznaczania bazowego układu odniesienia

PL 226 842 B1 dla programu obróbkowego lub pomiarowego detalu, składający się z co najmniej jednej kamery oraz co najmniej jednego źródła oświetlenia strukturalnego i stołu obrotowego lub więcej niż dwóch kamer oraz więcej niż dwóch źródeł oświetlenia strukturalnego. Kamery i źródło światła zamocowane są bezpośrednio do elementów stałych lub ruchomych maszyny CNC. Znane jest stosowanie kodów kreskowych na narzędziach obróbkowych w celu odczytania przed obróbką wcześniej zmierzonych i zapisanych w komputerze obrabiarki parametrów narzędzia. Znane są również metody pomiaru parametrów narzędzia za pomocą bramki laserowej lub kamery, ale polegają one na analizie cienia narzędzia, obrysu narzędzia lub światła odbitego przez tylko jedną kamerę, przez co nie jest możliwe odtworzenie pełnej geometrii narzędzia. Ze zgłoszenia patentowego WO2006079617 znane jest urządzenie i sposób do kalibracji położenia punktu środkowego narzędzia robota przemysłowego. Urządzenie jest przeznaczone do kalibracji robota przemysłowego w stosunku do narzędzia zamontowanego w końcówce robota. Urządzenie składa się z kamery, która ma na celu rejestrację wielu obrazów obejmujących, co najmniej część narzędzia robota w wielu różnych położeniach oraz jednostki przetwarzania obrazu, modułu obliczeniowego do obliczenia położenia punktu środkowego narzędzia robota w oparciu o analizę zarejestrowanych obrazów, a także moduł sterujący przystosowany do obliczania korekt orientacji narzędzia w systemie sterowania robotem. Rozwiązanie to dotyczy tylko kalibracji robota, przy wykorzystaniu tylko jednej kamery, której pozycja względem robota nie jest ujawniona.

Nie jest znane zastosowanie skanerów 3D przy obrabiarkach CNC w celu lokalizowania i identyfikacji przedmiotów w przestrzeni roboczej maszyny, na przykład uchwytów obróbkowych, mogących stanowić obiekty kolizyjne dla narzędzia obróbkowego podczas procesu obróbki. Nie jest znane również połączenie systemu skanowania 3D z układem sterowania obrabiarki CNC w celu zaplanowania i zmodyfikowania kodu wynikowego do obróbki tak, aby narzędzie poruszało się w bezpiecznej odległości od wszystkich przedmiotów kolizyjnych dla narzędzia, m.in. uchwytów obróbkowych, powierzchni stołu lub zainstalowanych dodatkowych przyrządów pomiarowych, podczas ruchów ustawczych lub obróbkowych.

System bezkolizyjnej obróbki w obrabiarce CNC, według wynalazku, wyposażonej w skalibrowany układ stereowizyjny, zawierający co najmniej dwie kamery połączone z komputerem, który połączony jest z układem sterowania maszyny CNC, charakteryzuje się tym, że skalibrowany układ stereowizyjny ma co najmniej trzy markery i identyfikator graficzny, usytuowane na obiektach kolizyjnych i co najmniej trzy markery i identyfikator graficzny, usytuowane na stole oraz co najmniej dwie kamery usytuowane tak, aby widziały obiekty kolizyjne znajdujące się na stole. System ma komputer wyposażony w bazę zawierającą dane o położeniu markerów na obiektach kolizyjnych oraz moduł, który ustala położenia obiektów kolizyjnych i przesyła informacje o nich do układu sterowania obrabiarki CNC. Baza zawiera modele obiektów kolizyjnych utworzone z wykorzystaniem projektora światła strukturalnego, który wyświetla światło strukturalne generowane przez komputer i tworzy, z co najmniej jedną kamerą układu, albo dodatkową kamerą układ do skanowania trójwymiarowego. Projektor światła strukturalnego może być umieszczony w przestrzeni roboczej obrabiarki albo poza nią. Baza może także zawierać modele CAD obiektów kolizyjnych utworzone wcześniej poza układem.

Zasada działania sytemu polega na tym, że skalibrowany układ stereowizyjny, kalibruje się względem lokalnego układu odniesienia utworzonego na podstawie zestawu markerów zamocowanych na obrabiarce w znanych położeniach względem układu maszynowego obrabiarki. Markery są wyszukiwane na poszczególnych płaskich obrazach, uzyskanych z kamer, z dokładnością subpikselową, następnie są rekonstruowane w przestrzeni trójwymiarowej przy pomocy obliczeń fotogrametrycznych. Za pomocą identyfikatorów graficznych identyfikuje się przedmioty znajdujące się w przestrzeni roboczej maszyny CNC. Następnie przeprowadza się transformację układu lokalnego w układ maszynowy. Znając te transformacje, przy pomocy układu stereowizyjnego ustala się pozycję markerów naniesionych na każdy z przedmiotów i porównuje się pozycję tych markerów z danymi z wcześniej utworzonej bazy, zawierającej dane o położeniu markerów na identyfikowanym przedmiocie, w celu ustalenia ich położenia względem układu maszynowego. Wykonuje się proces optymalnego dopasowania zidentyfikowanego zestawu markerów, należących do przedmiotu do zestawu markerów zapisanego w bazie modeli. Dopasowanie polega na przykład: na iteracyjnej minimalizacji odległości obu zestawów markerów i na znalezieniu wzajemnej macierzy translacji i rotacji, przekształcającej jeden zestaw w drugi. Następnie tworzy się plan ulokowania trójwymiarowego modelu przestrzeni roboczej w układzie odniesienia obrabiarki i określa się obszar bezpieczeństwa dla ruchów narzędzia obrabiarki poprzez porównanie ścieżki obróbki z położeniem przedmiotów kolizyjnych i modyfikuje się program obróbki o nowe, bezkolizyjne komendy przejazdu narzędzia. Przestrzeń robocza dla ruchu

PL 226 842 B1 narzędzia zostaje ograniczona w taki sposób, aby narzędzie nie wchodziło w kolizję z żadnym z punktów należących do chmury reprezentującej ulokowane na maszynie obiekty kolizyjne lub nie zbliżyło się do chmury punktów o określony przez operatora margines bezpieczeństwa. Bazę zawierającą dane o przedmiocie tworzy się z wykorzystaniem dodatkowego projektora światła strukturalnego, który wyświetla światło strukturalne generowane przez komputer dodatkowej kamery, skalibrowanych tymi samymi metodami, tworzących zewnętrzny niezależny od obrabiarki CNC układ do skanowania trójwymiarowego.

Korzystnie projektor światła strukturalnego instaluje się na obrabiarce CNC, kalibruje względem lokalnego układu odniesienia i przy pomocy, co najmniej jednej z kamer skanuje się przestrzeń roboczą obrabiarki CNC i znajdujące się w niej przedmioty kolizyjne.

Zaletą wynalazku jest znaczna poprawa bezpieczeństwa pracy maszyny w czasie obróbki, szczególnie podczas wykonywania przejazdów ustawczych z dużymi prędkościami posuwu, np.: podczas dojazdu narzędzia do punktu referencyjnego lub dojazdu narzędzia do materiału, gdzie ewentualna kolizja na przykład z uchwytem obróbkowym mogłaby spowodować poważne uszkodzenia obrabiarki CNC, między innymi utratę geometrii prowadnic osi obrabiarki i konieczność bardzo kosztownego serwisowania. Znajomość położenia i geometrii przestrzeni roboczej maszyny pozwala lepiej zaplanować ruchy narzędzia w czasie obróbki, szczególnie w przypadku detali częściowo obrobionych o skomplikowanej geometrii, wymagających częstego przestawiania w uchwytach i skomplikowanego systemu wielopunktowego mocowania. Każda operacja zmiany sposobu mocowania przedmiotu obrabianego i automatyczna identyfikacja geometrii przestrzeni roboczej wprowadza stosowne zmiany w trajektorii narzędzia obróbkowego i pozwala zaoszczędzić całkowity czas obróbki i znacznie zwiększyć bezpieczeństwo pracy maszyny.

Rozwiązanie według wynalazku bliżej opisane jest w przykładach oraz na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia schematycznie maszynę CNC wyposażoną w system stereowizyjny oraz przedmiot obrabiany zamocowany w uchwytach obróbkowych na stole obrabiarki CNC, fig. 2 przedstawia schematycznie procedurę kalibracji systemu stereowizyjnego, przy pomocy markerów i tablicy kalibracyjnej, względem maszyny CNC, prowadząca do możliwości wyrażenia koordynatów szukanego punktu P w maszynowym układzie odniesienia M, fig. 3 przedstawia rozwiązanie z dodatkowym projektorem światła strukturalnego do skanowania geometrii przedmiotów kolizyjnych, w tym narzędzia, a fig. 4 przedstawia rozwiązanie z zewnętrznym niezależnym układem do skanowania geometrii obiektów kolizyjnych.

P r z y k ł a d 1

System bezkolizyjnej obróbki w obrabiarce CNC ma skalibrowany układ stereowizyjny zawierający dwie kamery K1, K2 oraz markery M1, M2 i identyfikatory graficzne C, połączony jest z komputerem 5, który połączony jest z układem sterowania maszyny CNC 6. Na uchwyty 2 oraz przygotówkę 1 oraz stół 3 naniesione zostają po trzy markery M1 w postaci białych okręgów na czarnym tle oraz po jednym kodzie paskowym C. Markery M2 naniesione na stół obrabiarki mają położenie dobrze znane lub łatwe do określenia względem maszynowego układu odniesienia M obrabiarki i które wyznaczają kierunki osi obrabiarki i tworzą lokalny układ odniesienia M. Przy pomocy zewnętrznego skanera 3D działającego na zasadzie projekcji światła strukturalnego, skanuje się geometrię uchwytów 2, przygotówki 1 oraz stołu 3. Geometria w postaci chmury punktów z zaznaczonymi pozycjami markerów zapisana zostaje w komputerze 5 do bazy obiektów kolizyjnych pod nazwą określoną przez kod paskowy C. Przy pomocy tablicy kalibracyjnej CB i dzięki obserwacji przebiegu zniekształceń wzorca nadrukowanego na tą tablicę kalibruje się układ stereowizyjny do skanowania trójwymiarowego składający się z dwóch kamer K1, K2 połączonych z komputerem 5 i wyznacza się pozycje i parametry optyki obu kamer względem układu odniesienia S, przyjętego do kalibracji i związanego z tablicą kalibracyjną. Tak skalibrowany układ stereowizyjny umieszcza się w obudowie obrabiarki, tak by możliwa była obserwacja stołu obrabiarki 3 oraz umieszczonych na nim uchwytów 2 i przedmiotu obrabianego 1 z obu kamer K1, K2. System stereowizyjny wyznacza najpierw pozycje markerów M2 naniesionych na stół we własnym lokalnym układzie odniesienia S. Na podstawie tych pozycji, oraz znajomości położenia markerów na stole określa się całkowitą relację między układem odniesienia S układu stereowizyjnego i układem obrabiarki M. Od tego momentu odpowiednie transformacje koordynatów 3D otrzymanych z układu stereowizyjnego zostają przedstawione w maszynowym układzie obrabiarki. System jest skalibrowany do właściwego działania. Parametry narzędzia obróbkowego są mierzone za pomocą zewnętrznej sondy narzędziowej lub ustawiaka. Uchwyt 2 wraz z przygotówką 1 zamocowany zostaje na stole 3 obrabiarki. System fotogrametryczny poszukuje na zdjęciach kodów

PL 226 842 B1 paskowych C i markerów M1, a następnie odczytuje kod i identyfikuje przedmioty według utworzonej bazy uchwytów. Wyznaczone zostają na zdjęciach pozycje środków markerów M1. Następnie system stereowizyjny korzystając z obliczeń fotogrametrycznych wyznacza dokładne pozycje środków markerów M1 w przestrzeni trójwymiarowej. Pozycje zidentyfikowanych markerów M1 przedstawione są po kalibracji w maszynowym układzie odniesienia M i służą do dopasowania modelu 3D przedmiotów zapisanych wcześniej w bazie do przestrzeni roboczej obrabiarki. Tym samym określona zostaje przestrzeń, którą fizycznie zajmuje dany przedmiot. Operator obrabiarki deklaruje minimalny dystans, na który narzędzie może zbliżyć się do przestrzeni zajętej przez przedmioty kolizyjnego i tym samym określony zostaje obszar bezpieczeństwa dookoła przedmiotów. Odpowiedni algorytm rozpoznaje ścieżki kolizyjne w głównym programie obróbki, gdzie narzędzie 4 może wejść w przestrzeń zajętą przez przygotówkę 1, uchwyt 2 lub stół 3 z uwzględnieniem marginesu bezpieczeństwa i program obróbki detalu zostaje zmodyfikowany o nowe komendy przejazdu narzędzia 4 w bezpiecznej odległości od tych przedmiotów kolizyjnych. Uruchomiona zostaje obróbka.

P r z y k ł a d 2

System jak w przykładzie 1, z tym, że baza zawiera modele obiektów kolizyjnych 1, 2 utworzone z wykorzystaniem projektora światła strukturalnego P1 zainstalowanego na maszynie CNC. Projektor P1 wyświetla światło strukturalne generowane przez komputer 5 i zamocowany jest w taki sposób, aby oświetlał całą przestrzeń roboczą maszyny CNC. Projektor P1 i kamera K1 lub kamera K2 tworzą układ do skanowania trójwymiarowego pełnej geometrii. W uchwycie maszyny CNC zamocowane jest nowe narzędzie 4 o nieznanej geometrii oznaczone tylko kodem paskowym C. Projektor P1 oświetla światłem strukturalnym narzędzie 4, a kamera K1 lub kamera K2 rejestruje jego przebieg. Obrazy przesyłane są do komputera 5, gdzie na podstawie danych z kalibracji odtwarza się geometrię narzędzia, wyznacza parametry narzędzia, takie jak wysięg i średnica, i zapisuje w bazie obiektów kolizyjnych 1, 2. Informacja o parametrach i geometrii narzędzia 4 wykorzystana jest przy planowaniu bezkolizyjnych trajektorii i jednocześnie przesyłana jest do układu sterowania maszyną CNC w celu wprowadzenia całkowitej korekty trajektorii o długość i średnice narzędzia 4.

P r z y k ł a d 3

System jak w przykładzie 1, z tym, że baza obiektów kolizyjnych powstaje poprzez wprowadzenie do pamięci komputera modeli CAD przedmiotów kolizyjnych 1, 2, uwzględniających położenie markerów M1 na tych modelach. Markery M1 są trwale nanoszone na obiekty kolizyjne 1, 2 w czasie ich produkcji lub później za pomocą innej obrabiarki i wypozycjonowane za pomocą maszyny współrzędnościowej.

P r z y k ł a d 4

System jak w przykładzie 1, z tym, że baza zawiera modele obiektów kolizyjnych 1, 2 utworzone z wykorzystaniem projektora światła strukturalnego P1 umieszczonego poza przestrzenią roboczą maszyny CNC oraz kamery K3. Projektor (P1) wyświetla na uchwycie 2 światło strukturalne generowane przez komputer 5, a kamera (K3) rejestruje jego przebieg i przesyła obrazy do komputera 5, gdzie na podstawie danych z kalibracji odtwarza się geometrię uchwytu 2. Zeskanowany uchwyt obróbkowy 2 z zaznaczonymi pozycjami markerów M1 zapisany zostaje w komputerze 5 w bazie obiektów kolizyjnych.

Claims (3)

1. System bezkolizyjnej obróbki w obrabiarce CNC wyposażonej w skalibrowany układ stereowizyjny, zawierający co najmniej dwie kamery, połączony z komputerem, który połączony jest z układem sterowania maszyny CNC, znamienny tym, że skalibrowany układ stereowizyjny ma co najmniej trzy markery (M1) i identyfikator graficzny (C) usytuowane na obiektach kolizyjnych (1, 2) i co najmniej trzy markery (M2) i identyfikator graficzny (C) usytuowane na stole (3) oraz kamery (K1, K2) usytuowane tak, aby widziały obiekty kolizyjne (1, 2) znajdujące się na stole (3), a komputer (5) wyposażony jest w bazę zawierającą dane o położeniu markerów (M1) na obiektach kolizyjnych (1, 2) oraz moduł, który ustala położenia obiektów kolizyjnych (1, 2) i przesyła informacje o nich do układu sterowania obrabiarki CNC (6).

2. System według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że baza zawiera modele obiektów kolizyjnych (1, 2) utworzone z wykorzystaniem projektora światła strukturalnego (P1), który wyświetla światło strukturalne generowane przez komputer (5) i tworzy z co najmniej jedną

PL 226 842 B1 kamerą (K1) albo (K2) albo dodatkową kamerą (K3) układ do skanowania trójwymiarowego, przy czym projektor światła strukturalnego (P1) umieszczony jest w przestrzeni roboczej obrabiarki albo poza nią.

3. System według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że baza zawiera modele CAD obiektów ko-