一种龙门架式智能机加工机器人及智能机加工方法技术

一种龙门架式智能机加工机器人及智能机加工方法，属于智能机加工领域，解决了现有免示教编程型智能机加工机器人因依赖于人工编程而机加工效率较低的问题。本发明专利技术通过在现有龙门架式加工机器人的硬件结构上增设2D视觉传感器、3D视觉传感器、检测轴和接近传感器，在现有龙门架式加工机器人的工业计算机内嵌设标准工件轮廓数据库、加工数据库、图像处理单元、工件轮廓数据比对单元、待三维识别工件扫描顺序及扫描路径规划单元和伺服控制信号生成单元的方式实现了待加工工件的自动辨识、加工任务的自主规划和加工参数规范的自适应调整，进而解决了现有免示教编程型智能机加工机器人因依赖于人工编程而机加工效率较低的问题。

A Gantry-type Intelligent Machining Robot and Intelligent Machining Method

A gantry-type intelligent machining robot and its intelligent machining method belong to the field of intelligent machining. It solves the problem that the existing teaching-free programming intelligent machining robot relies on manual programming and has low machining efficiency. By adding 2D vision sensor, 3D vision sensor, detection axis and proximity sensor to the hardware structure of the existing gantry frame processing robot, the standard workpiece contour database, processing database, image processing unit, workpiece contour data comparison unit, scanning sequence and scanning of workpiece to be identified in three dimensions are embedded in the industrial computer of the existing gantry frame processing robot. The path-tracing planning unit and servo control signal generating unit realize the automatic identification of the workpiece to be processed, the autonomous planning of the processing task and the adaptive adjustment of the processing parameter specification, thus solving the problem of low efficiency of the existing teaching-free programming intelligent machining robot due to its dependence on manual programming.

【技术实现步骤摘要】
一种龙门架式智能机加工机器人及智能机加工方法
本专利技术涉及一种机加工机器人及机加工方法，属于智能机加工领域。
技术介绍
目前，世界正处在新科技革命和产业变革的交汇点上。机器人作为先进制造业的关键支撑装备，是提振实体经济的重要突破口和全球各主要国家战略布局的焦点，成为兼具前瞻性和实用性的前沿科技和朝阳产业。尤其在新一代信息技术突飞猛进的今天，与物联网、云计算、大数据和人工智能技术的深入融合，使得工业机器人在智能制造的大环境中发挥着越来越重要的作用，并对未来相关产业生态、市场格局和工作方式带来前所未有的影响。据国际机器人联盟(IFR)统计数据显示，当前服役的工业机器人中，超半数以上是应用于各类材料加工领域的机器人，包括焊接机器人、切割机器人和磨抛机器人等。不过，加工制造业的核心任务已从传统的扩大规模向如何满足用户的个性化需求、如何为用户提供全流程个性化体验以及如何为用户提供更好的服务方向转变，致使目前实际应用中的示教再现型加工机器人的编程方式难以满足小批量定制化生产的效率要求。因此，研究机器人免示教编程技术并发展新一代具有人工智能行为的智能加工机器人系统已相当迫切。现有用于实现机器人快速化编程的方式主要包括以下三种：方式一：采用高级机器人编程文本语言，例如ABB机器人编程用RAPID语言，FANUC机器人用KAREL语言，YASKAWA机器人用Moto-Plus语言和KUKA机器人用KRL语言。方式二：采用图形化编程语言，如LabVIEW语言；方式三：采用参数化离线编程技术。方式一的各种高级机器人编程文本语言是机器人公司针对各自用户开发的语言平台，不论语法规则和语言形式的区别有多大，其关键特性相似，通俗易懂，然而，这种用于实现机器人快速化编程的方式存在需要对编程员进行培训以及编程效率低的问题。方式二虽然简化了简单任务的编程，但是仍然无法适应工件几何形状和尺寸的多样性，且需要人工编程。方式三可完成复杂路径的任务编程，减少机器人的停机时间，让编程员远离危险的工作环境，但需事先准备机器人系统的三维模型，熟悉机器人离线编程软件，这对企业员工的综合素养提出更高要求，且离线完成的程序仍然需要现场跟踪调试。综上所述，现有的免示教编程型智能机加工机器人因依赖于人工编程而机加工效率较低。
技术实现思路
本专利技术为解决现有免示教编程型智能机加工机器人因依赖于人工编程而机加工效率较低的问题，提出了一种龙门架式智能机加工机器人及智能机加工方法。本专利技术所述的龙门架式智能机加工机器人，包括机加工机器人本体、龙门架、工作台、伺服控制系统和工业计算机，工业计算机通过伺服控制系统对龙门架和机加工机器人本体进行伺服控制；所述智能机加工机器人还包括2D视觉传感器、3D视觉传感器、检测轴和接近传感器；2D视觉传感器和检测轴均设置在龙门架的横梁上，3D视觉传感器设置在检测轴上；接近传感器用于在2D视觉传感器随龙门架移至工作台正上方时，向工业计算机发送高电平信号；2D视觉传感器用于根据工业计算机发来的2D视觉触发信号对工作台上的所有待二维识别工件的整体二维图像进行采集，并将所有待二维识别工件的整体二维图像发送至工业计算机；3D视觉传感器用于根据工业计算机发来的3D视觉触发信号，并在龙门架和检测轴的带动下对每个待三维识别工件的三维图像进行采集，并将每个待三维识别工件的三维图像发送至工业计算机；工业计算机还通过伺服控制系统对检测轴进行伺服控制；工业计算机内嵌设有标准工件轮廓数据库、加工数据库和以下通过软件实现的单元：图像处理单元，用于根据所有待二维识别工件的整体二维图像提取每个待二维识别工件的二维轮廓数据和中心点位置数据，根据每个待三维识别工件的三维图像提取该待三维识别工件的三维轮廓数据，并基于该待三维识别工件的三维轮廓数据提取该待三维识别工件的三维轮廓特征数据；工件轮廓数据比对单元，用于将每个待二维识别工件的二维轮廓数据与标准工件轮廓数据库中的工件二维轮廓数据进行一一比对，将比对成功的待二维识别工件标记为待三维识别工件，并记录每个待三维识别工件的二维轮廓数据匹配度，还用于将每个待三维识别工件的三维轮廓特征数据与标准工件轮廓数据库中的工件三维轮廓特征数据进行一一比对，将比对成功的待三维识别工件标记为待加工工件；待三维识别工件扫描顺序及扫描路径规划单元，用于根据待三维识别工件的二维轮廓匹配度规划待三维识别工件的扫描顺序，根据每个待三维识别工件的二维轮廓数据和已知的工件理论板厚规划该待三维识别工件的扫描路径；伺服控制信号生成单元，用于根据伺服控制系统反馈的龙门架位置数据、已知的2D视觉传感器在龙门架上的位置数据和已知的工作台位置数据生成第一伺服控制信号，根据伺服控制系统反馈的龙门架位置数据和检测轴位置数据、已知的检测轴在龙门架上的位置数据和3D视觉传感器在检测轴上的位置数据、目标待三维识别工件的中心点位置数据和目标待三维识别工件的扫描路径生成第二伺服控制信号，根据加工数据库内与目标待加工工件的三维轮廓特征数据和已知的工件设计材质相匹配的加工数据生成第三伺服控制信号，还用于在所有待二维识别工件或所有待三维识别工件均未比对成功时，生成第四伺服控制信号；第一伺服控制信号～第四伺服控制信号均直接作用于伺服控制系统；第一伺服控制信号用于使2D视觉传感器移至工作台正上方，第二伺服控制信号用于实现目标待三维识别工件的3D扫描，第三伺服控制信号用于实现目标待加工工件的加工，第四伺服控制信号用于使伺服控制系统停止工作。作为优选的是，所述智能机加工机器人还包括图像采集卡，2D视觉传感器和3D视觉传感器均通过图像采集卡与工业计算机相连。作为优选的是，所述智能机加工机器人还包括运动控制卡，工业计算机通过运动控制卡与伺服控制系统相连。作为优选的是，所述智能机加工机器人还包括I/O卡，工业计算机通过I/O卡接收接近传感器发出的高电平信号以及其他的开关量信号。作为优选的是，图像采集卡、运动控制卡和I/O卡均通过PCI总线与工业计算机相连。作为优选的是，所述智能机加工机器人还包括液晶触摸显示屏，液晶触摸显示屏通过串口与工业计算机相连；工业计算机内还嵌设有人机交互单元，基于液晶触摸显示屏实现自身功能，用于录入工件批次信息以及显示待三维识别工件的扫描顺序；工件批次信息包括工件理论板厚和工件设计材质。作为优选的是，工业计算机内还嵌设有视觉触发信号生成单元，用于根据接近传感器发来的高电平信号生成2D视觉触发信号，还用于根据I/O卡在3D视觉传感器移至目标待三维识别工件的正上方时转发来的开关量信号生成3D视觉触发信号。作为优选的是，3D视觉传感器为激光视觉传感器；伺服控制信号生成单元还用于在生成第三伺服控制信号的同时生成第五伺服控制信号；第五伺服控制信号直接作用于伺服控制系统，用于使3D视觉传感器扫描目标待加工工件的加工路径，以导引机加工机器人本体的末端执行器沿加工路径精确作业；视觉触发信号生成单元还用于根据第五伺服控制信号生成3D视觉触发信号。本专利技术所述的智能机加工方法基于所述龙门架式智能机加工机器人实现，包括：S1、采集工件整体二维图像；S2、二维图像处理：根据所有待二维识别工件的整体二维图像提取每个待二维识别工件的二维轮廓数据；S3、二维识别：将每个待二维识别工件的二维轮廓数据与标准工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种龙门架式智能机加工机器人，包括机加工机器人本体、龙门架、工作台、伺服控制系统和工业计算机，工业计算机通过伺服控制系统对龙门架和机加工机器人本体进行伺服控制；其特征在于，所述智能机加工机器人还包括2D视觉传感器、3D视觉传感器、检测轴和接近传感器；2D视觉传感器和检测轴均设置在龙门架的横梁上，3D视觉传感器设置在检测轴上；接近传感器用于在2D视觉传感器随龙门架移至工作台正上方时，向工业计算机发送高电平信号；2D视觉传感器用于根据工业计算机发来的2D视觉触发信号对工作台上的所有待二维识别工件的整体二维图像进行采集，并将所有待二维识别工件的整体二维图像发送至工业计算机；3D视觉传感器用于根据工业计算机发来的3D视觉触发信号，并在龙门架和检测轴的带动下对每个待三维识别工件的三维图像进行采集，并将每个待三维识别工件的三维图像发送至工业计算机；工业计算机还通过伺服控制系统对检测轴进行伺服控制；工业计算机内嵌设有标准工件轮廓数据库、加工数据库和以下通过软件实现的单元：图像处理单元，用于根据所有待二维识别工件的整体二维图像提取每个待二维识别工件的二维轮廓数据和中心点位置数据，根据每个待三维识别工件的三维图像提取该待三维识别工件的三维轮廓数据，并基于该待三维识别工件的三维轮廓数据提取该待三维识别工件的三维轮廓特征数据；工件轮廓数据比对单元，用于将每个待二维识别工件的二维轮廓数据与标准工件轮廓数据库中的工件二维轮廓数据进行一一比对，将比对成功的待二维识别工件标记为待三维识别工件，并记录每个待三维识别工件的二维轮廓数据匹配度，还用于将每个待三维识别工件的三维轮廓特征数据与标准工件轮廓数据库中的工件三维轮廓特征数据进行一一比对，将比对成功的待三维识别工件标记为待加工工件；待三维识别工件扫描顺序及扫描路径规划单元，用于根据待三维识别工件的二维轮廓匹配度规划待三维识别工件的扫描顺序，根据每个待三维识别工件的二维轮廓数据和已知的工件理论板厚规划该待三维识别工件的扫描路径；伺服控制信号生成单元，用于根据伺服控制系统反馈的龙门架位置数据、已知的2D视觉传感器在龙门架上的位置数据和已知的工作台位置数据生成第一伺服控制信号，根据伺服控制系统反馈的龙门架位置数据和检测轴位置数据、已知的检测轴在龙门架上的位置数据和3D视觉传感器在检测轴上的位置数据、目标待三维识别工件的中心点位置数据和目标待三维识别工件的扫描路径生成第二伺服控制信号，根据加工数据库内与目标待加工工件的三维轮廓特征数据和已知的工件设计材质相匹配的加工数据生成第三伺服控制信号，还用于在所有待二维识别工件或所有待三维识别工件均未比对成功时，生成第四伺服控制信号；第一伺服控制信号～第四伺服控制信号均直接作用于伺服控制系统；第一伺服控制信号用于使2D视觉传感器移至工作台正上方，第二伺服控制信号用于实现目标待三维识别工件的3D扫描，第三伺服控制信号用于实现目标待加工工件的加工，第四伺服控制信号用于使伺服控制系统停止工作。...

【技术特征摘要】
1.一种龙门架式智能机加工机器人，包括机加工机器人本体、龙门架、工作台、伺服控制系统和工业计算机，工业计算机通过伺服控制系统对龙门架和机加工机器人本体进行伺服控制；其特征在于，所述智能机加工机器人还包括2D视觉传感器、3D视觉传感器、检测轴和接近传感器；2D视觉传感器和检测轴均设置在龙门架的横梁上，3D视觉传感器设置在检测轴上；接近传感器用于在2D视觉传感器随龙门架移至工作台正上方时，向工业计算机发送高电平信号；2D视觉传感器用于根据工业计算机发来的2D视觉触发信号对工作台上的所有待二维识别工件的整体二维图像进行采集，并将所有待二维识别工件的整体二维图像发送至工业计算机；3D视觉传感器用于根据工业计算机发来的3D视觉触发信号，并在龙门架和检测轴的带动下对每个待三维识别工件的三维图像进行采集，并将每个待三维识别工件的三维图像发送至工业计算机；工业计算机还通过伺服控制系统对检测轴进行伺服控制；工业计算机内嵌设有标准工件轮廓数据库、加工数据库和以下通过软件实现的单元：图像处理单元，用于根据所有待二维识别工件的整体二维图像提取每个待二维识别工件的二维轮廓数据和中心点位置数据，根据每个待三维识别工件的三维图像提取该待三维识别工件的三维轮廓数据，并基于该待三维识别工件的三维轮廓数据提取该待三维识别工件的三维轮廓特征数据；工件轮廓数据比对单元，用于将每个待二维识别工件的二维轮廓数据与标准工件轮廓数据库中的工件二维轮廓数据进行一一比对，将比对成功的待二维识别工件标记为待三维识别工件，并记录每个待三维识别工件的二维轮廓数据匹配度，还用于将每个待三维识别工件的三维轮廓特征数据与标准工件轮廓数据库中的工件三维轮廓特征数据进行一一比对，将比对成功的待三维识别工件标记为待加工工件；待三维识别工件扫描顺序及扫描路径规划单元，用于根据待三维识别工件的二维轮廓匹配度规划待三维识别工件的扫描顺序，根据每个待三维识别工件的二维轮廓数据和已知的工件理论板厚规划该待三维识别工件的扫描路径；伺服控制信号生成单元，用于根据伺服控制系统反馈的龙门架位置数据、已知的2D视觉传感器在龙门架上的位置数据和已知的工作台位置数据生成第一伺服控制信号，根据伺服控制系统反馈的龙门架位置数据和检测轴位置数据、已知的检测轴在龙门架上的位置数据和3D视觉传感器在检测轴上的位置数据、目标待三维识别工件的中心点位置数据和目标待三维识别工件的扫描路径生成第二伺服控制信号，根据加工数据库内与目标待加工工件的三维轮廓特征数据和已知的工件设计材质相匹配的加工数据生成第三伺服控制信号，还用于在所有待二维识别工件或所有待三维识别工件均未比对成功时，生成第四伺服控制信号；第一伺服控制信号～第四伺服控制信号均直接作用于伺服控制系统；第一伺服控制信号用于使2D视觉传感器移至工作台正上方，第二伺服控制信号用于实现目标待三维识别工件的3D扫描，第三伺服控制信号用于实现目标待加工工件的加工，第四伺服控制信号用于使伺服控制系统停止工作。2.如权利要求1所述的龙门架式智能机加工机器人，其特征在于，所述智能机加工机器人还包括图像采集卡，2D视觉传感器和3D视觉传感器均通过图像采集卡与工业计算机相连。3.如权利要求2所述的龙门架式智能机加工机器人，其特征在于，所述智能机加工机器人还包括运动控制卡，工业计算机通过运动控制卡与伺服控制系统相连。...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰虎，张华军，鄂世举，王静，田景红，张卫，邵金均，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33