一种激光加工中三维零件标定系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光加工中三维零件标定系统及方法，系统包括机械手、机械手末端法兰、振镜系统、旁轴安装板、工业相机、待加工零件和试刻靶标；振镜系统通过机械手末端法兰安装在机械手上；振镜系统通过旁轴安装板与工业相机按旁轴方式安装在一起；待加工零件、试刻靶标均分别固定在工作台面上，位于工业相机下部。采用本发明专利技术中的标定系统与方法，对工业相机与振镜的安装无需严格的机械装夹定位；解决了激光三维零件加工中零件找位困难的问题；只需将三维零件基准面与工作台面重合放置，机械手引导工业相机自动实现零件找位，效率高，精度有保障。

A calibration system and method for 3D parts in laser processing

The invention discloses a calibration system and method for three-dimensional parts in laser processing, which comprises a manipulator, a manipulator end flange, a galvanometer system, a paraxial mounting plate, an industrial camera, parts to be processed and a test target; a galvanometer system is mounted on a manipulator through a manipulator end flange; a galvanometer system is mounted through a paraxial shaft; The plate and the industrial camera are mounted together by the side axle, and the parts to be processed and the target to be carved are fixed on the working table respectively, which are located at the lower part of the industrial camera. By adopting the calibration system and method of the invention, the installation of the industrial camera and the galvanometer need not be strictly positioned by mechanical clamping; the difficult problem of locating the parts in the laser three-dimensional parts processing is solved; only the datum plane of the three-dimensional parts and the working table surface are overlapped and placed, and the manipulator guides the industrial camera to locate the parts automatically and effectively. The rate is high and the accuracy is guaranteed.

【技术实现步骤摘要】
一种激光加工中三维零件标定系统及方法
本专利技术属于激光加工
，涉及一种三维零件标定系统及方法，特别涉及一种通过视觉定位，引导装夹在机械手末端的激光振镜系统，实现三维零件定位加工的系统方法。
技术介绍
在激光加工领域，常常利用机械手的多自由度特性，将激光振镜加工系统安装在机械手末端，对零件进行刻蚀、切割等加工。三维零件的激光加工主要针对三维零件的表面进行刻蚀等加工。使用振镜控制系统实现三维零件的表面加工，需要借助六自由度机械手和多轴联动机床等运动控制设备调整零件或振镜系统的位置和姿态。位置和姿态调整的关键在于计算出零件和振镜加工系统之间的位置和姿态关系。即将零件的坐标转换为振镜加工系统坐标系中的坐标。三维零件表面的加工，首先需要对零件进行装夹定位。目前，零件的定位大多数情况靠机械夹具定位。机械手通过示教器调整振镜加工系统的位置和姿态，手工对零件中的定位点进行试加工找位，比如红光模拟加工等。目测找位成功后，在示教器中保存当前机械手的位置和姿态信息。根据零件表面上任意点与零件中的定位点之间的关系，可以将零件任意点的坐标与姿态信息转换为机械手的末端坐标和姿态信息，驱动机械手，控制振镜系统的位置和姿态，使其与待加工位置的姿态一致，这样就可以实现零件的加工。下一个零件加工时，靠机械装夹定位保证零件与机械手的位置和姿态关系保持不变，从而维持零件的加工精度。但是，若零件不具备机械装夹条件，比如无法承受较大的装夹作用力(如塑料零件)，或零件较大、较重，很难进行位置调整使其刚好满足机械定位条件时，将很难或无法实现装夹定位；其次，试刻加工时，主要靠目测实现零件的找位，存在较大的不确定性和一致性，这会直接影响零件的定位精度，从而影响加工精度。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种三维零件标定系统及方法，该方法采用视觉系统对零件进行定位，通过一系列的自动视觉定位与计算，实现零件的非接触自动定位，将零件的三维坐标与位姿信息转换到机械手坐标系中，从而实现振镜系统的三维零件表面加工。本专利技术的系统所采用的技术方案是：一种激光加工中三维零件标定系统，其特征在于：包括机械手、机械手末端法兰、振镜系统、旁轴安装板、工业相机、待加工零件和试刻靶标；所述振镜系统通过所述机械手末端法兰安装在所述机械手上；所述振镜系统通过所述旁轴安装板与所述工业相机按旁轴方式安装在一起；所述待加工零件、试刻靶标均分别固定在工作台面上，位于所述工业相机下部。本专利技术的方法所采用的技术方案是：一种激光加工中三维零件标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对工业相机(5)进行标定，得到相机的焦距、镜头畸变系数及主点坐标；步骤2：建立工业相机(5)的相机坐标系Oc-XcYcZc，建立振镜系统(3)的振镜坐标系OL-XLYLZL；其中，Oc表示相机光心，OcZc与相机光轴重合，OcXc平行于相机像元水平方向，OcYc平行于相机像元垂直方向；OL表示振镜光心，OLZL与振镜光轴重合，OLXL沿振镜系统的X方向，OLYL沿振镜系统的Y方向；步骤3：在振镜下方放置试刻靶标，使试刻靶标位于振镜视野范围内，调整机械手(1)的位置，使得试刻靶标位于振镜的焦平面上；步骤4：根据试刻靶标的材料特性，在激光振镜加工系统中调整激光加工功率、速度、频率等激光加工工艺参数，使得激光能够在试刻靶标上清晰的刻蚀出圆形图案，并且在工业相机中能够清晰成像；启动振镜系统(3)，在试刻靶标上刻蚀圆阵列图案，圆阵列的行列数值尽可能大，但不能超出工业相机(5)的幅面，记下圆阵列中各个圆的圆心在振镜坐标系OL-XLYLZL下的坐标，用序列{(XLi,YLi,0)}表示；步骤5：记下此时机械手(1)的位置和姿态信息PS1；步骤6：移动机械手(1)，使试刻靶标上的圆阵列全部位于工业相机(5)的视野中，并位于相机的焦平面；步骤7：记下此时机械手(1)的位姿信息PS2；步骤8：工业相机(5)对试刻靶标上的圆阵列拍照获取图像，得到圆阵列中的圆心像素坐标，得到圆阵列的圆心在相机坐标系下的坐标，记为坐标序列{(XCi,YCi,0)}；步骤9：采用矩阵向量MCL表示振镜坐标系和相机坐标系间的位置关系，即利用的旁轴视觉引导与振镜系统标定方法，得到矩阵向量MCL；步骤10：在振镜下方放置新的试刻靶标，调整机械手(1)，使机械手末端法兰平面坐标系与试刻靶标平面平行，让振镜的中心轴与试刻靶标垂直；步骤11：启动振镜系统(3)，在新的试刻靶标上刻蚀与步骤4中一样的圆形阵列图案，并在圆形阵列的最低一行所在边线的延长线上以同等阵列间距补刻一个相同大小的圆，阵列大小应保证所有圆及补刻的圆均能被相机视野所包括。设补刻的圆的圆心为B,所在的行的另外一端的圆的圆心为OL，OL所在列的另外一端的圆的圆心为A；振镜光轴与机械手末端法兰(2)中心并不重合，存在偏心，记为(Tx,Ty)；振镜的X、Y轴与机械手末端法兰平面坐标系的X、Y轴并不平行，存在夹角θ；步骤12：保证新的试刻靶标位置不变，调整机械手(1)，使机械手末端法兰(2)旋转180度，再次在新的试刻靶标上刻蚀与步骤11一样的图案，得到基于机械手末端法兰平面坐标系原点对称的圆阵列；步骤13：调整机械手(1)，平移工业相机(5)的镜头，使试刻靶标上刻蚀的圆形阵列均在相机视野范围内，得到所有圆心在相机坐标系下的坐标{(xli,yli)}及{(x′li,y′li)}，及求所有坐标的均值，得到机械手末端法兰原点在相机坐标系下的坐标(T‘x,T’y)，由MCL矩阵，转换为振镜坐标系下的坐标；步骤14：由步骤11定义的圆心A、B、OL三点在相机坐标系下的坐标，求得旋转角θ，求出振镜坐标系与机械手末端法兰平面坐标系之间的关系矩阵；步骤15：将待加工零件摆放在工作台面上，让待加工零件的基准平面与系统的工作台面重合；步骤16：在平行于待加工零件的基准平面的某一面上有若干定位特征孔，定位特征孔的端面位于同一平面，且与加工基准面平行；设这些定位特征孔在待加工零件坐标系下的坐标为P1、P2、…、PN；步骤17：移动机械手(1)，使定位特征孔逐一位于工业相机的视野范围内，拍照获取特征孔图像，得到其圆心坐标，并计算得到待加工零件上特征孔在相机坐标系下的坐标序列，根据相机坐标系与机械手末端法兰平面坐标系的关系矩阵MCL，得到待加工零件特征孔在机械手末端法兰平面坐标系下的坐标{(XRi,YRi,ZRi)}；步骤18：采用矩阵向量MPR表示待加工零件坐标系和机械手末端法兰平面坐标系间的位置关系，即由于已知特征孔在待加工零件坐标系下的坐标，记为{(XPi,YPi,ZPi)}，计算得到了特征孔在机械手末端法兰平面坐标系下的坐标{(XRi,YRi,ZRi)}，由LM优化算法获得MPR；步骤19：对于零件上的任意一点P0、由关系矩阵MPR计算得到其在机械手末端法兰平面坐标系下的坐标，从而实现三维零件的激光加工。相对于现有技术，本专利技术的有益效果是：本专利技术采用非接触式自动视觉定位与计算，将零件的三维坐标与位姿信息转换到机械手末端法兰平面坐标系中，从而引导振镜系统实现三维零件表面加工。采用本专利技术中的系统标定方法，加工前，只需要一次标定，对所有零件都适用；加工时，只需要对零件上的特征孔或其他特征点进行视觉定位，通过一些本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光加工中三维零件标定系统，其特征在于：包括机械手(1)、机械手末端法兰(2)、振镜系统(3)、旁轴安装板(4)、工业相机(5)、待加工零件(6)和试刻靶标；所述振镜系统(3)通过所述机械手末端法兰(2)安装在所述机械手(1)上；所述振镜系统(3)通过所述旁轴安装板(4)与所述工业相机(5)按旁轴方式安装在一起；所述待加工零件(6)、试刻靶标均分别固定在工作台面上，位于所述工业相机(5)下部。

【技术特征摘要】
1.一种激光加工中三维零件标定系统，其特征在于：包括机械手(1)、机械手末端法兰(2)、振镜系统(3)、旁轴安装板(4)、工业相机(5)、待加工零件(6)和试刻靶标；所述振镜系统(3)通过所述机械手末端法兰(2)安装在所述机械手(1)上；所述振镜系统(3)通过所述旁轴安装板(4)与所述工业相机(5)按旁轴方式安装在一起；所述待加工零件(6)、试刻靶标均分别固定在工作台面上，位于所述工业相机(5)下部。2.一种激光加工中三维零件标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对工业相机(5)进行标定，得到相机的焦距、镜头畸变系数及主点坐标；步骤2：建立工业相机(5)的相机坐标系Oc-XcYcZc，建立振镜系统(3)的振镜坐标系OL-XLYLZL；其中，Oc表示相机光心，OcZc与相机光轴重合，OcXc平行于相机像元水平方向，OcYc平行于相机像元垂直方向；OL表示振镜光心，OLZL与振镜光轴重合，OLXL沿振镜系统的X方向，OLYL沿振镜系统的Y方向；步骤3：在振镜下方放置试刻靶标，使试刻靶标位于振镜视野范围内，调整机械手(1)的位置，使得试刻靶标位于振镜的焦平面上；步骤4：调整激光加工工艺参数，使得激光能够在试刻靶标上清晰的刻蚀出圆形图案，并且在工业相机中能够清晰成像；启动振镜系统(3)，在试刻靶标上刻蚀圆阵列图案，圆阵列的行列数值尽可能大，但不能超出工业相机(5)的幅面，记下圆阵列中各个圆的圆心在振镜坐标系OL-XLYLZL下的坐标，用序列{(XLi,YLi,0)}表示；步骤5：记下此时机械手(1)的位置和姿态信息PS1；步骤6：移动机械手(1)，使试刻靶标上的圆阵列全部位于工业相机(5)的视野中，并位于相机的焦平面；步骤7：记下此时机械手(1)的位姿信息PS2；步骤8：工业相机(5)对试刻靶标上的圆阵列拍照获取图像，得到圆阵列中的圆心像素坐标，得到圆阵列的圆心在相机坐标系下的坐标，记为坐标序列{(XCi,YCi,0)}；步骤9：采用矩阵向量MCL表示振镜坐标系和相机坐标系间的位置关系，即利用的旁轴视觉引导与振镜系统标定方法，得到矩阵向量MCL；步骤10：在振镜下方放置新的试刻靶标，调整机械手(1)，使机械手末端法兰平面坐标系与试刻靶标平面平行，让振镜的中心轴与试刻靶标垂直；步骤11：启动振镜系统(3)，在新的试刻靶标上刻蚀与步骤4中一样的圆形阵列图案，并在圆形阵列的最低一行所在边线的延长线上以同等阵列间距补刻一个相同大小的圆，阵列大小应保证所有圆及补刻的圆均能被相机视野所包括；设补刻的圆的圆心为B，所在的行的另外一端的圆的圆心为OL，OL所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴庆华，陈慧，周阳，朱思斯，万偲，王正家，范宜艳，何涛，刘顿，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42