智能寻位加工方法技术

本发明专利技术属于机械加工制造技术领域。本方法为：首先采用视觉测量系统，快速获取工件的整体宏观信息；再通过摄动最小距离匹配算法，得到工件的精确三维位姿；采用智能控制器将输入的ＣＡＤ模型库及系统规划的工件几何、工艺信息及该工件位姿信息生成实时加工控制轨迹，最后由伺服驱动模块驱动加工单元对该工件进行位姿自适应加工。本发明专利技术可缩短生产准备时间，加快产品推出速度，降低辅助生产成本及加工难度，提高企业市场反应能力。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械加工制造
在产品生产过程中，影响产品从接到定货开始到完成任务所需总生产时间的因素主要是两部分生产准备时间；实际生产时间。统计数字表明，单件、小批量生产的情况下，生产准备时间往往占总生产时间的50％-70％，也就是说，一半以上的时间需要消耗在生产过程的准备工作之中。这样，即使生产过程中采用了先进的生产技术、生产设备，提高了许多加工生产率，但在单件、小批量生产过程中，这部分省下来的时间则显得无足轻重。因此，要对市场需求变化作出快速响应，对多品种小批量产品进行快速生产，问题的重点则从如何提高劳动生产率转到如何缩短生产准备时间，实现生产过程的快速切换，这样才算抓住问题的主要矛盾，才能实现真正意义上的快速响应。传统的“定位-夹紧-加工”制造生产过程如附附图说明图1所示。其加工的质量、速度、可靠性等等各方面需要两个要素保证工件处于预定位置；工件加工程序固定。这也就要求一方面要使用精密的定位夹具保证工件处于精确的预定加工位置(或手动调整，虽增加了装夹柔性，但即使有经验的师傅也无法保证准确的安装)，但实际在夹紧以后，工件的状态则可能发生变化，无法获知其实际位置，容易造成加工错误；另一方面需要按照工件的预定的待加工位置进行手动编程，对数控系统进行加工控制，而其代码固定不变，只能应用于当前状态，如果工件本身并不处于理想位置时，无法自动修正，或需要重新进行编程(非加工状态)，或造成加工生产错误(加工状态)。通过分析不难发现，起到保证传统制造方法顺利进行的夹具体本身存在的以下一些问题①制作成本在整个制造过程中支出的费用过高统计数字表明，夹具的费用占整个制造成本的10-20％；②工装夹具的设计制备周期过长在某些国家，工装夹具的设计制备周期越占整个生产准备周期的30％-50％；③难以继续提高加工质量因为夹具定位元件的制造精度约占加工精度的1/3-1/5，如要求继续提高被加工工件的加工精度，定位元件的加工精度要求更高，非线性的性价比使得夹具成本将大大提高而不足取。而在新品研制或单件小批量生产中，由于工件实际加工所消耗的时间和成本都将相对降低，工装夹具准备时间和成本所占比重逐渐增加，上述三个主要问题体现的将更加突出，明显地降低了企业的市场反应能力，提高了产品的单件成本。本专利技术的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种全新的，该方法可针对产品需要对市场作出快速反应(例如新品研制或单件小批量生产)的情况，缩短企业生产准备时间，以加快产品推出速度，降低辅助生产成本，降低加工难度，提高企业市场反应能力。本专利技术提出一种，其特征在于，包括以下步骤1)将待加工件置于测量/加工站后，按照预定的系统规划，采用视觉测量系统，通过与CAD模型库中的零件模型的匹配操作，快速获取该工件的整体宏观信息；2)再根据获得的该工件整体宏观信息，按照系统规划，通过CAD模型库中生成的测量点、测量路径，精确测得足够多样本点，再通过摄动最小距离匹配算法，得到该工件的精确三维位姿；3)采用智能控制器将输入的CAD模型库及系统规划的工件几何、工艺信息及该工件位姿信息生成实时加工控制轨迹；4)根据第三步所述的控制信息，由伺服驱动模块驱动加工单元对该工件进行位姿自适应加工。上述的第一步骤获取该工件的整体宏观信息方法可包括二维处理和三维处理二个阶段；所说的二维处理阶段包括首先对整个测量系统所基本需要的参数进行初始化设置；而后按照预定的系统规划，自动摄取视觉图象；再对图象进行基本预处理操作；之后进行工件自动对中处理，使工件完全处于摄像头正下方；再通过与CAD模型库中的零件模型的匹配操作，识别出当前位置的工件种类，并与工件上站时输入的种类号进行比较，判别是否为正确工件，给出监控信息；最后通过转动惯量法对工件进行二维空间位姿分析，完成二维宏观信息获取。所说的三维处理阶段包括；首先对整个测量系统所基本需要的参数进行初始化设置而后根据在宏观获取阶段获取的工件二维空间位姿，按照预定的系统规划，将工件自动移动到结构光视觉测量设备投射范围之内，顺应工件的当前位姿，自动投射结构光摄取视觉图象；通过对图象处理的一些基本预处理操作以后，根据CAD模型库中工件的可视的寻位特征而进行的相关特征的抽取之后，按照坐标求取公式得知这些特征的三维空间坐标，对计算之后的数据与CAD模型进行匹配处理，得知物体的三维空间位姿。上述的第二步骤获得该工件的精确三维位姿方法具体可包括首先按照系统规划根据CAD模型生成的测量点规划、测量路径规划，以所说的宏观测量结果为依据，自动重新生成测量点的绝对坐标规划和测量路径的绝对坐标规划；而后按照测点规划和测量路径规划令测头主动、快速而准确地完成测点的测量任务，获取足够多样本点；之后，按照摄动最小距离匹配算法，得知物体的三维空间位姿，求解出最优的转换矩阵，完成三维微观信息获取。上述的第三步骤实时加工控制方法具体包括首先按照系统规划从工艺规划工作站中提取出工件的几何工艺文件，通过基本的预处理，同时结合工件的实际微观位姿信息，进行工艺信息的坐标变换，根据生产现实生成加工规划，量化刀具的切削轨迹，并通过坐标运动计算，将坐标运动序列输入到控制器，完成实时加工控制。本专利技术的工作原理及主要技术特征详细说明如下本专利技术从根本上打破了传统的基于夹具定位夹紧的“定位-夹紧-加工”方法的束缚，其基本过程如图2所示。它充分利用先进的智能技术，主动从待加工现场获取工件信息，通过智能寻位获取被加工工件的三维空间位姿，并以该信息为引导，实时生成加工轨迹，自动生成数控加工程序，进而实现实时控制，通过能实现顺应现实加工的设备完成对工件的无精确定位束缚的加工，简而言之，即“简单夹紧-主动寻位-顺应现实加工”。其过程可以具体细化为以下几个步骤宏观信息获取->微观信息获取->实时加工控制->顺应现实加工。在每一个步骤中间，均有多种实现方法可供选择，作为一种新型加工方法，其具体实现方法的不同也就决定了该加工方法的技术多样性，可以随着不同技术发展时期及相应研究成果的发展而动态调整，保持整体技术的最优性。本专利技术则从当前技术发展前沿角度出发，具体采用了无接触式视觉方法宏观测量，接触式测头测量方法精确测量，结合智能寻位算法，以多自由度坐标控制法进行加工控制，通过智能寻位加工单元这一新型终端执行机构实现对工件的无精确定位、无预定程序的顺应现实加工。整体框图见附图3。描述如下在工件上测量(加工)站以后，首先进行宏观视觉二维测量，实现对工件进行空间定位与定向，通过该信息引导三维的视觉测量工作，高速、可靠、较高精度地测取工件的三维空间位姿(三个平移量，三个旋转量)，然后在三维较精确位姿获取的前提下，可以引导测头进行有目的的测量，高速、可靠地靠近工件，精确测得样本坐标值，通过智能寻位算法求取工件的三维空间位姿，并以此实现实时加工控制，引导顺应现实工作的顺利实现。在这个过程中，CAD模型库一直起到提供各个步骤的外部模型信息输入的作用，系统规划则起到统领全局协调有序工作的作用。通过图1、图2对比可以看出，与传统方法的重大差别在于1、以主动寻位代替被动定位这样在定位功能取消以后，夹具本身的技术要求则可以获得最大的简化，实现了将夹具的定位与夹紧功能进行实体分解，只赋本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能寻位加工方法，其特征在于，包括以下步骤：１）将待加工件置于测量／加工站后，按照预定的系统规划，采用视觉测量系统，通过与ＣＡＤ模型库中的零件模型的匹配操作，快速获取该工件的整体宏观信息；２）再根据获得的该工件整体宏观信息，按照 系统规划，通过ＣＡＤ模型库中生成的测量点、测量路径，精确测得足够多样本点，再通过摄动最小距离匹配算法，得到该工件的精确三维位姿；３）采用智能控制器将输入的ＣＡＤ模型库及系统规划的工件几何、工艺信息及该工件位姿信息生成实时加工控制轨迹； ４）根据第三步所述的控制信息，由伺服驱动模块驱动加工单元对该工件进行位姿自适应加工。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周凯，毛德柱，刘郁，廖强，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]