一种基于激光雷达的机床防碰撞系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于激光雷达的机床防碰撞系统，包括反光膜组和激光雷达旋转平台。本发明专利技术还提供一种基于激光雷达的机床碰撞预防方法，本发明专利技术将反光强度递减/递增的反光模组布置在机床刀具夹具末端，激光雷达旋转平台安装在机床的靠近操作台侧的上顶角处，通过二维激光雷达接收反光膜组反射的反光信号确定反光膜位置，结合刀具的尺寸形状等数据，计算刀尖的位置坐标。只需对反光膜位置一定范围内的点云数据进行处理，减少了系统计算负担，降低了系统的成本，增强了系统的实时性，提高了刀具定位的精度，进而提高了碰撞检测的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光雷达的机床防碰撞系统及方法
本专利技术涉及数控机床的
，尤其涉及一种基于激光雷达的机床防碰撞系统及方法。
技术介绍
数控机床发生撞机事故将对机床造成严重损伤，对企业造成严重的经济损失。因此数控机床的防碰撞系统尤为重要，目前大多数企业采用的都是基于AE传感器的碰撞预防技术，该技术只能在碰撞发生时，做出反应，并不能在有发生碰撞的趋势时及时停机，因此刀具依然会受到一定程度的损伤。久而久之，刀具的使用寿命会有所下降。
技术实现思路
本专利技术主要目的是提供一种基于激光雷达的机床防碰撞系统及方法，旨在解决现有技术只能在机床撞机时做出反应的问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于激光雷达的数控机床防碰撞系统，包括应用在机床上，包括反光膜组和激光雷达旋转平台，所述反光模组包括两个反光膜，两个所述反光膜间隔设置在机床刀具夹具的末端，按照反光强度递增的顺序排布，所述激光雷达旋转平台固定设置在机床的靠近操作台侧的上顶角处，所述激光雷达旋转平台包括电机、二维激光雷达和加速度计，所述电机与机床固定连接，所述二维激光雷达与所述电机连接，所述加速度计与所述二维激光雷达固定连接。电机带动二维激光雷达沿激光雷达坐标系X轴向下来回旋转，获取机床内部全局信息，并通过加速度计测出俯仰角度。进一步地，还包括安装框架，所述安装框架与机床固定连接，所述电机、二维激光雷达和加速度计均固定在所述安装框架上。本专利技术还提供一种基于激光雷达的机床防碰撞方法，基于前述的机床防碰撞系统，包括以下步骤：r>通过激光雷达获取机床内部环境的点云数据；通过激光雷达接收每个反光膜的反光信号，得到每个反光膜所在位置坐标，并计算得到反光膜组中心位置的坐标；根据反光膜组中心位置的坐标，对一定范围内的点云数据进行处理，识别出当前刀具类型；若当前刀具类型与设定的不符，则系统判断为换刀出错，有撞机风险，发出停机指令；若刀具类型与设定的相符，则对两个反光膜坐标进行直线拟合，获得当前刀具的方向，并调用存储在数控机床存储器中公式，根据两个反光膜中心坐标，计算出当前刀尖的三维坐标；计算刀具刀尖的三维坐标与设定刀具轨迹的欧式距离，选取欧式距离d1作为特征值，与设定的第二阈值对比，若大于第二阈值，则系统判断有撞机风险，发出停机指令。进一步地，所述得到反光膜所在位置坐标，并计算得到反光膜中心位置的坐标，具体包括：根据激光雷达平台测得的点云数据与加速度计测得的俯仰角，采用坐标转换矩阵，演算出反光膜所在位置的各个点在激光雷达坐标系下的三维坐标，然后计算出反光膜中心位置的坐标，并将中心位置的坐标转化为机床坐标系下三维坐标。进一步地，所述对一定范围内的点云数据进行处理，识别出当前刀具类型，具体包括：通过点云正交投影轮廓特征(PCF)获得候选刀具类型；在PCF的基础上利用迭代最近点算法(ICP)将目标与离线模型库点云匹配，并综合利用特征匹配和点云匹配信息构建相似性度量，实现当前刀具类型的识别。进一步地，所述一定范围内的点云数据为，反光膜中点位置的坐标周围长方体范围内的点云Q，所述长方体以反光膜中点位置作为上底面中心，沿着反光膜反光强度由弱到强的方向延伸，长方体的高所在的直线平行于两个反光膜所拟合直线，长宽高数据按照能包含最大刀具尺寸给出。进一步地，所述通过点云正交投影轮廓特征(PCF)获得候选刀具类型，具体包括：所述点云Q包含N个点，将点云Q分别投影到XY、XZ、YZ坐标平面中，相应得到投影点云Q-xy、投影点云yz和投影点云xz，并分别转换为点云Q在XY、XZ、YZ三个投影平面的一维的轮廓描述向量PCF，将三个一维的轮廓描述向量PCF分别与离线模型库每个刀具类型对应的三个PCF向量进行匹配获得候选刀具类型，所述离线模型库是预先获得的，包含所有刀具的PCF图以及各种刀具的尺寸和形状信息。进一步地，所述将三个一维的轮廓描述向量PCF分别与离线模型库每个刀具类型对应的三个PCF向量进行匹配获得候选刀具类型，具体匹配方法如下：匹配指标为各坐标平面的一维的轮廓描述向量PCF与离线模型库中对应的坐标平面的PCF向量之间距离d，其中分别计算出XY,XZ,YZ三个坐标平面的PCF距离d并取均值作为最终的距离，其中，均值为设置阈值D，当距离小于阈值D时，归为候选刀具类型，当距离大于阈值D时，认定为不匹配，遍历离线模型库中所有刀具类型以获得所有匹配的候选刀具类型。进一步地，所述利用迭代最近点算法(ICP)将目标与离线模型库点云匹配，具体包括：依据最近点方法获得对应点对并计算点云Q与候选刀具类型之间的匹配误差e，进而采用单位四元数法计算点云Q与候选刀具类型之间的三维刚体变换，迭代上述过程直到匹配误差趋于稳定以获得最小二乘意义下的最优匹配，对于匹配后的点云Q与候选刀具类型点云，若对应点对之间的距离小于候选刀具类型点云的分辨率，则认为是一个匹配点对，统计得到匹配点对的数量Np,定义点云Q与候选刀具类型之间的点云匹配度为其中N代表点云Q包含的点数。进一步地，所述综合利用特征匹配和点云匹配信息构建相似性度量，实现当前刀具类型的识别，具体包括：设计最终的匹配指标L来衡量目标与候选刀具类型的匹配度：匹配度L最大的候选刀具类型为最终匹配的刀具类型，即为最终识别出的当前刀具类型。进一步地，在数控机床存储器中预先存储有机床坐标系下各类刀具刀尖坐标与两个反光膜坐标之间的转换计算公式。与现有技术相比，本专利技术能够实现的有益效果至少如下：相比于基于AE传感器的机床碰撞预防系统只能在碰撞发生时采取措施，本专利技术提供的系统和方法通过对当前刀具类型进行识别，及时判断是否换刀出错，可以及时避免因换刀失误导致的撞机，通过计算当前刀具刀尖的三维坐标与设定刀具轨迹的欧式距离，通过比较欧氏距离与第二阈值，可以及时发现是否有撞机风险，实现在碰撞即将发生前及时避免。而且本专利技术采用反光膜标识夹具位置，只需对其一定范围内点云数据进行处理，即可获取当前刀具类型，减少了系统的计算负担，提高了系统的实时性。附图说明图1为本专利技术的获取三维点云坐标和距离图像流程图。图2为本专利技术的正交投影轮廓方法(PCF)实施流程图。图3为本专利技术的ICP模型匹配算法实施流程图。图4为本专利技术的决策机制流程图。图5为本专利技术的完整方案流程示意图。图6为本专利技术反光膜安装示意图。图7为本专利技术激光雷达等装置安装示意图。图8为本专利技术二维雷达坐标系与设定的激光雷达坐标系转换示意图。具体实施方式应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例的主要解决方案是：通过激光雷达获取机床内部环境点云数据，根据反光强度辨识出反光膜，获取反光膜中心坐标，确定刀具的大致位置；对反光膜坐标的一定范围内的点云数据，采用PCF算法和ICP算法处理，识别出刀具的类型，若与系统设定的刀具类型不符，则系统判本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光雷达的机床防碰撞系统，应用在机床上，其特征在于，包括反光膜组和激光雷达旋转平台，所述反光模组包括两个反光膜，两个所述反光膜间隔设置在机床刀具夹具(3)的末端，按照反光强度递增的顺序排布，所述激光雷达旋转平台固定设置在机床的靠近操作台侧的上顶角处，所述激光雷达旋转平台包括电机(21)、二维激光雷达(22)和加速度计(23)，所述电机(21)与机床固定连接，所述二维激光雷达(22)与所述电机(21)固定连接，所述加速度计(23)与所述二维激光雷达(22)固定连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达的机床防碰撞系统，应用在机床上，其特征在于，包括反光膜组和激光雷达旋转平台，所述反光模组包括两个反光膜，两个所述反光膜间隔设置在机床刀具夹具(3)的末端，按照反光强度递增的顺序排布，所述激光雷达旋转平台固定设置在机床的靠近操作台侧的上顶角处，所述激光雷达旋转平台包括电机(21)、二维激光雷达(22)和加速度计(23)，所述电机(21)与机床固定连接，所述二维激光雷达(22)与所述电机(21)固定连接，所述加速度计(23)与所述二维激光雷达(22)固定连接。


2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的机床防碰撞系统，其特征在于，还包括安装框架，所述安装框架与机床固定连接，所述电机(21)、二维激光雷达(22)和加速度计(23)均固定在所述安装框架上。


3.一种基于激光雷达的机床防碰撞方法，其特征在于，基于权利要求1-2任一所述的机床防碰撞系统，包括以下步骤：
通过激光雷达获取机床内部环境的点云数据；
通过激光雷达接收每个反光膜的反光信号，得到每个反光膜所在位置坐标，并计算得到反光膜组中心位置的坐标；
根据反光膜组中心位置的坐标，对一定范围内的点云数据进行处理，识别出当前刀具类型；
若当前刀具类型与设定的不符，则系统判断为换刀出错，有撞机风险，发出停机指令；
若刀具类型与设定的相符，则对两个反光膜坐标进行直线拟合，获得当前刀具的方向，并调用存储在数控机床存储器中公式，根据两个反光膜中心坐标，计算出当前刀尖的三维坐标；
计算刀具刀尖的三维坐标与设定刀具轨迹的欧式距离，选取欧式距离d1作为特征值，与设定的第二阈值对比，若大于第二阈值，则系统判断有撞机风险，发出停机指令。


4.根据权利要求3所述的一种基于激光雷达的机床防碰撞方法，其特征在于，所述得到每个反光膜所在位置坐标，并计算得到反光膜组中心位置的坐标，具体包括：根据激光雷达旋转平台测得的点云数据与加速度计测得的俯仰角，采用坐标转换公式，演算出反光膜所在位置的各个点在激光雷达坐标系下的三维坐标，然后计算出反光膜组中心位置的坐标，并将中心位置的坐标转化为机床坐标系下的三维坐标。


5.根据权利要求3所述的一种基于激光雷达的机床防碰撞方法，其特征在于，所述对一定范围内的点云数据进行处理，识别出当前刀具类型，具体包括：
通过点云正交投影轮廓特征(PCF)获得候选刀具类型；
在PCF的基础上利用迭代最近点算法(ICP)将目标与离线模型库点云匹配，并综合利用特征匹配和点云匹配信息构建相似性度量，实现当前刀具类型的识别。


6.根据权利要求5所述的一种基于激光雷达的机床防碰撞方法，其特征在于，所述一定范围内的点云数据为，反光膜组中心位置的坐标周围长方体范围内的点...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉香，万福玺，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44