智能尋位加工方法

專利名稱：智能尋位加工方法
技術領域：
本發明屬于機械加工制造技術領域。
在產品生產過程中，影響產品從接到定貨開始到完成任務所需總生產時間的因素主要是兩部分生產準備時間；實際生產時間。統計數字表明，單件、小批量生產的情況下，生產準備時間往往占總生產時間的50％-70％，也就是說，一半以上的時間需要消耗在生產過程的準備工作之中。這樣，即使生產過程中采用了先進的生產技術、生產設備，提高了許多加工生產率，但在單件、小批量生產過程中，這部分省下來的時間則顯得無足輕重。
因此，要對市場需求變化作出快速響應，對多品種小批量產品進行快速生產，問題的重點則從如何提高勞動生產率轉到如何縮短生產準備時間，實現生產過程的快速切換，這樣才算抓住問題的主要矛盾，才能實現真正意義上的快速響應。
傳統的“定位-夾緊-加工”制造生產過程如附

圖1所示。其加工的質量、速度、可靠性等等各方面需要兩個要素保證工件處于預定位置；工件加工程序固定。這也就要求一方面要使用精密的定位夾具保證工件處于精確的預定加工位置(或手動調整，雖增加了裝夾柔性，但即使有經驗的師傅也無法保證準確的安裝)，但實際在夾緊以后，工件的狀態則可能發生變化，無法獲知其實際位置，容易造成加工錯誤；另一方面需要按照工件的預定的待加工位置進行手動編程，對數控系統進行加工控制，而其代碼固定不變，只能應用于當前狀態，如果工件本身并不處于理想位置時，無法自動修正，或需要重新進行編程(非加工狀態)，或造成加工生產錯誤(加工狀態)。
通過分析不難發現，起到保證傳統制造方法順利進行的夾具體本身存在的以下一些問題①制作成本在整個制造過程中支出的費用過高統計數字表明，夾具的費用占整個制造成本的10-20％；②工裝夾具的設計制備周期過長在某些國家，工裝夾具的設計制備周期越占整個生產準備周期的30％-50％；③難以繼續提高加工質量因為夾具定位元件的制造精度約占加工精度的1/3-1/5，如要求繼續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，非線性的性價比使得夾具成本將大大提高而不足取。而在新品研制或單件小批量生產中，由于工件實際加工所消耗的時間和成本都將相對降低，工裝夾具準備時間和成本所占比重逐漸增加，上述三個主要問題體現的將更加突出，明顯地降低了企業的市場反應能力，提高了產品的單件成本。
本發明的目的在于為克服已有技術的不足之處，提出一種全新的智能尋位加工方法，該方法可針對產品需要對市場作出快速反應(例如新品研制或單件小批量生產)的情況，縮短企業生產準備時間，以加快產品推出速度，降低輔助生產成本，降低加工難度，提高企業市場反應能力。
本發明提出一種智能尋位加工方法，其特征在于，包括以下步驟
1)將待加工件置于測量/加工站后，按照預定的系統規劃，采用視覺測量系統，通過與CAD模型庫中的零件模型的匹配操作，快速獲取該工件的整體宏觀信息；2)再根據獲得的該工件整體宏觀信息，按照系統規劃，通過CAD模型庫中生成的測量點、測量路徑，精確測得足夠多樣本點，再通過攝動最小距離匹配算法，得到該工件的精確三維位姿；3)采用智能控制器將輸入的CAD模型庫及系統規劃的工件幾何、工藝信息及該工件位姿信息生成實時加工控制軌跡；4)根據第三步所述的控制信息，由伺服驅動模塊驅動加工單元對該工件進行位姿自適應加工。
上述的第一步驟獲取該工件的整體宏觀信息方法可包括二維處理和三維處理二個階段；所說的二維處理階段包括首先對整個測量系統所基本需要的參數進行初始化設置；而后按照預定的系統規劃，自動攝取視覺圖象；再對圖象進行基本預處理操作；之后進行工件自動對中處理，使工件完全處于攝像頭正下方；再通過與CAD模型庫中的零件模型的匹配操作，識別出當前位置的工件種類，并與工件上站時輸入的種類號進行比較，判別是否為正確工件，給出監控信息；最后通過轉動慣量法對工件進行二維空間位姿分析，完成二維宏觀信息獲取。
所說的三維處理階段包括；首先對整個測量系統所基本需要的參數進行初始化設置而后根據在宏觀獲取階段獲取的工件二維空間位姿，按照預定的系統規劃，將工件自動移動到結構光視覺測量設備投射范圍之內，順應工件的當前位姿，自動投射結構光攝取視覺圖象；通過對圖象處理的一些基本預處理操作以后，根據CAD模型庫中工件的可視的尋位特征而進行的相關特征的抽取之后，按照坐標求取公式得知這些特征的三維空間坐標，對計算之后的數據與CAD模型進行匹配處理，得知物體的三維空間位姿。
上述的第二步驟獲得該工件的精確三維位姿方法具體可包括首先按照系統規劃根據CAD模型生成的測量點規劃、測量路徑規劃，以所說的宏觀測量結果為依據，自動重新生成測量點的絕對坐標規劃和測量路徑的絕對坐標規劃；而后按照測點規劃和測量路徑規劃令測頭主動、快速而準確地完成測點的測量任務，獲取足夠多樣本點；之后，按照攝動最小距離匹配算法，得知物體的三維空間位姿，求解出最優的轉換矩陣，完成三維微觀信息獲取。
上述的第三步驟實時加工控制方法具體包括首先按照系統規劃從工藝規劃工作站中提取出工件的幾何工藝文件，通過基本的預處理，同時結合工件的實際微觀位姿信息，進行工藝信息的坐標變換，根據生產現實生成加工規劃，量化刀具的切削軌跡，并通過坐標運動計算，將坐標運動序列輸入到控制器，完成實時加工控制。
本發明的工作原理及主要技術特征詳細說明如下本發明從根本上打破了傳統的基于夾具定位夾緊的“定位-夾緊-加工”方法的束縛，其基本過程如圖2所示。它充分利用先進的智能技術，主動從待加工現場獲取工件信息，通過智能尋位獲取被加工工件的三維空間位姿，并以該信息為引導，實時生成加工軌跡，自動生成數控加工程序，進而實現實時控制，通過能實現順應現實加工的設備完成對工件的無精確定位束縛的加工，簡而言之，即“簡單夾緊-主動尋位-順應現實加工”。其過程可以具體細化為以下幾個步驟宏觀信息獲取->微觀信息獲取->實時加工控制->順應現實加工。在每一個步驟中間，均有多種實現方法可供選擇，作為一種新型加工方法，其具體實現方法的不同也就決定了該加工方法的技術多樣性，可以隨著不同技術發展時期及相應研究成果的發展而動態調整，保持整體技術的最優性。
本發明則從當前技術發展前沿角度出發，具體采用了無接觸式視覺方法宏觀測量，接觸式測頭測量方法精確測量，結合智能尋位算法，以多自由度坐標控制法進行加工控制，通過智能尋位加工單元這一新型終端執行機構實現對工件的無精確定位、無預定程序的順應現實加工。整體框圖見附圖3。描述如下在工件上測量(加工)站以后，首先進行宏觀視覺二維測量，實現對工件進行空間定位與定向，通過該信息引導三維的視覺測量工作，高速、可靠、較高精度地測取工件的三維空間位姿(三個平移量，三個旋轉量)，然后在三維較精確位姿獲取的前提下，可以引導測頭進行有目的的測量，高速、可靠地靠近工件，精確測得樣本坐標值，通過智能尋位算法求取工件的三維空間位姿，并以此實現實時加工控制，引導順應現實工作的順利實現。在這個過程中，CAD模型庫一直起到提供各個步驟的外部模型信息輸入的作用，系統規劃則起到統領全局協調有序工作的作用。
通過圖1、圖2對比可以看出，與傳統方法的重大差別在于1、以主動尋位代替被動定位這樣在定位功能取消以后，夾具本身的技術要求則可以獲得最大的簡化，實現了將夾具的定位與夾緊功能進行實體分解，只賦予“夾具”以夾緊功能，通過引入“無定位”、尋位加工的新概念，將“定位”功能通過“尋位”方法予以實現，只需要通過簡單的夾緊(例如螺釘壓板夾緊)將工件固定在加工工作臺上，而不需要復雜的定位元件即可順利實現加工。
2、以順應現實靈活加工代替按既定關系強制加工通過智能尋位信息的引導，實時生成刀具加工軌跡，取代了傳統的預先編程工作，避免了加工的強制性，增加了加工的柔順性，可以做到歪放歪加工，完全消除了傳統加工方法中如果工件放置偏移之后造成錯誤加工的問題。
為實現這樣一個目的，本發明的基本方法是采用宏觀微觀相結合，分層遞階進行信息處理。從方法學和實踐的角度來看，將一個復雜問題分解為幾個簡單問題，從粗到精(Coarse to Fine)進行解決是非常行之有效的方法。即先從宏觀解決方法入手，以最快的速度較高的精度獲取工件的宏觀描述，然后以此為約束，在工件已經在較為精確的位置情況下(宏觀階段的結果)，進行小攝動微觀測量，實現高精度、高可靠性的測量，其收斂性及收斂速度都得到極高的保證。而在這個過程中間由于宏觀階段的結果只對后續微觀階段起到一個引導作用，其尋位精度并不累計到整體的尋位精度中間去，整體的尋位精度完全由最后的微觀尋位階段的結果決定，因而也決定了本發明的解決問題方法與現有的方法的極大的不同。在尋位工作可靠完成以后，則采用實時控制策略，由智能控制器根據輸入的工件幾何工藝信息和工件尋位模塊反饋的工件實際狀態信息自動實時生成加工控制軌跡，最后由伺服驅動模塊驅動順應現實加工單元的有關部件運動，對毛坯或半成品進行位姿自適應加工得到合格的工件成品，從總體上將“尋位-加工”方法予以實現。
下面順序地從各實現環節對發明內容進一步詳細說明1、宏觀信息獲取階段在宏觀信息獲取階段，目的是快速獲取被加工對象的整體宏觀信息，借助這些宏觀信息的導引，來順利實現精密的微觀測量尋位過程，提高整個系統的可靠性、敏捷性，這就將這個階段的快速性的要求提到一個較高的位置上。無接觸測量方法則是達到這個目的可選的比較好的測量方法。而這其中，基于視覺測量方法則隨著相關硬件設備的不斷更新改進，以及相關技術的研究成果不斷出現，使得這種方法非常適合于獲取宏觀信息。同時細分為二維處理與三維處理兩個階段。
A、二維處理階段運用計算機視覺測量的處理手段，采用轉動慣量法進行圖象模板分析，實現高速、低精度、可靠測量，提供盡可能多的物體位姿宏觀信息。
此階段的工作原理為經過視覺系統進行圖象攝取、背景壓縮、噪聲祛除、區域增強、二值處理等基本圖象預處理過程以后，采用質心慣量方法進行二維位姿分析。質心慣量法是利用物體的面積或體積、位置、方向和其它一些參數來表述物體特性的一種方法。應該說轉動慣量這個概念是來自力學領域。這種方法具有平移、尺寸、旋轉變換對物體空間位置和姿態確定工作沒有影響的優點，這也就使得該方法相比一般的例如相關法確定物體的空間位姿無論在速度上，還是在可靠匹配上都具有無可比擬的優勢。
在圖象處理中，二維物體的轉動慣量公式采用離散的數學表達形式如下Mnn=|N-1|i=n|M-1|i=nf(x,y)xnynMpq=Σi=0N-1Σj=0M-1f(x,y)xpyq]]>式中m，n表示數字圖象分辨率為n×mi，j分別為數字圖象行、列索引值p+q為離散圖象中物體轉動慣量級數f(x，y)為離散數字圖象在定位點(x，y)處象素的密度函數。
空間定位在二維數字圖象中，一個物體的位置用該物體的質量分布中心來表示。而質量分布中心坐標正是二維數字圖象的第一級慣量矩。即有X-=M10M00=Σi=0N-1Σj=0M-1f(x,y)xΣi=0N-1Σj=0M-1f(x,y)]]>Y-=M01M00=Σi=0N-1Σj=0M-1f(x,y)yΣi=0N-1Σj=0M-1f(x,y)]]>空間定向在二維數字圖象中，一個物體的影象方向由該影象主軸與圖象坐標系X軸所成角度θ表示。有如下定義一個物體影象的主軸是通過該物體質量分布中心并對應著物體影象第二級轉動慣量積M11取得最小值的方向。
為計算主軸方向角θ，我們引入相對質量分布中心的轉動慣量Ipq＝∑∑f(x，y)(x-X)p(y-Y)q當圍繞物體影象質量分布中心按逆時針旋轉XOY坐標系時，第二級轉動慣量I11不斷變化，并在某一個轉角θ使I11達到零。則物體影象的方向角可表示為θ=12arctan(2I11I20-I02)]]>該處理階段的基本過程如下首先對整個測量系統所基本需要的參數進行初始化設置，例如攝象頭的基本參數獲取、機床原點、工件上站前背景圖象獲取等等；而后按照一定的系統規劃，自動攝取視覺圖象；通過對圖象處理的一些基本預處理操作以后，進入工件自動對中過程。工件自動對中的目的是使工件完全處于攝像頭正下方，使得分析結果更可靠、更準確。如果視覺圖象中沒有工件的影象，則在系統規劃的作用下，按照一定的控制策略控制工作臺移動到一個新的位置，直到工件影象出現并處于視野中央時停止；通過與CAD模型庫中的零件模型的匹配操作，識別出當前位置的工件種類，并與工件上站時輸入的種類號進行比較，判別是否為正確工件，給出監控信息；之后，通過轉動慣量法對工件進行二維空間位姿分析，完成二維宏觀信息獲取，如圖4(a)所示。B、三維處理階段采用計算機視覺測量方法處理手段，在二維位姿測量方法的基礎上，高速、相對高精度地實現工件三維空間位姿測取。具體包括以下步驟該階段的工作原理為選擇結構光柵格法作為三維坐標求取的成象分析的方法。該方法直接通過投射柵格空間編碼而賦予圖象以深度信息，通過三角法計算，很容易進行信息處理，速度、精度也較高，原始分辨率也可以通過控制柵格尺寸進行控制，減少了計算復雜程度，提高了三維物體識別的可靠性，因此獲得了廣泛的應用。
先考慮線型結構光模型，光平面在參考坐標系(Xr，Yr，Zr)內由Os點(入射點)以θ角入射，且光平面平行于Yr軸交Xr軸于Om點(沒有物體時)，投射點Os的坐標為(0,0TSz,)(注角標Zr表示在Zr軸的投影，以下同)。成象平面中心Oi(象平面坐標系Xi，Yi，Zi)，其Zi軸與Yr軸成β，見附圖5。通過分析推導(簡單的三角法)，聯立求解得
其中XgYgZg為待求AB曲線上各點的實際坐標，f為焦距，θ為結構光入射角，β為攝像頭光軸成象角，其余各參量實際意義見附圖5。
這樣，就可以通過光帶的入射信息的確定及象點在成象平面上的空間位置求得表面光帶的三維坐標信息。
再考慮光柵結構光模型。實際上，光柵結構光正是線形結構光的擴展，可以看成入射角度不同(但每條光帶的角度是固定的)的多個光平面的組合，在使用前需要經過校準，確定每個光平面的入射信息，才能正確分析出光帶的三維坐標信息。其算法與線形結構光完全一致，系統參數除了需要將各表達式中的入射角θ變成第n個光平面的入射角θn之外，其它都不變。
這樣，即獲得了工件三維信息獲取的分析方法。通過選取測點集合中足夠多而有效的尋位特征樣本，進行分析計算，求取三維坐標，予以信息擬合，并與CAD模型信息匹配，求取尋位特征的空間三維位姿。
該處理階段的基本過程如下首先對整個測量系統所基本需要的參數進行初始化設置，例如結構光系統校準、攝像頭參數調整等等而后根據在宏觀獲取階段獲取的工件二維空間位姿，按照一定的系統規劃，將工件自動移動到結構光視覺測量設備投射范圍之內，順應工件的當前位姿，自動投射結構光攝取視覺圖象；通過對圖象處理的一些基本預處理操作以后，進入尋位特征抽取過程。該過程是根據CAD模型庫中工件的可視的尋位特征而進行的相關特征的抽取，例如點(圓心、角點等)、線(棱邊、圓孔等)、面(平面、柱面、曲面等)等等，這些特征的組合足以表征一個工件實際的空間位姿之后，按照上面的坐標求取公式，較易地得知這些特征的三維空間坐標，對計算之后的數據與CAD模型進行匹配處理，很容易地得知物體的三維空間位姿，完成二維宏觀信息獲取，如圖4(b)所示。2、微觀信息獲取階段采用接觸式測量方法，以視覺測量系統獲取空間位姿為引導，獲取工件高精度空間位姿，引導后續順應現實加工過程的實現。
本階段的目的是借助宏觀信息的引導，實現精密的可靠的微觀測量尋位工作，這就將這個階段的精確性、可靠性的要求提到一個較高的位置上。利用精密位置傳感器的接觸測量方法可以很好的達到這一要求。接觸式測頭以其成熟的技術，廣泛的工業應用證明了這種方法的可行性，其可靠性、精確性經過了廣泛的檢驗，有相對較多的特性參數已經可以經驗地使用，使測量工作真正地得到保證。其實現的工作原理如下一般，工件加工坐標系與設計坐標系之間的關系可用齊次變換矩陣T表示，其表達式為T=cosβcosγ-cosβsinγsinβxcosαsinγ+sinαsinβcosγcosαcosγ-sinαsinβsinγ-sinαcosβysinαsinγ-cosαsinβcosγsinαcosγ-cosαsinβsinγcosαcosβz000l]]>其中α、β、γ——加工坐標系框架繞設計坐標系X、Y、Z軸的旋轉角x、y、z——加工坐標系原點相對于設計坐標系原點的平移量在經過宏觀位姿信息獲取過程以后，工件未知狀態僅在很小的攝動范圍以內，變換矩陣則可進行線性化處理，有T=1-dγdβdxdγ1-dαdy-dβdα1dz0001]]>其中dα、dβ、dγ——加工坐標系框架繞設計坐標系X、Y、Z軸的攝動轉角；dx、dy、dz——加工坐標系原點相對于設計坐標系原點的攝動平移。
為求得T中的6個參數，一個直觀的考慮是，在工件上取m(m≥6)個測量點Pi(i＝1，2，...，m)，同時在其CAD模型上找到m個對應點Qi，然后構造一目標函數J=Σi=1m|TPi-Qi|2]]>其中Pi——工件第i個測量點在設計坐標系中的齊次坐標Pi＝[pxipyipzi1]TQi——工件CAD模型中與Pi相對應點在設計坐標系中的齊次坐標Qi＝[qxiqyiqzi1]Tm——測量點總數顯然，最優的T應使J取極小值。求J對6個參數的偏導數，并令其等于零得方程組∂J∂ξi=0,i=1,2,…,6]]>[ξ1ξ2ξ3ξ4ξ5ξ6]＝[dα dβ dγ dx dy dz]求解可得最優的轉換矩陣T。綜合粗精兩方面的信息，即可得到從加工坐標系到設計坐標系的大范圍精確尋位信息。
這里，由于有宏觀信息的引導，增加了信息約束，使得接觸式測量工作是在一種預知狀態下主動地獲取所需測量點的數據，避免了測量的盲目性，減少了測量點的數量，提高了測量速度，將處理難度更多地化減為對數據處理處理的算法問題。而這方面，在這些信息約束的前提下，使得測點與CAD模型初始偏移處于非常小的范圍，減化了六個變量的匹配優化運算，計算量小，解決了以前位姿算法的收斂性、收斂速度不易保證的問題，即可使得位姿算法有了實現的前提條件。在本發明中，正是基于此實現了對現有位姿算法的簡化與補充，智能尋位的方法也得以真正的實現。
該處理階段的基本過程如下首先按照系統規劃根據CAD模型生成的測量點規劃、測量路徑規劃，以宏觀測量結果為依據，自動重新生成測量點的絕對坐標規劃和測量路徑的絕對坐標規劃；而后按照測點規劃和測量路徑規劃令測頭主動、快速而準確地完成測點的測量任務，獲取足夠多樣本點；之后，按照上面的攝動最小距離匹配算法，可以很容易地得知物體的三維空間位姿，求解出最優的轉換矩陣，完成三維微觀信息獲取，如圖6所示。3、實時加工控制階段在獲得工件的三維空間位姿描述以后，如何在其引導下自適應地生成刀具軌跡和機床運動控制命令，實現順應現實加工，則成為智能尋位加工技術的另一個需要解決的問題。
其實現的原理如下首先由坐標變換模塊根據尋位信息對經預處理的工件幾何信息進行坐標變換，得到其在加工坐標系下的描述，然后由加工規劃模塊處理，生成工件表面的加工順序鏈表和切削參數。在此基礎上，由切削軌跡計算模塊求解出工件表面上的切削軌跡。
設零件加工表面可表示為S(u，v)＝x(u，v)i+y(u，v)j+z(u，v)k根據加工規劃信息取走刀平面Ax+By+Cz+D＝0走刀平面與零件加工面交得切削軌跡的u-v域表達式Ax(u，v)+By(u，v)+Cz(u，v)+D＝0進一步根據進給速度和加工精度要求求得u、v采樣值ui、vi，即可求出坐標函數表示的切削軌跡xcut＝x(ui，vi)；ycut＝y(ui，vi)；zcut＝z(ui，vi)；再根據刀具半徑和切削點法矢信息，即可求得刀具軌跡xtroce＝x(ui，vi)+rNx(ui，vi)ytroce＝y(ui，vi)+rNy(ui，vi)ztroce＝z(ui，vi)+rNz(ui，vi)其中，r是刀具半徑，Nx、Ny、Nz是單位法矢在XYZ各軸上的分量。
對于我們選用的多坐標加工終端設備，可以進一步根據刀具軸線與切削點法矢的關系以及機床結構，求出旋轉坐標運動控制指令A、B、C，及考慮解耦修正量Δx、Δy、Δz后的直線坐標運動控制指令xcontrol＝xtroce+Δxycontrol＝ytroce+Δyzcontrol＝ztroce+Δz
該處理階段的基本過程如下首先按照系統規劃從工藝規劃工作站中提取出工件的幾何工藝文件，通過基本的預處理，同時結合工件的實際位姿信息(三個平移量，三個旋轉量)，進行工藝信息的坐標變換，根據生產現實生成加工規劃，量化刀具的切削軌跡，并通過坐標運動計算，將坐標運動序列輸入到控制器，完成實時加工控制，如圖7所示。4、順應現實加工階段在本發明中，選用新型的智能尋位加工單元作為終端執行機構，它是在“虛擬軸加工機床”(Virtual Axis Machine Tools，VAMT)的基礎上，通過改進其尋位規劃及控制刀具軌跡控制策略而構成的，并繼承了VAMT的模塊化程度高、出力大、速度快、精度高、造價低、多自由度加工的特點，可以在一定范圍內實現多坐標數控加工、測量等功能，適于實現尋位、加工集成化工作環境，順利實現智能尋位加工。它的廣泛應用也必將為智能尋位加工技術的實現與實用化提供最強有力的支持。基于該設備的引入，使得采用多坐標控制法具有更實際的意義，只需要通過對機床運動坐標的一次性補償即可使加工坐標系與設計坐標系保持一致，而無須對刀具軌跡或位姿進行實時修正，因而簡化了控制，并提高了加工的靈活性。整體結構如圖8所示。
本發明通過多分辨率、分層遞階的方法，宏觀微觀結合實現無接觸宏觀宏觀測量引導、接觸式微觀精確測量，將硬性定位約束轉化為軟性尋位算法實現，不需要測點與CAD模型對應的先驗知識，實現了大范圍工件尋位，軌跡的非預先生成性使得順應現實加工得以實現，解決了生產現實中快速響應的問題，具有較強的創新性。
相比傳統的生產方法，本發明具有極大的優勢I.消除了工序基準與定位基準不重合誤差，大大減少傳統定位的誤差在傳統定位方法中，不能精確實現以對稱軸、回轉軸等虛軸為基準的定位，而只能以特征的內、外表面上的點近似定位，設計基準與定位基準不重合，如采用圓柱銷、V型塊等，都存在一定的安裝誤差，測量求逆定位通過對稱特征和回轉特征的測量，可以計算出對稱軸、回轉軸等虛軸的姿態，實現設計基準與定位基準的重合，排除由此引起的誤差；同時，由于實現了“先夾緊、后尋位”的裝夾順序，使得在傳統裝夾中由夾緊操作引起的定位偏差得到消除，降低了對安裝調整的要求，并可以在多次裝夾的情況下使加工精度達到設計精度。工件在夾具中加工時的加工誤差，除加工過程誤差之外，都可以得到去除或不同程度的降低。II.簡化了夾具的結構，降低了夾具的成本因通過尋位設備可以獲取工件的空間位姿，也就是說達到傳統意義上的“定位”操作，夾具的定位功能將大大減弱，退化為對工件的夾緊和局部定位，使得夾具只需采用通用夾具即可滿足要求，大大簡化了夾具的結構，降低了夾具的制造成本。III.縮短了產品生產準備周期因“夾緊-尋位-加工”生產方法不需要專用的精密夾具，取而代之以通用夾具(甚至是簡單固定機構)，則在新產品開發及產品轉型等需要制備精密夾具的場合下，這種方法帶來的優勢體現得更為明顯。IV.大幅度地提高了系統的柔性尋位加工方法可以使得工件加工對環境的依賴性大為降低，做到對工件進行順應現實加工，即可以根據工件的實際位姿自動生成刀具路徑軌跡規劃，而不需要對工件的加工進行預編程，使得系統的柔性大大提高。V.降低了對操作人員的技術要求因傳統的加工方法要求工件加工“一次裝夾”，對操作人員技術水平要求較高。而“尋位”操作則實現對工件順應現實的位姿獲取，操作工人只需進行簡單的“安裝-壓緊”的操作，其它工作如尋位、自動生成加工代碼則交給智能尋位加工工作站即可。VI.提高了系統的生產成品率與可靠性該加工方法使生產過程自動實現，減少了許多中間環節的誤差傳遞，同時除去加工誤差之外，無論加工前各工序中如何引入定位位姿誤差，均在在線檢測時得以縮減為測量誤差，而且可以對被加工的工件實現100％的在線檢測，使得工件的質量可以獲得保證，生產過程的可靠性也得以大幅度提高。VII.擴大了可加工型面的范圍由于傳統的加工方法在定位面的選擇上提出了過多的約束，在有加工干涉的情況下顯得無力解決，而主動尋位則不存在定位元件實體，也就不存在定位與加工之間干涉的問題，使得一次裝夾加工型面增多，既保證了加工的一致性，提高了加工質量，又簡化了加工過程，使得加工效率得以提高。
附圖簡要說明圖1為傳統定位加工方法基本實現過程框2為新型智能尋位加工方法基本實現過程框3為本發明所選方案整體實現框4為宏觀信息獲取階段處理流程，(a)為二維處理階段(b)為三維處理階段圖5為結構光投射結構模型圖6為微觀信息獲取階段處理流程圖7為無預定程序實時加工階段處理流程圖8為實施例一的集成式實現結構示意9為實施例二的分布式實現結構示意圖實施例1為集成式結構形式的智能尋位加工系統。
集成式結構的概念是，將工件主動尋位和順應現實加工集成到一個制造單元(或加工設備)中，該單元可獨立完成被加工工件的智能化尋位與加工。將這樣的基本單元進行組合，即可構成更大規模的制造系統。按此思路開發的一種智能尋位加工單元的基本結構和實現框圖如附圖8所示。整個集成式實現結構是由伺服驅動控制模塊1、尋位加工集成單元2和智能尋位處理機11三大部件構成。伺服驅動控制模塊1主要完成尋位加工集成單元2伺服驅動控制。尋位加工集成單元2以“虛擬軸加工機床”為控制及框架基礎，集成智能尋位及順應現實加工的底層單元，作為整個智能尋位加工技術的終端執行設備。智能尋位處理機11以一臺PII233為基礎構成，完成信息處理、尋位算法及尋位路徑規劃等工作。其中尋位加工集成單元2的主要功能塊有加工測量單元本體，包括伺服電機5、連桿6(共6根，空間排列)、主軸電機8、動平臺9(可實現空間六自由度運動)和加工刀具15；測量單元，包括結構光投射器3(實現工件結構光信息賦予工作)、精密轉動臺4(帶動3和10在一定控制策略下精密轉動，以有效獲取不確定位置的零件的尋位特征信息)、CCD攝象機7(攝取工件宏觀信息)、CCD攝象機10(攝取投射到工件表面的結構光信息)和測頭15；尋位加工對象，包括托盤12、工件13和夾具14(只需要實現簡單的固定功能)。
該系統的工作方式為首先用通用緊固夾持元件(如螺栓、壓板等)將工件固定于工作臺上(無須精確定位)，然后由尋位加工集成單元和智能尋位處理機以遞階方式快速獲取工件輪廓信息并實時求解出工件的實際狀態(位置與姿態)。進一步由智能尋位處理機根據輸入的工件幾何工藝信息和工件尋位模塊反饋的工件實際狀態信息實時生成加工控制軌跡。最后由伺服驅動模塊驅動尋位加工集成單元的相關部件運動，對毛坯或半成品進行位姿自適應加工得到合格的工件成品。
實施例2為分布式結構形式的智能尋位加工系統。
分布式結構的概念是，將智能尋位、路徑規劃、工件加工等分解成獨立單元分布于系統中不同的地方，借助網絡系統進行信息交換，通過管理計算機中的動態調度軟件協調整個系統的運行。分布式尋位加工系統的基本組成包括工藝規劃工作站21、刀具路徑實時生成模塊22、管理控制工作站23、模型庫24、裝卸站25、智能尋位工作站26、多個尋位加工中心27，如附圖9所示。在這個分布式實現結構中，各功能模塊進行了完全的功能分解，分別通管不同的工作，體系結構是分布式的，中間的信息及控制流完全通過網絡環境進行傳遞，例如本系統中采用現場總線28(CAN總線)進行分布式設備互連。其中工藝規劃工作站21完成整個生產加工的工藝規劃問題；刀具路徑實時生成模塊22是根據智能尋位工作站26獲取的工件當前實際位姿，在工藝規劃信息引導下自動實時生成刀具的加工切削軌跡；管理控制工作站23完成整個系統的宏觀協調管理工作，實時監控，物流管理；模型庫24則統一歸納整理系統測量及加工中所需要的模型信息及特定規劃；智能尋位工作站26則完成上站工件的在線自動尋位工作，引導后續順應現實加工工作的順利進行；尋位加工中心27則接受現場總線中的信息與控制流，進行順應現實加工，其基本結構與集成式結構的尋位加工集成但愿基本相似，只不過去掉了其尋位設備。裝卸站25則完成零件在物流系統中運輸媒介。
該系統接到新加工任務后，根據CAD給出的工件設計信息，CAPP給出的加工工藝要求及生產準備系統提供的工件毛坯信息，在調度子系統控制下即可起動開始加工。具體運行過程為裝卸站的操作人員根據調度指令用通用緊固夾持元件將工件固定于托盤上，并將工件/托盤復合體送往工件尋位工作站。工件尋位工作站以智能化方法主動獲取工件表面宏觀及微觀信息，實時求解出工件的實際狀態，并通過現場總線將工件實際狀態信息送往刀具路徑實時生成工作站。刀具路徑實時生成工作站將根據設計信息、工藝信息和被加工工件的實際狀態信息，通過實時規劃生成被加工工件本次入線在各個機床上加工的刀具運動路徑文件，并通過現場總線將刀具路徑文件送往相應的機床控制系統(一種新型位姿自適應數控系統)，使其作好準備。一旦工件由物流系統送達該機床即可進行加工。工件本次入線的所有工序完成后，由物流將其送往出口裝卸站，由操作人員將工件從托盤上卸下，托盤則回到系統入口處，準備裝載新的工件。
在這一由現場總線網絡構成的集成環境下，工件尋位與加工操作可并行進行。例如，有若干個工件P1，P2，P3，…進入系統進行加工，則加工中心在對先進入系統的工件(如P1)進行加工時，信息獲取工作站可同時對后續進入系統的工件(如P2)進行尋位處理，而此時裝卸站還可將新工件(如P3)裝上托盤準備送入系統，所有這些操作完全是并行進行的，在調度系統控制下系統將有條不紊地高效工作。
分布式系統只需一套尋位裝置，系統成本較低。此外，由于工件裝卸、傳遞、尋位和加工的高度并行性，使系統具有較高的設備利用率和生產率。
權利要求
1.一種智能尋位加工方法，其特征在于，包括以下步驟1)將待加工件置于測量/加工站后，按照預定的系統規劃，采用視覺測量系統，通過與CAD模型庫中的零件模型的匹配操作，快速獲取該工件的整體宏觀信息；2)再根據獲得的該工件整體宏觀信息，按照系統規劃，通過CAD模型庫中生成的測量點、測量路徑，精確測得足夠多樣本點，再通過攝動最小距離匹配算法，得到該工件的精確三維位姿3)采用智能控制器將輸入的CAD模型庫及系統規劃的工件幾何、工藝信息及該工件位姿信息生成實時加工控制軌跡；4)根據第三步所述的控制信息，由伺服驅動模塊驅動加工單元對該工件進行位姿自適應加工。
2.如權利要求1所述的智能尋位加工方法，其特征在于，所說的第一步驟獲取該工件的整體宏觀信息方法包括二維處理和三維處理二個階段；所說的二維處理階段包括首先對整個測量系統所基本需要的參數進行初始化設置；而后按照預定的系統規劃，自動攝取視覺圖象；再對圖象進行基本預處理操作；之后進行工件自動對中處理，使工件完全處于攝像頭正下方；再通過與CAD模型庫中的零件模型的匹配操作，識別出當前位置的工件種類，并與工件上站時輸入的種類號進行比較，判別是否為正確工件，給出監控信息；最后通過轉動慣量法對工件進行二維空間位姿分析，完成二維宏觀信息獲取。所說的三維處理階段包括；首先對整個測量系統所基本需要的參數進行初始化設置；而后根據在宏觀獲取階段獲取的工件二維空間位姿，按照預定的系統規劃，將工件自動移動到結構光視覺測量設備投射范圍之內，順應工件的當前位姿，自動投射結構光攝取視覺圖象；通過對圖象處理的一些基本預處理操作以后，根據CAD模型庫中工件的可視的尋位特征而進行的相關特征的抽取之后，按照坐標求取公式得知這些特征的三維空間坐標，對計算之后的數據與CAD模型進行匹配處理，得知物體的三維空間位姿。
3.如權利要求1所述的智能尋位加工方法，其特征在于，所說的第二步驟獲得該工件的精確三維位姿方法具體包括首先按照系統規劃根據CAD模型生成的測量點規劃、測量路徑規劃，以所說的宏觀測量結果為依據，自動重新生成測量點的絕對坐標規劃和測量路徑的絕對坐標規劃；而后按照測點規劃和測量路徑規劃令測頭主動、快速而準確地完成測點的測量任務，獲取足夠多樣本點；之后，按照攝動最小距離匹配算法，得知物體的三維空間位姿，求解出最優的轉換矩陣，完成三維微觀信息獲取。
4.如權利要求1所述的智能尋位加工方法，其特征在于，所說的第三步驟實時加工控制方法具體包括首先按照系統規劃從工藝規劃工作站中提取出工件的幾何工藝文件，通過基本的預處理，同時結合工件的實際微觀位姿信息，進行工藝信息的坐標變換，根據生產現實生成加工規劃，量化刀具的切削軌跡，并通過坐標運動計算，將坐標運動序列輸入到控制器，完成實時加工控制。
全文摘要
本發明屬于機械加工制造技術領域。本方法為:首先采用視覺測量系統,快速獲取工件的整體宏觀信息;再通過攝動最小距離匹配算法,得到工件的精確三維位姿;采用智能控制器將輸入的CAD模型庫及系統規劃的工件幾何、工藝信息及該工件位姿信息生成實時加工控制軌跡,最后由伺服驅動模塊驅動加工單元對該工件進行位姿自適應加工。本發明可縮短生產準備時間,加快產品推出速度,降低輔助生產成本及加工難度,提高企業市場反應能力。
文檔編號B23Q41/00GK1256990SQ99127180
公開日2000年6月21日 申請日期1999年12月30日 優先權日1999年12月30日
發明者周凱, 毛德柱, 劉郁, 廖強 申請人:清華大學