基于位置误差补偿的机器人自动划线方法、系统及装置

1.本发明属于机械加工工艺技术领域，涉及一种基于位置误差补偿的机器人自动划线方法、系统及装置。


背景技术：

2.飞机、船舶等工业领域对大型型材的需求很高，大型型材的生产、加工需求自然也是很高。在加工过程中，生产企业需要完成的基础工序之一是型材的划线和切割，即把大尺寸的原材料切割出各种形状的构件，并在各个构件上划出孔、文字和装配线等信息，以便在之后的工序内按照构件信息进行铆接或焊接，直至装配。划线作为机械加工的重要工序之一,它能够很好地确定型材的加工余量,节约校正的时间，且能够及时发现和处理不合格的坯料,避免加工后造成损失。大型型材的加工难度相对较高,在加工前更需要完成准确的划线工序，所以对大型型材的精准划线是极为重要的。大尺寸的型材在生产、运输及存储等过程中极易发生弯曲变形，虽然变形角度可能较小，但对于大型型材来说，当变形尺寸大到不可忽略时，就不能按照原来标准情况下的尺寸信息简单粗暴地进行划线，而是需要了解型材的轮廓信息，合理计算并精确定位划线位置。
3.目前工厂对简单外轮廓的大型型材的划线工序主要是靠工人的手工操作，巨大的型材使得该工作劳动强度大，生产效率低；且大型型材若发生严重的弯曲变形，人工划线就必然会导致后续加工的尺寸精度极差；针对较为复杂轮廓的大型型材，有的工厂选择应用视觉照相三维测量技术，即用工业相机从几个特定的方向获取大型型材的图像，并进行定位、分割等操作，得出每一个测量点的三维坐标和统计信息，后续由计算机进行处理分析，得出精确的划线位置坐标。然而，照相三维测量系统测量速度快、测量密度高，但此系统仅适用于对小尺寸工件的测量，若想获取大型型材的全局图像，其相机的分辨率难以达到要求，最后得到的尺寸精度必然无法保证；若是在每个方向上多次抓拍型材的不同位置，分辨率可大致满足要求，但计算机需对大量图像进行准确的拼接处理，完成此过程需较长时间，因此整个加工过程的实时性又必然无法保证。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种基于位置误差补偿的机器人自动划线方法、系统及装置，能够代替人工划线，减轻人工劳动强度，提高生产效率。同时上位机将测得的数据代入到坐标误差补偿算法中，大大提高了划线的准确性，避免如人员操作方法失误或力量控制等问题导致的错误划线。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.基于位置误差补偿的机器人自动划线方法，包括以下步骤：
7.接收测得的待划线型材轮廓数据；
8.基于补偿算法对接收的轮廓数据进行处理，获取待划线型材的位置信息；
9.发送所得到的位置信息给可编程逻辑控制器，以驱动机器人完成划线运动。
10.本发明进一步的改进在于：
11.型材轮廓数据是由位移传感器进行测量得到并发送给上位机。
12.型材轮廓数据是一系列离散点的坐标。
13.对接收的轮廓数据进行处理的具体方式如下：
14.对轮廓数据的横坐标和纵坐标分别进行拟合生成三次样条曲线，并对三次样条曲线分别进行积分获取待划线型材的横坐标和纵坐标。
15.对轮廓数据的横坐标和纵坐标进行处理的具体方式如下：
16.对轮廓数据的横坐标进行拟合生成三次样条曲线，得到轮廓数据沿x轴方向的坐标值(x,z)拟合生成三次样条曲线；
17.三次样条曲线函数表达式表示为下述公式(1)的形式：
[0018][0019]
其中，s(x)为样条曲线函数，其中x代表离散点的横坐标；设x
i
为第i个离散点的横坐标，z
i
为第i个离散点的竖坐标；h
i
为第i个离散点和第i
‑
1个离散点在x轴方向上的距离，即h
i
＝x
i
‑
x
i
‑1，s”(x
i
‑
1)代表三次样条函数的二阶导数在x
i
‑
1处的函数值，s”(x
i
)代表三次样条函数的二阶导数在x
i
处的函数值；
[0020]
s”(x
i
‑1)和s”(x
i
)的表达式为
[0021][0022]
其中，
[0023][0024][0025]
对轮廓数据的纵坐标进行拟合生成三次样条曲线，将公式(1)中的自变量x变为y，得到轮廓数据沿y轴方向的坐标值(y,z)拟合生成三次样条曲线。
[0026]
位置信息包含机器人的移动坐标、机器人臂的转动角度、划线的起终坐标。
[0027]
可编程逻辑控制器接收位置信息，对机器人发送划线指令，完成划线运动。
[0028]
基于位置误差补偿的机器人自动划线系统，包括：
[0029]
接收模块，所述接收模块用于接收测得的待划线型材轮廓数据；
[0030]
信息处理模块，所述信息处理模块基于补偿算法对接收的轮廓数据进行处理，获取待划线型材的位置信息；
[0031]
发送模块，所述发送模块用于发送所得到的位置信息给可编程逻辑控制器，以驱动机器人完成划线运动。
[0032]
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0033]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0034]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0035]
本发明通过提出一种基于位置误差补偿的机器人自动划线方法、系统及装置，使用位移传感器对待划线型材进行轮廓数据采集，然后对轮廓数据进行处理得到待划线型材的位置信息，最后可编程逻辑控制器驱动机器人完成划线运动，实现了机器人划线代替人工划线，增加生产效率，同时大大避免了安全事故的发生，同时本发明通过坐标误差补偿算法修正标准状况下的划线坐标值，由此可大大提高划线工序的位置精度。
附图说明
[0036]
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0037]
图1为本发明实施例的基于位置误差补偿的机器人自动划线方法的流程示意图；
[0038]
图2为本发明实施例的基于位置误差补偿的机器人自动划线系统的结构示意图；
[0039]
图3为本发明实施例的整体俯视图；
[0040]
图4为本发明实施例的关节机器人的结构图；
[0041]
图5为本发明实施例的移动小车及固定轨道的结构图；
[0042]
图6为本发明实施例的划线针结构图；
[0043]
图7为本发明实施例的位移传感器结构图；
[0044]
图8为本发明实施例的工作台整体的结构图。
[0045]
其中：1
‑
关节机器人，2
‑
移动小车，3
‑
固定轨道，4
‑
划线针，5
‑
位移传感器，6
‑
工作台，11
‑
箱体，12
‑
一轴，13
‑
驱动臂，14
‑
二轴，15
‑
大臂，16
‑
三轴，17
‑
小臂，18
‑
五轴，19
‑
末端，20
‑
六轴，21
‑
底板，22
‑
支脚，23
‑
角接触球轴承，24
‑
车轮，25
‑
驱动电机，26
‑
小齿轮，27
‑
大齿轮，28
‑
轮轴，31
‑
横向铁轨，32
‑
枕木，41
‑
圆柱筒，42
‑
弹簧，43
‑
划线针头，51
‑
壳体，52
‑
探头，61
‑
工作台架，62
‑
传送带，63
‑
支柱，64
‑
型材，111
‑
箱体底座，112
‑
箱体侧边法兰，121
‑
一轴伺服电机，122
‑
箱体大法兰，123
‑
箱体小法兰，141
‑
二轴伺服电机，142
‑
二轴法兰，143
‑
二轴曲柄，144
‑
二轴连杆，161
‑
四轴伺服电机，162
‑
四轴法兰，163
‑
四轴，251
‑
电机后端盖，252
‑
电机支承。
具体实施方式
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施
例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0047]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0049]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0050]
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0051]
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0052]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0053]
参见图1，图1公布了一种基于位置误差补偿的机器人自动划线方法，其具体步骤如下：
[0054]
s101，接收测得的待划线型材轮廓数据。
[0055]
型材轮廓数据是由位移传感器进行测量得到，型材轮廓数据是一系列离散点的坐标，位移传感器将电压信号转化成的数字信号发送给上位机。
[0056]
s102，基于补偿算法对接收的轮廓数据进行处理，获取待划线型材的位置信息。
[0057]
对轮廓数据的横坐标和纵坐标分别进行拟合生成三次样条曲线，并对三次样条曲线分别进行积分获取待划线型材的横坐标和纵坐标。
[0058]
对轮廓数据的横坐标进行拟合生成三次样条曲线，得到轮廓数据沿x轴方向的坐标值(x,z)拟合生成三次样条曲线；
[0059]
三次样条曲线函数表达式表示为下述公式(1)的形式
[0060][0061]
其中，s(x)为样条曲线函数，其中x代表离散点的横坐标；设x
i
为第i个离散点的横坐标，z
i
为第i个离散点的竖坐标；h
i
为第i个离散点和第i
‑
1个离散点在x轴方向上的距离，即h
i
＝x
i
‑
x
i
‑1，s”(x
i
‑
1)代表三次样条函数的二阶导数在x
i
‑
1处的函数值，s”(x
i
)代表三次样条函数的二阶导数在x
i
处的函数值；
[0062]
s”(x
i
‑1)和s”(x
i
)的表达式为
[0063][0064]
其中，
[0065][0066][0067]
对轮廓数据的纵坐标进行拟合生成三次样条曲线，将公式(1)中的自变量x变为y，得到轮廓数据沿y轴方向的坐标值(y,z)拟合生成三次样条曲线。
[0068]
s103，发送所得到的位置信息给可编程逻辑控制器，以驱动机器人完成划线运动。
[0069]
可编程逻辑控制器接收到上位机所发送的位置信息，对机器人发送划线指令，完成划线运动。位置信息包含机器人的移动坐标、机器人臂的转动角度、划线的起终坐标。同时还可以对可编程逻辑控制器进行设定划线力的大小，从而保证划线痕迹清晰。
[0070]
参见图2，图2公布了一种基于位置误差补偿的机器人自动划线系统，包括：
[0071]
接收模块，用于接收测得的待划线型材轮廓数据；
[0072]
信息处理模块，基于补偿算法对接收的轮廓数据进行处理，获取待划线型材的位置信息；
[0073]
发送模块，用于发送所得到的位置信息给可编程逻辑控制器，以驱动机器人完成划线运动。
[0074]
参见图3，图3为本发明实施例的整体俯视图，包括：关节机器人1，移动小车2，固定轨道3，划线针4，位移传感器5，工作台6，划线针头43。
[0075]
移动小车2在固定轨道3上横向快速运动且纵向不发生移动，划线针4与关节机器人1末端固定相连，以实现划线针头43始终垂直于型材的加工平面，位移传感器5与关节机器人1末端相连，且与划线针4垂直布置，完成测量型材轮廓的功能；工作台6位于划线机器人1的前方，且与固定轨道3平行，用于放置型材64。
[0076]
参考图4，图4为本发明实施例的关节机器人的结构图；包括：箱体底座111与底板21固定连接，以将划线机器人1固定在移动小车2上；关节机器人箱体11由竖直的一轴12与驱动臂13配合连接，驱动臂13由二轴14与大臂15配合连接，大臂15由三、四轴16与小臂17配合连接，小臂17由五轴18和六轴20与末端19配合连接；一轴12和二轴14分别装配一轴伺服电机121和二轴伺服电机141，三轴16和四轴163共同由伺服电机161驱动，用于驱动机器人完成设定的位姿变换。上位机计算出补偿后的划线坐标后，将划线坐标发送至可编程逻辑控制器。可编程逻辑控制器根据坐标值控制各伺服电机的轴旋转相应角度，使划线针头43
到达目标坐标值。箱体11侧面配有箱体侧边法兰112，其作用是用于固定箱体中的蜗杆，箱体大法兰122和箱体小法兰123均用于一轴12和箱体11之间的连接；一轴12是由一轴伺服电机121通过箱体11内部的蜗轮蜗杆机构驱动。同时二轴伺服电机141上连接曲柄143，曲柄143连接连杆144，上述构件形成曲柄摇杆机构，以驱动小臂完成相对于大臂的上下摆动。
[0077]
参见图5，图5为本发明实施例的移动小车及固定轨道的结构图；包括：
[0078]
规定以横向铁轨31自左向右的方向为坐标的x轴方向，垂直于矩形平台向上的方向为坐标的z轴方向，根据右手定则确定垂直于xoz面向工作台方向为坐标的y轴方向。移动小车主体为底板，底板底部两侧各设有两个支脚22，支脚22由角接触球轴承23与轮轴28连接，轮轴28与车轮24连接，车轮24卡在横向铁轨31上，底板21上面的一侧设有驱动电机25，驱动电机25的输出端连接小齿轮26，小齿轮与大齿轮27啮合，大齿轮27与轮轴28固定相连，电机后端盖251用于确定电机转子的空间位置以及固定转子轴承；电机支承252与底板21固定连接，用于支撑和固定驱动电机25。当上位机计算出补偿后的划线坐标后，将坐标值发送至可编程逻辑控制器。可编程逻辑控制器根据x轴坐标值控制驱动电机25，使驱动电机25驱动移动小车2以0.5m/s的速度由当前位置移动到目标位置，最终使关节机器人1中心和初始划线位置在x轴上的投影点相同，以方便后续关节机器人1完成相应的位姿变换操作。
[0079]
参见图6，图6为本发明实施例的划线针结构图；包括：
[0080]
划线针4主体为圆柱筒41，与关节机器人1末端关节相连，圆柱筒41内部固定一个具有弹簧42，弹簧42连接划线针头43，划线针头43被圆柱筒41末端卡住，使划线针头可以在圆柱筒41内部沿其轴线移动且不能掉落而出。划线针4添加弹簧42可使划线刀具43在型材不平整的平面上划线时能划出较为均匀的线。划线的形状在上位机内提前设定，只需确定划线的初始坐标，并沿上位机内预设轨迹进行运动，可编程逻辑控制器即可对移动小车2的位移和关节机器人1各轴的位姿进行合理规划，即可完成划线过程。
[0081]
参见图7，图7为本发明实施例的位移传感器结构图；包括：壳体51，探头52。
[0082]
当型材运送至工作台6后，位移传感器5开始工作。型材在理想情况下为一个大尺寸长方体钢板，但实际上在运输、存储等过程中发生了不同程度的弯曲变形，若不采用位移传感器5对型材外廓进行测量而直接按理想状况下的坐标值进行划线，将会产生误差。因此需要使用位移传感器5在型材上测定一系列离散点，所得离散点的坐标数据发送给上位机，上位机对离散点的坐标数据进行样条插值拟合，由于离散数据较多，因此拟合后的曲线与原轮廓线基本一致。再用上位机对曲线长度求取积分，当积分值等于理想情况下划线位置的坐标值时，此时所得的在曲线上的坐标值即为补偿后的真实划线坐标值。
[0083]
位移传感器5将分别用于测量型材的沿x轴方向和沿y轴方向的弯曲变形程度。由于型材x轴和y轴方向的尺寸远远大于z轴方向，因此型材的沿z轴的弯曲变形程度可忽略不计。沿x轴和沿y轴测量的工作过程和原理基本相同，因此只对其中测量xoy面的位移传感器工作过程加以详细叙述。初始状态下，移动小车2沿固定轨道3载着关节机器人1运输到在x轴方向使关节机器人箱体11几何中心距工作台左端面250mm处，关节机器人末端19移动至距型材左端面0mm处，距前端面的距离取决于理想状态下的初始划线的y坐标值。位移传感器5的轴线与工作台6的平面应始终保持垂直，此时关节机器人1带动位移传感器5缓缓下降，直至与型材的xoy面接触，此时位移传感器5测得的位移数据传送至上位机并转换为坐标数据存储，以备后续计算使用。为防止关节机器人1运动时位移传感器5的尖端对型材产
生刮蹭带来的损害，在完成位移测量后，末端19应带动位移传感器5快速升起，并移动至距左端面50mm处。重复上述过程，直至移动至距左端面500mm处。此时上位机向控制器发送指令，控制器控制驱动电机使移动小车2向x轴正方向移动500mm，然后末端19重复上述过程。最终，当位移传感器5测得位移量为0mm时，代表位移传感器5开始与工作台接触，即测量完毕，此时上位机删除该位移数据，并向控制器发送任务等待指令，控制器控制关节机器人1暂停运动。
[0084]
上位机根据上述测量沿x轴方向的一系列离散点的坐标值(x,z)拟合生成三次样条曲线，由于在型材表面的实际曲线连续且光滑，没有奇异点的存在，且所取的离散点较为密集，因此生成的三次样条曲线的误差在允许范围内，能够表达型材的实际尺寸特征。生成样条曲线后，上位机从0到变量x的范围内对曲线求取积分，并令含自变量x的积分值等于型材未变形状态即理想状态下划线的初始位置x轴的坐标值，由此求出自变量x的值，即实际状态下划线的初始位置x轴的坐标值。此时上位机将求得的x轴坐标值发送至控制器，控制器控制驱动电机25使移动小车2运动至合适位置，使关节机器人箱体11的几何中心的x轴坐标值与求得的x轴坐标值相同。
[0085]
此时，开始沿y轴方向进行上述方式的对离散点的坐标值测量，上位机亦进行相同工作，最终求得实际初始划线位置的y轴坐标值。划线工作便可以由求得的坐标开始进行，划线的具体内容由实际的加工需求决定，根据加工需求，将关节机器人末端19需要运动的关键点的坐标值输入上位机中，上位机产生一系列指令发送至控制器，控制器控制关节机器人1完成规定动作。划线工作结束后，控制器控制关节机器人末端19收回，随后控制移动小车2返回初始位置，以待下一个型材的到来。
[0086]
参见图8，图8为本发明实施例的工作台整体的结构图。
[0087]
工作台6高0.5m，长5m，宽1.5m，其主体为工作台架61，工作台架61上布置用于运输型材的传送带62，传送带上有型材64，矩形平台61由数个支柱63支撑。工作台6与左侧和右侧的设备整体形成一条生产线：型材64从生产线左侧经传送带62以0.1m/s的速度运输到工作台上，当型材64运送到合适位置时，传送带62暂停运转。此时，关节机器人1上的划线针4在型材64左侧运动，当划线针头43的圆柱面与型材64接触后，传送信号至上位机，将此位置的x轴坐标标记为0。y轴坐标的标记同上述方法，不再赘述，随后测量并进行补偿计算。待划线针头43划线以及加工完成后，由传送带62以相同速度将型材64运出，进行后续的加工或装配工序，随后等待下一个型材到达工作台6的合适位置，便重复上述过程，如此往复。
[0088]
本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
[0089]
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
[0090]
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
[0091]
所述处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicati
onspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field
‑
programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
[0092]
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。
[0093]
所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read
‑
onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0094]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。