阀体铸件浇冒口切割定位装置及定位方法

1.本发明涉及阀体制造技术领域，尤其涉及一种阀体铸件浇冒口切割定位装置及定位方法。


背景技术：

2.作为管路流体输送系统中控制输送介质流动的控制部件，阀门广泛应用于石油、化工、冶金及电力等领域，用来改变通路断面和介质流动方向，实现导流、截止、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。阀门的主要部件阀体由于其内部结构复杂，基本采用铸造工艺制造毛胚。铸造工艺所使用的浇冒口作为必然产生的“多余”部分需要切割掉，以便于后续的机械加工。目前，对于阀门浇冒口的切割，基本采用人工手持砂轮切割机的方式对浇冒口进行切割，这种方式劳动强度大、切割效率低下，在切割过程中产生的大量金属粉尘和烟雾漂浮在空气中，造成了环境污染。同时，切割人员吸入这些粉尘，容易患上诸如尘肺等职业疾病，也对企业的社会形象造成了负面影响。因此，研发阀体浇冒口自动化切割方法和设备，已经成为阀门生产企业迫切需要解决的问题。
3.随着工业机器人技术的发展和日趋成熟，目前机器人也逐渐应用到阀体等铸件的浇冒口切割中。普遍采用的方式是将阀体铸件装夹在机械装置上，在机器人末端安装切割工具，如切割片、火焰切割枪等，通过示教方式确定切割轨迹，然后控制机器人按照示教轨迹运动，完成切割。这种方式的优点是对于同种铸件，理论上可以调用同一个示教轨迹进行切割。但在实际中，由于铸件是一个毛坯件且形状比较复杂，难以找到比较合适的定位粗基准，定位精度低，实际切割轨迹与理论切割偏差过大，出现过切或者欠切的现象。另外，该方法对于不同的铸件需要不同的定位及装夹装置，当切割的铸件种类较多且为小批量生产时，定位装夹装置的生产制造成本企业难以承受。因此，实际中通常采用对每个定位装夹后的铸件单独示教以获得最佳切割轨迹的方法来避免过切或者欠切的发生，需要花费较长的时间进行示教和定位装夹工作，效率远低于人工的切割方式，难以满足企业的生产要求。


技术实现要素：

4.为解决上述技术中存在的技术问题，鉴于此，有必要提供一种阀体铸件浇冒口切割定位装置及定位方法。
5.一种阀体铸件浇冒口切割定位装置，包括机器人、立体视觉装置、偏差检测装置、连接装置、计算机设备，所述立体视觉装置包括立体视觉相机及用于支撑立体视觉相机的支撑架，所述立体视觉相机可拆卸的安装在支撑架的顶部，立体视觉相机沿支撑架的顶部依次等距分布，所述支撑架呈“c”形，所述连接装置包括连接法兰、定位盘、t型标定杆，所述连接法兰设置在机器人的端部，连接法兰远离机器人端部的一侧表面上开设有t型槽，所述t型标定杆安装在t型槽内，并且t型标定杆的端部延伸到连接法兰的外部，所述定位盘安装在连接法兰远离机器人端部的一侧表面，定位盘将t型标定杆固定在t型槽内，所述偏差检测装置安装在t型标定杆上，所述计算机设备与立体视觉相机及机器人建立以太网连接。
6.优选的，所述连接法兰与机器人端部连接的一侧表面上设置有连接凸台，所述机器人的端部设置有定位止口，所述连接凸台能够插入到定位止口内，并且连接凸台与定位止口固定连接。
7.优选的，所述偏差检测装置包括滑动杆、固定组件、十字激光器，所述固定组件安装在t型标定杆上，所述滑动杆安装在固定组件上，并且滑动杆能够沿固定组件的纵向方向上下移动，所述十字激光器安装在滑动杆的下端。
8.优选的，所述固定组件包括固定块、压板，所述固定块安装在t型标定杆上，固定块的一侧表面上开设有用于滑动杆滑行移动的滑槽，所述压板固定在固定块设置滑槽的一侧表面上，将滑动杆夹持在固定块上的滑槽内，所述固定块远离压板的一侧表面上设置有连接板，所述连接板与t型标定杆固定连接。
9.一种阀体铸件浇冒口切割定位方法，包括如下步骤，
10.s1、对切割定位装置进行组装；
11.s2、立体视觉相机坐标系{c}的建立；
12.s3、建立阀体坐标系{v}与立体视觉相机坐标系{c}的变换关系；
13.s4、建立机器人坐标系{r}与立体视觉相机坐标系{c}的变换关系；
14.s5、建立定位盘坐标系{p}与机器人坐标系{r}的变换关系；
15.s6、建立机器人坐标系{r}与阀体坐标系{v}的变换关系；
16.s7、机器人运动参数的计算；
17.s8、将阀体铸件固定在定位盘上，按照计算得出的机器人运动参数，利用切割设备对阀体铸件的浇冒口进行切割。
18.由上述技术方案可知，本发明提供的阀体铸件浇冒口切割定位装置及定位方法，可实现对同种阀体定位盘能够以相同位置和姿态定位到阀体铸件的上方，操作者将阀体铸件与定位盘通过焊接或者组装方式固定在一起后，再将其定位安装到切割设备上，满足同种阀体以相同位置和姿态装夹在自动化切割设备上，用同一程序完成同种阀体铸件浇冒口的切割，为浇冒口的自动化切割奠定了基础，解决企业面临的迫切问题。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
20.图1为本发明的结构示意图。
21.图2为本发明偏差检测装置与t型标定杆连接的结构示意图。
22.图3为本发明偏差检测装置的结构示意图。
23.图4为本发明连接装置的结构示意图。
24.图5为本发明连接法兰、定位盘连接的结构示意图。
25.图6为本发明连接法兰、t型标定杆连接的结构示意图。
26.图7为本发明连接法兰的结构示意图。
27.图8为本发明机器人端头的结构示意图。
28.图9为本发明固定块的结构示意图。
29.图10为本发明坐标系变换原理图。
30.图中：立体视觉装置01、立体视觉相机11、支撑架12、机器人02、偏差检测装置03、滑动杆31、固定组件32、固定块321、压板322、连接板323、滑槽324、十字激光器33、连接装置04、连接法兰41、定位盘42、t型标定杆43、t型槽44、连接凸台45、定位止口05、阀体铸件06。
具体实施方式
31.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”、“下”等指示方位或位置关系，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组件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。
33.一种阀体铸件浇冒口切割定位方法，该方法利用阀体铸件浇冒口切割定位装置进行定位，其具体步骤如下：
34.s1、对切割定位装置进行组装；
35.请参看图1至图9，其中，切割定位装置包括机器人02、立体视觉装置01、偏差检测装置03、连接装置04，立体视觉装置01包括立体视觉相机11及用于支撑立体视觉相机11的支撑架12，立体视觉相机11可拆卸的安装在支撑架12的顶部，立体视觉相机11沿支撑架12的顶部依次等距分布，支撑架12呈“c”形。立体视觉相机11、计算机设备、机器人02相互之间通过以太网连接。立体视觉相机11可实现对三维空间中物体坐标的测量，厂家自带标定软件和标定装置。将立体视觉相机11安装好，确定工作空间后，按照厂家的说明书和软件，即可快速完成相机坐标系的建立，在此不对其建立过程进行详细说明。连接装置04包括连接法兰41、定位盘42、t型标定杆43，连接法兰41设置在机器人02的端部，连接法兰41远离机器人02端部的一侧表面上开设有t型槽44，t型标定杆43安装在t型槽44内，并且t型标定杆43的端部延伸到连接法兰41的外部，定位盘42安装在连接法兰41远离机器人02端部的一侧表面，定位盘42将t型标定杆43固定在t型槽44内，定位盘42与连接法兰41采用螺栓固定。偏差检测装置03安装在t型标定杆43上，偏差检测装置03用于检测定位偏差。
36.连接法兰41与机器人02端部连接的一侧表面上设置有连接凸台45，机器人02的端部设置有定位止口05，连接凸台45能够插入到定位止口05内，并且连接凸台45与定位止口05固定连接。连接法兰41与机器人02端部采用螺栓固定。
37.偏差检测装置03包括滑动杆31、固定组件32、十字激光器33，固定组件32安装在t型标定杆43上，滑动杆31安装在固定组件32上，并且滑动杆31能够沿固定组件32的纵向方向上下移动，可根据阀体铸件06大小上下滑动，实现对十字激光器33的位置调节。十字激光器33安装在滑动杆31的下端，十字激光器33与滑动杆31采用螺栓固定。
38.固定组件32包括固定块321、压板322，固定块321安装在t型标定杆43上，固定块321的一侧表面上开设有用于滑动杆31滑行移动的滑槽324，压板322固定在固定块321设置滑槽324的一侧表面上，将滑动杆31夹持在固定块321上的滑槽324内。压板322与固定块321
采用螺钉固定。
39.固定块321远离压板322的一侧表面上设置有连接板323，连接板323与t型标定杆43固定连接。连接板323与t型标定杆43采用螺栓固定。
40.s2、建立立体视觉相机坐标系{c}；
41.立体视觉相机系统是由4台红外相机构成的多相机立体视觉系统，可实现对三维空间中物体坐标的测量，厂家自带标定软件和标定装置。将相机安装好，确定工作空间后，按照厂家的说明书和软件，即可快速完成立体视觉相机坐标系{c}的建立，在此不再赘述。
42.s3、建立机器人坐标系{r}与立体视觉相机坐标系{c}的变换关系；
43.建立机器人坐标系{r}，以机器人端部定位止口的圆心为坐标原点，x轴规定为螺栓孔中心与定位止口圆心的连线，方向由螺栓孔中心指向定位止口圆心，z轴为机器人端部轴线方向，y轴由右手法则确定；
44.在t型标定杆上沿x轴方向放置两个标记球d、e，且保证d、e对称布置在机器人坐标原点两侧；沿y轴方向放置两个标记球f、g，利用立体视觉相机获得d、e、f、g点在立体视觉相机坐标系{c}中的坐标，分别为：
[0045][0046]
机器人坐标系{r}可以看作是与立体视觉相机坐标系{c}重合的坐标系经过旋转及平移后得到的，旋转代表姿态的变化，可用3
×
3旋转矩阵表示，记为平移代表了原点的变化，用3
×
1的向量表示，即机器人坐标系{r}的原点or在立体视觉相机坐标系{c}中的坐标，记为cor，取d、e两点的中点作为机器人坐标系{r}的坐标原点or，则or在立体视觉相机坐标系{c}中的坐标cor为：
[0047][0048]
机器人坐标系{r}的x轴上单位向量在立体视觉相机坐标系{c}中表示为：
[0049][0050]
机器人坐标系{r}的y轴上单位向量在立体视觉相机坐标系{c}中表示为：
[0051][0052]
机器人坐标系{r}的z轴单位向量在立体视觉相机坐标系{c}中对应的单位向量可由和的叉积求得，即：
[0053][0054]
在立体视觉相机坐标系中，立体视觉相机坐标系x、y、z轴的单位向量可以表示为：
[0055][0056]
旋转矩阵中的元素可以表示机器人坐标系{r}各坐标轴在立体视觉相机坐标系{c}中的单位向量与立体视觉相机坐标系x、y、z轴的单位向量e
cx
、e
cy
、e
cz
相互之间的点积，即：
[0057][0058]
s4、建立阀体坐标系{v}与立体视觉相机坐标系{c}的变换关系；
[0059]
建立阀体坐标系{v}，在阀体铸件上根据设计基准铸造3个圆形凸台，在圆形凸台上分别对应的放置反光标记球a、b、c，其中，a、b两点连线的中点记为ov，取ov为坐标原点，向量作为x轴，a、b、c三点构成的平面的法向量作为z轴，y轴根据右手法则确定,保证直线cov⊥
ab，立体视觉相机拍摄获得3个反光标记球在立体视觉相机坐标中的坐标，分别记为：
[0060][0061]
阀体坐标系{v}可以看作是与立体视觉相机坐标系{c}重合的坐标系经过旋转及平移后得到的，旋转代表姿态的变化，可用3
×
3旋转矩阵表示，记为平移代表了原点的变化，用3
×
1的向量表示，即阀体坐标系{v}的原点ov在立体视觉相机坐标系{c}中的坐标，记为cov,则有：
[0062][0063]
阀体坐标系{v}的x轴上的单位向量在立体视觉相机坐标系{c}中用表示，则有：
[0064][0065]
在立体视觉相机坐标系{c}中，连接ca和cb构建向量和则阀体坐标系{v}的z轴在立体视觉相机坐标系{c}中对应的向量为这两个向量的叉积，用表示阀体坐标系{v}的z轴在立体视觉相机坐标系{c}中的单位向量，则有：
[0066]
[0067]
阀体坐标系{v}的y轴的单位向量在立体视觉相机坐标系{c}中用表示，则其为阀体坐标系{v}的x轴与z轴在立体视觉相机坐标系{c}中的单位向量的叉积，即：
[0068][0069]
在立体视觉相机坐标系中，立体视觉相机坐标系x、y、z轴的单位向量可以表示为：
[0070][0071]
则旋转矩阵中的元素可以表示阀体坐标系{v}各坐标轴在立体视觉相机坐标系{c}中的单位向量与立体视觉相机坐标系x、y、z轴的单位向量e
cx
、e
cy
、e
cz
相互之间的点积，即：
[0072][0073]
s5、建立定位盘坐标系{p}与机器人坐标系{r}的变换关系；
[0074]
建立定位盘坐标系{p}，以定位盘的2个螺栓孔中心的连线作为x轴，垂直定位盘平面的方向作为z轴，y轴按照右手法则确定，将其中心作为坐标原点o
p
，可以看出，这样建立定位盘坐标系时，其x轴和y轴与机器人坐标系的x轴和y轴平行，且z轴重合，定位盘坐标系{p}与机器人坐标系{r}之间只存在平移，不存在坐标轴的旋转，两者之间的旋转变换矩阵为单位矩阵，即：
[0075][0076]
设定位盘的厚度为h
p
＝40mm，连接法兰的厚度为hf＝40mm，则定位盘坐标系{p}的原点在机器人坐标系{r}中的坐标为：
[0077][0078]
s6、建立机器人坐标系{r}与阀体坐标系{v}的变换关系；
[0079]
切割定位装置要实现的功能是使机器人带动定位盘由初始位置运动到阀体铸件的上方，此时定位盘坐标系{p}的xoy平面与阀体坐标系{v}的xoy平面平行，z轴重合，坐标原点相差一个固定的高度h＝200mm，由于定位盘坐标系{p}的x轴和y轴与机器人坐标系{r}的x轴和y轴平行，且z轴重合，只在z轴方向相差一个高度h
p
+hf＝80mm，所以可以将定位盘坐标系{p}合并到机器人坐标系{r}中；
[0080]
即将机器人的平移运动看作是将其坐标原点从初始位置移动到阀体坐标系{v}的z轴的h+h
p
+hf＝280mm处，这样只需要考虑立体视觉相机坐标系{c}、阀体坐标系{v}、机器人坐标系{r}之间的变换关系；
[0081]
基于上述的合并，机器人的运动可以看作是从初始位置开始，机器人坐标系{r}旋转平移后与立体视觉相机坐标系{c}重合，再经过旋转平移运动后坐标原点移动到空间点p，z轴与阀体坐标系{v}的z轴重合，x轴、y轴与阀体坐标系{v}的x轴、y轴平行，据此，可以建立机器人坐标系{r}与阀体坐标系{v}的变换关系，机器人坐标系{r}与阀体坐标系{v}之间的旋转变换矩阵记为则有：
[0082][0083]
空间点p在阀体坐标系{v}中的坐标记为vp,则有：
[0084][0085]
空间点p在立体视觉相机坐标系{c}中的坐标记为cp,则有：
[0086][0087]
空间点p在机器人坐标系{r}中的坐标记为rp，则有：
[0088][0089]
由上述公式可得，平移向量rp为：
[0090][0091]
s7、机器人运动参数的计算；
[0092][0093]
可得，γ＝0.54
°
；
[0094][0095]
可得，β＝0.38
°
；
[0096][0097]
可得，
[0098]
机器人沿机器人坐标系{r}的3个坐标系轴xr、yr、zr的平移量δx、δy、δz为：
[0099]
δx＝rp
ꢀꢀ
(1)
[0100]
可得，δx＝-12.79mm；
[0101]
δy＝rp
ꢀꢀ
(2)可得，δy＝-4.78mm；
[0102]
δz＝rp
ꢀꢀ
(3)
[0103]
可得，δz＝-279.71mm；
[0104]
计算出机器人的运动参数后，通过以太网发送给机器人控制器，控制机器人按照参数运动，即可实现将定位盘与阀体铸件之间的定位。
[0105]
s8、将阀体铸件固定在定位盘上，按照计算得出的机器人运动参数，利用切割设备
对阀体铸件的浇冒口进行切割。操作者观察将偏差检测装置的十字激光器投射到阀体铸件上的十字光线，估算角度和平移补偿量，操作机器人进行运动，以让实际切割线与理论切割线的偏差控制在规定范围内。
[0106]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。