一种基于三维扫描仪的打磨算法和装置的制作方法

1.本发明属于机械加工技术领域，尤其是一种基于三维扫描仪的打磨算法。


背景技术：

2.目前，在各类金属材料加工领域，打磨工序大多还停留在由人工操作的阶段，打磨的机械化和自动化水平很低，尤其是大尺寸零件的打磨基本停留在人工锤击和砂轮打磨阶段，现场作业环境恶劣，工人劳动强度大，且打磨产生的金属粉尘对工人身体健康有害，急需机器人在此领域代替人工。
3.现有技术中，通常采用一下几种方法：对于公差非常小的工件，如厨卫水龙头等，可以通过机器人示教路径的方法，人工标记工件上的全部打磨点位，存入机器人控制器后形成固定的打磨路径。这种方法的缺点是：对于同类型待打磨工件，打磨的路径存入机械臂之后是固化的不可变的，并且由于这种打磨方法在打磨工件时完全遵循预先设定的打磨路径(即示教路径)，这就要求待打磨的工件的公差非常小，一旦公差超限，就会导致预先设定的打磨路径偏离待打磨区域，打磨时就很容易损伤工件本体。
4.对于公差较小的工件，采用人工示教打磨路径结合自动路径纠偏的方法。这种方法需要根据工件的种类预先设定打磨路径(即示教路径)在实际打磨过程中再根据待打磨区域进行自动路径纠偏。以上方法的缺点在于：对于公差达到1mm以上的超大型工件(长两米以上)，示教打磨路径方法需要大量繁琐的人工示教工作，而压力式柔性打磨工具适用的范围较小，无法用来打磨特殊材料制作的工件；这种人工示教方法应用于待打磨点位非常多的工件时，需要对每一个打磨点位都进行准确的人工示教，将耗费大量工时，且一旦人工示教出现问题，后续打磨工序也将会出现问题，整道打磨工序对人工要求非常高。
5.综上所述，需要开发一种可以应用于表面一致性差、公差很大(大于1mm)且尺寸超大的工件的全自动路径规划打磨算法。


技术实现要素：

6.为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种基于三维扫描仪的打磨算法和装置，以解决背景技术所涉及的问题。
7.第一方面，本发明提供一种基于三维扫描仪的打磨算法，包括如下步骤：
8.步骤1、准备工作，标定三维扫描仪坐标系；
9.步骤2、机器人示教扫描位置和扫描姿态；
10.步骤3、扫描工件获得数据；
11.步骤4、拟合打磨区域所在平面或曲面方程，计算打磨区域边界，面积和高度；
12.步骤5、计算打磨姿态，计算打磨路径控制点；
13.步骤6、自动规划打磨路径，沿路经打磨；
14.步骤7、打磨效果评估。
15.优选地或可选地，所述步骤4还包括如下步骤：
16.步骤41、根据三维扫描仪得到的三维数据，拟合打磨区域所在曲面方程或者平面方程表面方程；
17.步骤42、计算打磨区域边界和高度，计算边界的最小外接矩形或圆，计算矩形或圆的面积。
18.优选地或可选地，所述步骤41还包括如下步骤：
19.步骤411、对数据进行随机降采样；
20.步骤412、使用降采样的数据拟合曲面方程或平面方程；
21.步骤413、重复步骤11至12，获得多个曲面方程或平面方程。
22.步骤414、用降采样之前的数据对所有拟合得到的曲面方程或平面方程逐一进行校验，获得拟合程度最好的方程，将这个方程作为打磨区域所在曲面方程或者平面方程表面方程。
23.优选地或可选地，所述步骤42还包括如下步骤：
24.步骤421、筛选出三维扫描仪得到的三维数据中z轴坐标值大于阈值的数据点，计算打磨区域边界和高度；
25.步骤422、根据打磨区域边界，计算最小外接矩形或最小外接圆；
26.步骤423、计算最小外接矩形或最小外接圆的面积。
27.优选地或可选地，所述步骤5还包括如下步骤：
28.步骤51、根据待打磨区域外接矩形或者外接圆规划砂轮打磨路径；
29.步骤52、根据待打磨区域所在的曲面或平面的方程计算控制点邻域内曲面或平面的法向量，计算该控制点邻域内机器人打磨姿态，即机器人运行到控制点时的姿态。
30.优选地或可选地，所述步骤51还包括：
31.步骤511、根据外接矩形的面积或外接圆的面积，计算砂轮覆盖外接矩形面积所需要行进的最佳路径；
32.步骤512、将最佳路径分割为多个直线路径段，每个路径段就是对应的两个路径控制点之间的最短连线。
33.优选地或可选地，所述步骤52包括：
34.根据待打磨区域所在的曲面的方程，计算路径控制点与邻域范围内法向量，绘制法向量直方图，确定该控制点领域内占主导地位的法向量，根据该法向量计算机器人在控制点邻域内的打磨姿态。
35.优选地或可选地，所述步骤7还包括如下步骤：
36.扫描打磨区域，根据三维扫描仪得到的三维数据，计算区域内残余高度，若高度大于阈值，则重复进行步骤4至7。
37.第二方面，本发明还提供一种基于三维扫描仪的打磨装置，所述装置包括：
38.第一预设单元，适于标定三维扫描仪坐标系；
39.第二预设单元，适于机器人示教扫描位置和扫描姿态；
40.第一输入单元，适于扫描工件获得数据；
41.第一计算单元，适于拟合打磨区域所在曲面方程，计算打磨区域边界，面积和高度；
42.第二计算单元，适于计算打磨姿态，计算打磨路径控制点；
43.第一输出单元，适于自动规划打磨路径，沿路经打磨；
44.第一判断单元，适于打磨效果评估。
45.第三方面，本发明还提供一种基于三维扫描仪的打磨用服务器，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时实现所述基于三维扫描仪的打磨方法的步骤。
46.第四方面，一种计算机可读存储介质，该程序被处理器执行时实现所述基于三维扫描仪的打磨方法的步骤。
47.本发明涉及一种基于三维扫描仪的打磨算法和装置，相较于现有技术，具有如下有益效果：本发明能够实现工件待打磨区域的平面磨和曲面磨，其中平面打磨能够达到高精度和高稳定性，曲面打磨能够实现打磨区域和工件本体之间平滑过度的打磨效果，同时扫描整个工件和全自动路径规划能够符合生产节拍；本发明可应用于不同类型的工件，包括大型和小型工件，特别适用于大型工件一致性非常差或者公差非常大的情况。
附图说明
48.图1是本发明实施例1中一种基于三维扫描仪的打磨算法的流程示意图。
49.图2为本发明实施例1中所涉及的面积计算示意；图中框1所示是待打磨区域，框 2所示是待打磨区域所处的工件基准表面。
50.图3为本发明实施例2中一种基于三维扫描仪的打磨装置。
51.图4为本发明实施例3中示例性电子设备的结构示意图。
52.附图标记为：第一预设单元11、第二预设单元12、第一输入单元13、第一计算单元14、第二计算单元15、第一输出单元16、第一判断单元17。
具体实施方式
53.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
54.实施例1
55.参阅附图1，一种基于三维扫描仪的打磨算法，包括如下步骤：
56.步骤1、准备工作，标定三维扫描仪坐标系；
57.具体而言，步骤1的详细技术方案是：机器人末端法兰(tool0)安装砂轮和三维扫描仪(toolscanner)，末端和法兰之间呈现固定的位置关系，这个关系可以表达为两者之间的刚体变换矩阵toolscanner。在机器人运动范围内安装用于夹持待打磨工件的工装，该工装与机器人base位置相对固定，用coordwobj表示打磨工件坐标系。
58.步骤2、机器人示教扫描位置和扫描姿态；
59.具体而言，步骤2的详细技术方案是：操纵机器人运动至每一个待打磨区域(m1， m2，...，mn)，并标记扫描待打磨区域的起始点pointa1，pointa2，...，pointan和终点 pointb1，pointb2，...，pointbn保存每个扫描起始点和终点的位置和此时机器人的扫描姿态posa1，posa2，...，posan。
60.步骤3、扫描工件获得数据；
61.具体而言，步骤3的详细技术方案是：机器人根据算法指令，自动运行到步骤(4) 中所记录的pointa1处，机器人到达点位之后自动打开三维扫描仪，调整为posa1姿态并保持该姿态运行到pointb1，保存三维扫描仪扫描得到的数据data1。重复本步骤，直至所有打磨区域都扫描完毕，获得所有待打磨区域的数据data1，data2，...，datan。
62.步骤4、拟合打磨区域所在平面或曲面方程，计算打磨区域边界，面积和高度；
63.具体而言，步骤4的详细技术方案是：使用在步骤3中获得的扫描数据data1， data2，...，datan，对数据拟合待打磨区域附近表面的方程，筛选出三维扫描仪得到的三维数据中z轴坐标值大于阈值的数据点，计算打磨区域边界和高度；
64.其中，由于步骤3中获取扫描数据的数量比较多，分析时特别耗时；而在打磨过程中需要装置快速作出反应，因此，本实施例中还提出了一种优选的拟合方法，包括如下步骤：对数据进行随机降采样；使用降采样的数据拟合曲面方程或平面方程；重复步骤 11至12，获得多个曲面方程或平面方程。用降采样之前的数据对所有拟合得到的曲面方程或平面方程逐一进行校验，获得拟合程度最好的方程，将这个方程作为打磨区域所在曲面方程或者平面方程表面方程f(x,y)＝ax2 by2 cxy dx ey k。
65.使用在步骤3中获得扫描数据data1，data2，...，datan，筛选出所有大于高度阈值的点，这些点组成待打磨区域点集，计算待打磨区域的边界和面积。根据打磨区域边界，计算最小外接矩形或最小外接圆；计算最小外接矩形或最小外接圆的面积。
66.步骤5、计算打磨姿态，计算打磨路径控制点；
67.具体而言，步骤5的详细技术方案是：根据打磨区域面积、边界、砂轮尺寸和打磨工艺，计算打磨区域的最大外接矩形，计算砂轮覆盖外接矩形面积所需要行进的最短路径规划，将该路径分割成多个直线段，获得直线段两端的控制点，形成打磨路径；
68.计算所有待打磨区域边界附近表面的法线，将计算得到的打磨路径控制点沿着最近的法线方向投影到曲面，计算路径控制点与邻域(0,ε)范围内法向量，绘制法向量直方图，确定该控制点领域内占主导地位的法向量，根据该法向量计算机器人在控制点邻域内的打磨姿态。根据打磨高度h、边界b和砂轮类型自动调整打磨路径、打磨次数和打磨姿态。
69.步骤6、自动规划打磨路径，沿路经打磨；
70.具体而言，步骤7的详细技术方案是：根据步骤6计算出的打磨路径、打磨姿态，以及砂轮尺寸、打磨工艺参数等规划在该路径上、该姿态下需要的打磨次数，对工件进行打磨。
71.步骤7、打磨效果评估。
72.具体而言，步骤7的详细技术方案是：扫描打磨区域，根据三维扫描仪得到的三维数据，计算区域内残余高度，若高度大于阈值，则重复进行步骤4至7。
73.整个打磨过程中只有“机器人示教扫描位置和扫描姿态”这一个步骤需要人工参与，可见，本发明能够通过全自动路径规划打磨算法，大幅度降低打磨过程中人工参与的程度。同时，作为全自动路径规划打磨算法的子模块，打磨效果评估算法可以保证打磨效果符合预期。本发明可以应用于不同类型的全自动路径规划打磨应用，特别适用于公差大、一致性差的大型工件的打磨应用。
74.实施例2
75.基于与前述实施例1中一种基于三维扫描仪的打磨方法同样的发明构思，本发明还提供一种基于三维扫描仪的打磨装置，如图3所示，所述装置包括：
76.第一预设单元，适于标定三维扫描仪坐标系；
77.第二预设单元，适于机器人示教扫描位置和扫描姿态；
78.第一输入单元，适于扫描工件获得数据；
79.第一计算单元，适于拟合打磨区域所在曲面方程，计算打磨区域边界，面积和高度；
80.第二计算单元，适于计算打磨姿态，计算打磨路径控制点；
81.第一输出单元，适于自动规划打磨路径，沿路经打磨；
82.第一判断单元，适于打磨效果评估。
83.进一步的，所述装置还包括：
84.第四计算单元，适于根据三维扫描仪得到的三维数据，拟合打磨区域所在曲面方程或者平面方程表面方程；
85.第五计算单元，适于计算打磨区域边界和高度，计算边界的最小外接矩形，计算矩形面积。
86.进一步的，所述装置还包括：
87.第六计算单元，适于对数据进行随机降采样；
88.第七计算单元，适于使用降采样的数据拟合曲面方程或平面方程；
89.第八计算单元，适于重复步骤11至12，获得多个曲面方程或平面方程。
90.第九计算单元，适于用降采样之前的数据对所有拟合得到的曲面方程或平面方程逐一进行校验，获得拟合程度最好的方程，将这个方程作为打磨区域所在曲面方程或者平面方程表面方程。
91.进一步的，所述装置还包括：
92.第十计算单元，适于筛选出三维扫描仪得到的三维数据中z轴坐标值大于阈值的数据点，计算打磨区域边界和高度；
93.第十一计算单元，适于根据打磨区域边界，计算最小外接矩形或最小外接圆；
94.第十二计算单元，适于计算最小外接矩形或最小外接圆的面积。
95.进一步的，所述装置还包括：
96.第十三计算单元，适于根据待打磨区域外接矩形或者外接圆规划砂轮打磨路径；
97.第十四计算单元，适于根据待打磨区域所在的曲面或平面的方程计算控制点邻域内曲面或平面的法向量，计算该邻域内打磨姿态，即机器人运行到控制点时的姿态。
98.进一步的，所述装置还包括：
99.第十五计算单元，适于据外接矩形的面积或外接圆的面积，计算砂轮覆盖外接矩形面积所需要行进的最佳路径；
100.第十六计算单元，适于将最佳路径分割为多个直线路径段，每个路径段就是对应的两个路径控制点之间的最短连线。
101.进一步的，所述装置还包括：
102.第十七计算单元，适于根据待打磨区域所在的曲面的方程，计算路径控制点与邻域范围内法向量，绘制法向量直方图，确定该控制点领域内占主导地位的法向量，根据该法
向量计算机器人在控制点邻域内的打磨姿态。
103.进一步的，所述装置还包括：
104.第十八计算单元，适于扫描打磨区域，根据三维扫描仪得到的三维数据，计算区域内残余高度，若高度大于阈值，则重复进行步骤4至7。
105.前述实施例1中的一种基于三维扫描仪的打磨方法的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的一种基于三维扫描仪的打磨装置，通过前述对一种基于三维扫描仪的打磨方法的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中一种基于三维扫描仪的打磨装置的实施方法，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。
106.实施例3
107.基于与前述实施例中一种基于三维扫描仪的打磨方法同样的发明构思，本发明还提供一种基于三维扫描仪的打磨用服务器，如图4所示，图4为实施例3中示例性电子设备，包括存储器304、处理器302及存储在存储器304上并可在处理器302上运行的计算机程序，所述处理器302执行所述程序时实现前文所述基于三维扫描仪的打磨方法的任一方法的步骤。
108.其中，在图4中，总线架构(用总线300来代表)，总线300可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线300将包括由处理器302代表的一个或多个处理器和存储器304 代表的存储器的各种电路链接在一起。总线300还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路链接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口305在总线300和接收器301和发送器303之间提供接口。接收器301和发送器303可以是同一个元件，即收发机，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。
109.处理器302负责管理总线300和通常的处理，而存储器304可以被用于存储处理器 302在执行操作时所使用的数据。
110.实施例4
111.基于与前述实施例中一种基于三维扫描仪的打磨方法同样的发明构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以下步骤：步骤1、准备工作，标定三维扫描仪坐标系；步骤2、机器人示教扫描位置和扫描姿态；步骤3、扫描工件获得数据；步骤4、拟合打磨区域所在曲面方程，计算打磨区域边界，面积和高度；步骤5、计算打磨姿态，计算打磨路径控制点；步骤6、自动规划打磨路径，沿路经打磨；步骤7、打磨效果评估。
112.本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：能够实现工件待打磨区域的平面磨和曲面磨，其中平面打磨能够达到高精度和高稳定性，曲面打磨能够实现打磨区域和工件本体之间平滑过度的打磨效果，同时扫描整个工件和全自动路径规划能够符合生产节拍；本发明可应用于不同类型的工件，包括大型和小型工件，特别适用于大型工件一致性非常差或者公差非常大的情况。
113.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。