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基于圖像灰度的計算機輔助加工方法

文檔序號:10686337閱讀:299來源:國知局
基于圖像灰度的計算機輔助加工方法
【專利摘要】本發明屬于計算機輔助機器人加工領域,具體涉及一種基于圖像灰度的計算機輔助加工方法,包括以下步驟:第一步,獲得可以表征待加工工件表面信息的灰度圖片;第二步,根據工件灰度圖片設定工件加工的刀痕矩陣;第三步,選取加工刀具類型,并根據選取的加工刀具類型對刀痕矩陣進行濾波修正;第四步,根據加工工件特征選擇加工刀具的加工路徑;第五步,以上述步驟獲得的數據為基礎設置工業機器人加工參數,生成加工程序。本發明可以根據用戶的加工目的來調節加工工藝參數,且可以直接生成應用于工業機器人的作業程序,做到完全離線編程,用戶接口友好,易用性強。
【專利說明】
基于圖像灰度的計算機輔助加工方法
技術領域
[0001] 本發明屬于計算機輔助機器人加工領域,具體涉及一種基于圖像灰度的計算機輔 助加工方法。
【背景技術】
[0002] 隨著機器人技術的不斷成熟和完善,機器人被廣泛應用于各個領域。然而,在機器 人雕刻、銑削、拋光、打磨、表面加工處理等場合,由于大型工件具有曲面復雜度高,形態多 變等特點,在實際作業時,需要對機器人的每個作業點的精確位置編程,如果采用人工手動 編程,一次編程調試作業往往需要數天甚至更長,費時費力且無法保證精度。
[0003] 研究開發一種可以利用計算機輔助進行復雜曲面離線編程的軟件算法,以解決上 述問題。目前國內從事此類軟件算法研發的企業較少,普遍存在如下的難題:
[0004] (1)此類算法軟件大部分基于3D模型,易用性不強,擴展性差;
[0005] (2)此類算法軟件大多適用于數控機床等設備,對工業機器人支持不夠;
[0006] (3)此類算法軟件大多無法適配多種加工工藝。

【發明內容】

[0007] 為解決上述技術問題,本發明的目的在于:提供一種基于圖像灰度的計算機輔助 加工方法,可以根據用戶的加工目的來調節加工工藝參數,且可以直接生成應用于工業機 器人的作業程序,做到完全離線編程,用戶接口友好,易用性強。
[0008] 本發明為解決其技術問題所采用的技術方案為:
[0009] 所述基于圖像灰度的計算機輔助加工方法,包括以下步驟:
[0010] 第一步,獲得可以表征待加工工件表面信息的灰度圖片;
[0011] 第二步,根據工件灰度圖片設定工件加工的刀痕矩陣;
[0012] 第三步,選取加工刀具類型,并根據選取的加工刀具類型對刀痕矩陣進行濾波修 正;
[0013] 第四步,根據加工工件特征選擇加工刀具的加工路徑;
[0014] 第五步,以上述步驟獲得的數據為基礎設置機器人加工參數,生成加工程序。
[0015] 其中,優選方案為:
[0016]所述刀痕矩陣的生成過程如下:
[0017] 接收到第一步所述的灰度圖片之后,分析該圖片的像素的寬、高信息,結合用戶設 定的工件尺寸的寬、高信息,并根據"圖片的寬高像素數"與"工件的寬高毫米數"的比例,決 定每毫米的工件需要加工多少"像素",即需要加工多少"刀痕",形成一個完整的刀痕矩陣 數據庫。
[0018] 所述第三步中濾波修正原理為:
[0019] 定義加工刀具底端能夠與工件接觸的部分為刀刃,刀具底端中心為尖端刃,其余 部分為輔助刃,尖端刃自頂向下接近加工點(X0,Y0,Z0)時,其中X0和Y0表征該加工點在平 面中的坐標,Z0表征尖端刃加工高度,計算輔助刃所覆蓋的加工點,尖端刃加工(XO,YO,ZO) 點時,輔助刃會損害其覆蓋的加工點的原始加工內容,計算輔助刃對其覆蓋加工點的最大 損傷量,記錄該損傷量為A Z,A Z為Z0與輔助刃當前覆蓋加工點最低加工高度之差,如果A Z彡0,則進行修正,修正后的尖端刃加工點為(XO,YO,Z0+ A Z)。
[0020] 所述加工刀具包括球頭刀、平頭銑刀和圓角平頭刀,加工時,根據加工需求進行選 擇。
[0021] 所述球頭刀濾波修正過程如下:
[0022] 所述球頭刀刀柄直徑為D,球頭半徑為r,r = D/2,定義球頭刀刀具底端能夠與工件 接觸的部分為刀刃,刀具底端中心為尖端刃,其余部分為輔助刃,當刀具的尖端刃加工的位 置所在的空間坐標點為(X0,Y0,Z0)時,其中,X0和Y0表征該加工點在平面中的坐標,Z0表征 尖端刃加工高度,輔助刃加工的位置所在的空間坐標點為(X,Y,Z),需同時滿足關系式(1) 和關系式(2)
[0025]所述平頭銑刀濾波修正過程如下:
[0026]所述平頭銑刀刀柄直徑為D,定義平頭銑刀刀具底端能夠與工件接觸的部分為刀 刃,刀具底端中心為尖端刃,其余部分為輔助刃,當刀具的尖端刃加工的位置所在的空間坐 標點為(X0,Y0,Z0)時,其中X0和Y0表征該加工點在平面中的坐標,Z0表征尖端刃加工高度, 輔助刃加工的位置所在的空間坐標點為(X,Y,Z),需同時滿足關系式(3)和關系式(4)
[0028] Z = Zo (4)。
[0029]所述圓角平頭刀濾波修正過程如下:
[0030]所述圓角平頭刀刀柄直徑為D,圓角半徑為r,定義圓角平頭刀刀具底端能夠與工 件接觸的部分為刀刃,刀具底端中心為尖端刃,其余部分為輔助刃,當刀具的尖端刃加工的 位置所在的空間坐標點為(X0,Y0,Z0)時,其中X0和Y0表征該加工點在平面中的坐標,Z0表 征尖端刃加工高度,輔助刃加工的位置所在的空間坐標點為(X,Y,Z),存在以下兩種情況, 如果X,Y滿足等式(5)
[0032]貝IJZ滿足等式(6)
[0033] Z = Zo (6)
[0034] 如果X,Y滿足等式(7)
[0036]貝IJZ滿足等式(8)
[0038] 所述加工刀具的加工路徑為橫向加工、豎向加工或斜向加工,每一種加工路徑都 可最終做到全工件覆蓋,滿足不同的加工掃描需求。
[0039] 與現有技術相比,本發明具有以下有益效果:
[0040] 本發明可以根據用戶的加工目的來調節加工工藝參數,且可以直接生成應用于工 業機器人的作業程序,做到完全離線編程,用戶接口友好,易用性強。由圖片灰度作為數據 來源,實現了由灰度圖、工具類型來決定加工軌跡的算法運算,解決了現有機器人在雕刻、 拋光、打磨、去毛刺等領域對于大型工件加工在工業機器人端編程工作量巨大、編程精度不 高的問題,提高了產品的生產加工效率,提升了產品質量,可應用于工業產品加工。
【附圖說明】
[0041] 圖1為本發明在機器人工件加工中的應用示意圖。
[0042]圖2為本發明算法的處理流程圖。
[0043]圖3為本發明球頭刀、平頭銑刀、圓角平頭刀結構示意圖。
[0044] 圖4為本發明設定工件寬高毫米數的示意圖。
[0045] 圖5為本發明的三種加工路徑規劃的示意圖。
[0046] 圖6為本發明的濾波算法示意圖。
[0047]圖中:1、工業機器人;2、機器人末端工裝夾具;3、加工刀具;4、工件。
【具體實施方式】
[0048] 下面結合附圖對本發明實施例做進一步描述:
[0049] 實施例1:
[0050] 如圖1-2所示,所述基于圖像灰度的計算機輔助加工方法,包括以下步驟:
[0051] 第一步,獲得可以表征待加工工件4表面信息的灰度圖片;
[0052]第二步,根據工件4灰度圖片設定工件4加工的刀痕矩陣;
[0053]第三步,選取加工刀具3類型,并根據選取的加工刀具類型對刀痕矩陣進行濾波修 正;
[0054]第四步,根據加工工件4特征選擇加工刀具3的加工路徑;
[0055] 第五步,以上述步驟獲得的數據為基礎設置工業機器人1加工參數,生成加工程 序。
[0056] 工業機器人1加工參數設置環節,可以設置工業機器人1加工時所使用的基坐標 號、工具號、加工線速度、機器人末端工裝夾具2位姿等參數,此處設置的參數可以直接在最 后生成的工業機器人1程序中直觀的體現出來,最后就可以根據以上設置生成加工程序,在 工業機器人1上完成自動加工作業。加工時,加工刀具3通過機器人末端工裝夾具2固定在工 業機器人1上,然后通過加工程序控制工業機器人1上加工刀具3的刀痕矩陣和加工路徑,對 工件4表面進行加工。
[0057]如圖3所示,加工刀具包括球頭刀、平頭銑刀和圓角平頭刀,加工時,根據加工需求 進行選擇。
[0058] 如圖4所示,刀痕矩陣的生成過程如下:
[0059] 接收到第一步所述的灰度圖片之后,分析該圖片的像素的寬W、高L信息,結合用戶 設定的工件4尺寸的寬A、高B信息,并根據"圖片的寬高像素數"與"工件4的寬高毫米數"的 比例,決定每毫米的工件4需要加工多少"像素",即需要加工多少"刀痕",形成一個完整的 刀痕矩陣數據庫。
[0060] 如圖5所示,加工刀具3的加工路徑為橫向加工、豎向加工或斜向加工,每一種加工 路徑都可最終做到全工件4覆蓋,滿足不同的加工掃描需求。
[0061]如圖6所示,以球頭刀為例說明第三步中濾波修正原理:
[0062]定義球頭刀底端能夠與工件4接觸的部分為刀刃,球頭刀底端中心為尖端刃,其余 部分為輔助刃,圖6-1為球頭刀加工范圍內的XY坐標平面的俯視圖,此時刀具的刀柄呈現一 個圓圈,圖6-2為球頭刀加工范圍主視圖,此時每一個待加工的點被描述為Z方向上的小線 段組成的矩陣,每個點的加工高度不同則線段的長度也不同,球頭刀的尖端自上而下的接 近線段的頂端,完成該作業點的加工作業。
[0063]圖6-3為球頭刀加工范圍內XZ平面的側視圖,當球頭刀刀尖自頂向下接近P0(X0, Y0,Z0)加工點時,在X方向上,其輔助刃會覆蓋到?-2,?-1,?+1,?+2等四個點(根據加工點的 密度不同,以及刀柄的直徑不同,覆蓋點的個數會不同),實際在加工P0點時,P-2,P_1,P+1 三個點的原始加工內容被球頭刀的輔助刃所損害,這樣就會造成最后加工結果的損傷,不 滿足加工需求。為了保證刀具的輔助刃不損害周圍的加工點的內容,就需要計算出在刀柄 直徑覆蓋的范圍內,即圖6-1所示范圍,所有可能的點的損傷量。然后做排序得到最大的一 個損害量的值,圖6-3中球頭刀輔助刃對P+1點的損害值最大,記錄該損害值為A Z。
[0064]如圖6-4所示,為了保證在實際加工過程中不產生此損害,于是對當前加工點(X0, Y0,Z0)進行修正,修正后的加工點為(X0,Y0,Z0+ A Z),其中A Z彡0。此濾波運算涉及到加工 范圍內的每一個點,且根據加工刀具3形狀的不同,加工點密度的不同,以刀柄直徑的不同, 最后得到的運算結果也不同,并直接影響工件4的最后加工的效果,最后形成一個新的完整 的刀痕矩陣。
[0065]其中,球頭刀濾波修正過程如下:
[0066]假設球頭刀刀柄直徑為D,球頭半徑為r,r = D/2,定義球頭刀刀具底端能夠與工件 4接觸的部分為刀刃,刀具底端中心為尖端刃,其余部分為輔助刃,當刀具的尖端刃加工的 位置所在的空間坐標點為(X0,Y0,Z0)時,其中,X0和Y0表征該加工點在平面中的坐標,Z0表 征尖端刃加工高度,輔助刃加工的位置所在的空間坐標點為(X,Y,Z),需同時滿足關系式 (1)和關系式(2)
[0069]所述平頭銑刀濾波修正過程如下:
[0070]所述平頭銑刀刀柄直徑為D,定義平頭銑刀刀具底端能夠與工件4接觸的部分為刀 刃,刀具底端中心為尖端刃,其余部分為輔助刃,當刀具的尖端刃加工的位置所在的空間坐 標點為(X0,Y0,Z0)時,其中X0和Y0表征該加工點在平面中的坐標,Z0表征尖端刃加工高度, 輔助刃加工的位置所在的空間坐標點為(X,Y,Z),需同時滿足關系式(3)和關系式(4)
[0072] Z = Zo (4)。
[0073]所述圓角平頭刀濾波修正過程如下:
[0074]所述圓角平頭刀刀柄直徑為D,圓角半徑為r,定義圓角平頭刀刀具底端能夠與工 件4接觸的部分為刀刃,刀具底端中心為尖端刃,其余部分為輔助刃,當刀具的尖端刃加工 的位置所在的空間坐標點為(X0,Y0,Z0)時,其中X0和Y0表征該加工點在平面中的坐標,Z0 表征尖端刃加工高度,輔助刃加工的位置所在的空間坐標點為(X,Y,Z),存在以下兩種情 況,如果X,Y滿足等式(5)
[0076]貝IJZ滿足等式(6)
[0077] Z = Zo (6)
[0078] 如果X,Y滿足等式(7)
[0080]貝丨JZ滿足等式(8)
【主權項】
1. 一種基于圖像灰度的計算機輔助加工方法,其特征在于,包括以下步驟: 第一步,獲得可以表征待加工工件(4)表面信息的灰度圖片; 第二步,根據工件(4)灰度圖片設定工件(4)加工的刀痕矩陣; 第三步,選取加工刀具類型,并根據選取的加工刀具類型對刀痕矩陣進行濾波修正; 第四步,根據加工工件(4)特征選擇加工刀具的加工路徑; 第五步,以上述步驟獲得的數據為基礎設置工業機器人(1)加工參數,生成加工程序。2. 根據權利要求1所述的基于圖像灰度的計算機輔助加工方法,其特征在于,所述刀痕 矩陣的生成過程如下: 接收到第一步所述的灰度圖片之后,分析該圖片的像素的寬、高信息,結合用戶設定的 工件(4)尺寸的寬、高信息,并根據"圖片的寬高像素數"與"工件(4)的寬高毫米數"的比例, 決定每毫米的工件(4)需要加工多少"像素",即需要加工多少"刀痕",形成一個完整的刀痕 矩陣數據庫。3. 根據權利要求1所述的基于圖像灰度的計算機輔助加工方法,其特征在于,所述第三 步中濾波修正原理為: 定義加工刀具底端能夠與工件(4)接觸的部分為刀刃,刀具底端中心為尖端刃,其余部 分為輔助刃,尖端刃自頂向下接近加工點(X0,Y0,Z0)時,其中X0和Y0表征該加工點在平面 中的坐標,Z0表征尖端刃加工高度,計算輔助刃所覆蓋的加工點,尖端刃加工(XO,Y0,Z0)點 時,輔助刃會損害其覆蓋的加工點的原始加工內容,計算輔助刃對其覆蓋加工點的最大損 傷量,記錄該損傷量為A Z,A Z為Z0與輔助刃當前覆蓋加工點最低加工高度之差,如果A Z 彡0,則進行修正,修正后的尖端刃加工點為(XO,Y0,Z0+ A Z)。4. 根據權利要求1所述的基于圖像灰度的計算機輔助加工方法,其特征在于,所述加工 刀具包括球頭刀、平頭銑刀和圓角平頭刀。5. 根據權利要求4所述的基于圖像灰度的計算機輔助加工方法,其特征在于,所述球頭 刀濾波修正過程如下: 所述球頭刀刀柄直徑為D,球頭半徑為r,r = D/2,定義球頭刀刀具底端能夠與工件(4) 接觸的部分為刀刃,刀具底端中心為尖端刃,其余部分為輔助刃,當刀具的尖端刃加工的位 置所在的空間坐標點為(XO,Y0,Z0)時,其中,X0和Y0表征該加工點在平面中的坐標,Z0表征 尖端刃加工高度,輔助刃加工的位置所在的空間坐標點為(X,Y,Z),需同時滿足關系式(1) 和關系式(2)6. 根據權利要求4所述的基于圖像灰度的計算機輔助加工方法,其特征在于,所述平頭 銑刀濾波修正過程如下: 所述平頭銑刀刀柄直徑為D,定義平頭銑刀刀具底端能夠與工件(4)接觸的部分為刀 刃,刀具底端中心為尖端刃,其余部分為輔助刃,當刀具的尖端刃加工的位置所在的空間坐 標點為(XO,Y0,Z0)時,其中X0和Y0表征該加工點在平面中的坐標,Z0表征尖端刃加工高度, 輔助刃加工的位置所在的空間坐標點為(X,Y,Z),需同時滿足關系式(3)和關系式(4)Z = Zo (4)〇7. 根據權利要求4所述的基于圖像灰度的計算機輔助加工方法,其特征在于,所述圓角 平頭刀濾波修正過程如下: 所述圓角平頭刀刀柄直徑為D,圓角半徑為r,定義圓角平頭刀刀具底端能夠與工件(4) 接觸的部分為刀刃,刀具底端中心為尖端刃,其余部分為輔助刃,當刀具的尖端刃加工的位 置所在的空間坐標點為(X0,Y0,Z0)時,其中X0和Y0表征該加工點在平面中的坐標,Z0表征 尖端刃加工高度,輔助刃加工的位置所在的空間坐標點為(X,Y,Z),存在以下兩種情況,如 果X,Y滿足等式(5)貝1JZ滿足等式(6) Z = ZO (6) 如果X,Y滿足等式(7)貝1JZ滿足等式(8)8. 根據權利要求1所述的基于圖像灰度的計算機輔助加工方法,其特征在于,加工刀具 的加工路徑為橫向加工、豎向加工或斜向加工。
【文檔編號】G05B19/4097GK106054814SQ201610367428
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月28日
【發明人】李衛民, 高喜飛, 汪強
【申請人】濟寧中科先進技術研究院有限公司
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