一种机器人三维激光自动切割系统及其切割方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种激光切割系统，特别涉及一种三维激光切割系统及切割方法。
【背景技术】
[0002]三维激光切割在汽车、航空航天、船舶等领域具有重要的应用前景，是板材加工、关键零部件加工的主要手段，具有精度高、速度快等特点，其切割的热影响区域小，切口平滑无毛刺，具有柔性和灵活的特点，适合复杂形状的切割。随着机器人技术的发展，机器人和三维激光切割技术的结合成为必然趋势，通过对机器人的编程和控制，实现切割的规划和自动执行，显著提高了切割的速度和效率，机器人三维激光切割系统成为金属板材，以及其他特殊新材料精密切割的必然发展趋势。
[0003]基于示教编程的三维激光切割方法，由于三维轨迹复杂，造成了工作量大，且精度难以保证；基于离线编程的三维激光切割方法提高了切割的精度和效率，得到了广泛的应用，但其存在着如何将数模坐标系转换到工件坐标系的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有基于示教编程的三维激光切割方法自动化程度低、精度难以保障，以及基于离线编程的三维激光切割方法存在的需将数模坐标系通过人工方式转换到工件坐标系的问题，提供一种机器人三维激光自动切割系统及其切割方法。
[0005]本发明的目的是这样实现的:一种机器人三维激光自动切割系统及其切割方法，所述切割系统包括上位机系统、数据采集系统、视觉传感器、工业机器人、激光器、激光切割头及冷却装置，其中:
上位机系统:用于获取视觉传感器的测量数据并进行计算，根据测量计算结果以及切割对象的三维模型对机器人的切割轨迹进行规划，同时建立数模坐标系到工件坐标系的转换关系，并反馈给工业机器人，同时根据切割对象的特点对切割工艺参数进行规划，并对激光器、切割头的参数进行管理和设置；
数据采集系统，用于对视觉传感器、切割头、激光器的数据进行采集，用于反馈给上位机系统；
视觉传感器，用于采集切割对象的图像信息，并反馈给上位机，并对切割对象进行三维定位;
工业机器人:用于执行上位机系统所发出的运动控制指令；
激光器:为激光的发生装置；
激光切割头:安装在机器人的末端，用于实现对切割对象的切割作业；
冷却装置:对切割后的部位及时进行冷却；
所述视觉传感器、激光切割器、激光器、冷却装置通过数据采集系统连接在上位机系统上，所述上位机系统还与工业机器人相连接；
所述切割方法包括以下步骤: 步骤I)上位机系统根据需完成的三维模型和切割要求，生成数模坐标下的切割轨迹和切割工艺参数；
步骤2)上位机系统根据视觉传感器采集到的切割对象的测量数据，计算得到切割对象相对于视觉传感器的三维位姿，进而计算出切割对象相对于机器人的三维位姿；
步骤3)根据步骤I)得到的数模坐标下的切割轨迹，以及步骤2)得到的切割对象相对于机器人的三维位姿，建立工件坐标系下机器人的切割轨迹；
步骤4)根据步骤3)得到的切割轨迹和步骤I)得到的切割工艺参数，驱动机器人、切割头和激光器开展三维激光切割作业。
[0006]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:本发明通过将视觉传感器采集到的三维位姿与数模坐标下的切割轨迹相结合，得到机器人坐标下的切割轨迹，能够实现对切割对象的自动三维定位，提高了切割精度和效率，同时自动实现切割轨迹从数模坐标系到工件坐标系的转换，能够自动轨迹规划和切割工艺参数规划等过程，能够有效提高切割的效率和精度。本发明可用于激光切割中。
[0007]作为本发明的改进，步骤I)中生成数模坐标下的切割轨迹前需对其进行仿真验证，具体方法为:将上位机系统初次计算得到的切割轨迹输送给仿真系统进行仿真验证，若通过则直接输出数模坐标下的切割轨迹，若不通过反馈回上位机系统进行修改和优化，再次计算出仿真轨迹，如此循环。通过仿真验证提高了系统工作的效率以及精度，并且增强切割时的安全性及可靠性。
[0008]作为本发明的改进，步骤2)中上位机根据视觉传感器采集到的测量数据和视觉传感器的标定结果，得到切割对象的三维位姿，所述视觉传感器的标定包括内外参数和手眼关系的标定，所述内外参数标定用于建立图像坐标和视觉传感器坐标的关系，所述手眼标定是指视觉传感器安装位置与机器人关系的标定。通过建立图像坐标到视觉传感器坐标的转换关系，以及视觉传感器坐标到机器人坐标的关系，得到到机器人坐标下切割对象的三维位姿，以便机器人的规划和执行，从而提高切割的精度、效率和可靠性。
【附图说明】
[0009]图1为本发明机器人三维激光自动切割系统的结构模块示意图。
[0010]图2为本发明切割方法的工作流程图。
【具体实施方式】
[0011]如图1所示的一种机器人三维激光自动切割系统，其特征在于，包括上位机系统、数据采集系统、视觉传感器、工业机器人、激光器、激光切割头及冷却装置，其中:
上位机系统:用于获取视觉传感器的测量数据并进行计算，根据测量计算结果以及切割对象的三维模型对机器人的切割轨迹进行规划，同时建立数模坐标系到工件坐标系的转换关系，并反馈给工业机器人，同时根据切割对象的特点对切割工艺参数进行规划，并对激光器、切割头的参数进行管理和设置；
数据采集系统，用于对视觉传感器、切割头、激光器的数据进行采集，用于反馈给上位机系统；
视觉传感器，用于采集切割对象的图像信息，并反馈给上位机，并对切割对象进行三维定位;
工业机器人:用于执行上位机系统所发出的运动控制指令；
激光器:为激光的发生装置；
激光切割头:安装在机器人的末端，用于实现对切割对象的切割作业；
冷却装置:对切割后的部位及时进行冷却；
所述视觉传感器、激光切割器、激光器、冷却装置通过数据采集系统连接在上位机系统上，所述上位机系统还与工业机器人相连接。
[0012]如图2所示的一种激光切割方法:包括下步骤:
步骤S10，切割轨迹离线规划与仿真验证；具体包括，根据步骤Sll上位机系统建立切割对象的三维模型，基于得到的三维模型，离线规划得到切割轨迹S12，继而对轨迹进行仿真验证S13，若未通过仿真验证，则对轨迹进行优化和改进S14，直到通过仿真验证，从而得到在数模坐标系下的切割轨迹S15 ;
步骤S20，切割工艺参数离线规划；具体包括，根据切割对象的材料等信息S21，建立切割工艺模型S22，根据工艺模型得到切割的相关工艺参数S23 ；
步骤S30，切割对象检测与定位；具体包括，视觉传感器采集到切割对象图像数据S31，同时对视觉传感器进行标定S32，从而得到切割对象在相机坐标系下的三维位姿S33 ;
步骤S40，机器人三维激光自动切割；具体包括，根据机器人和视觉传感器的安装位置关系，将切割对象在相机坐标系下的三维位姿S33转换到机器人坐标系下，进而将数模坐标下的切割轨迹转换为机器人坐标系下的切割轨迹S41 ;
机器人坐标系下的切割轨迹S41与步骤S20得到切割工艺参数，发送给机器人控制器、激光器控制器、切割头控制器S42，系统按照得到的切割轨迹、切割参数指令自动执行三维激光切割过程S43，直到切割过程结束S44。
[0013]本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种机器人三维激光自动切割系统，其特征在于，包括上位机系统、数据采集系统、视觉传感器、工业机器人、激光器、激光切割头及冷却装置，其中: 上位机系统:用于获取视觉传感器的测量数据并进行计算，根据测量计算结果以及切割对象的三维模型对机器人的切割轨迹进行规划，同时建立数模坐标系到工件坐标系的转换关系，并反馈给工业机器人，同时根据切割对象的特点对切割工艺参数进行规划，并对激光器、切割头的参数进行管理和设置； 数据采集系统，用于对视觉传感器、切割头、激光器的数据进行采集，用于反馈给上位机系统； 视觉传感器，用于采集切割对象的图像信息，并反馈给上位机，并对切割对象进行三维定位; 工业机器人:用于执行上位机系统所发出的运动控制指令； 激光器:为激光的发生装置； 激光切割头:安装在机器人的末端，用于实现对切割对象的切割作业； 冷却装置:对切割后的部位及时进行冷却； 所述视觉传感器、激光切割器、激光器、冷却装置通过数据采集系统连接在上位机系统上，所述上位机系统还与工业机器人相连接。
2.一种使用权利要求1所述切割系统的切割方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤I)上位机系统根据需完成的三维模型和切割要求，生成数模坐标下的切割轨迹和切割工艺参数； 步骤2)上位机系统根据视觉传感器采集到的切割对象的测量数据，计算得到切割对象相对于视觉传感器的三维位姿，进而计算出切割对象相对于机器人的三维位姿； 步骤3)根据步骤I)得到的数模坐标下的切割轨迹，以及步骤2)得到的切割对象相对于机器人的三维位姿，建立工件坐标系下机器人的切割轨迹； 步骤4)根据步骤3)得到的切割轨迹和步骤I)得到的切割工艺参数，驱动机器人、切割头和激光器开展三维激光切割作业。
3.根据权利要求2所述的一种切割方法，其特征在于，步骤I)中生成数模坐标下的切割轨迹前需对其进行仿真验证，具体方法为:将上位机系统初次计算得到的切割轨迹输送给仿真系统进行仿真验证，若通过则直接输出数模坐标下的切割轨迹，若不通过反馈回上位机系统进行修改和优化，再次计算出仿真轨迹，如此循环。
4.根据权利要求2所述的一种切割方法，其特征在于，步骤2)中上位机根据视觉传感器采集到的测量数据和视觉传感器的标定结果，得到切割对象的三维位姿，所述视觉传感器的标定包括内外参数和手眼关系的标定，所述内外参数标定用于建立图像坐标和视觉传感器坐标的关系，所述手眼标定是指视觉传感器安装位置与机器人关系的标定。
【专利摘要】本发明公开了激光切割领域内的一种机器人三维激光自动切割系统及其切割方法，该切割系统包括上位机系统、数据采集系统、视觉传感器、工业机器人、激光器、激光切割头及冷却装置；该切割方法包括以下步骤：1切割轨迹离线规划；2.切割工艺参数离线规划；3.切割对象检测与定位；4.机器人三维激光自动切割，本发明能够实现对切割对象的自动三维定位，提高了切割精度和效率，同时自动实现切割轨迹从数模坐标系到工件坐标系的转换，能够自动轨迹规划和切割工艺参数规划等过程，能够有效提高切割的效率和精度，可用于激光切割中。
【IPC分类】B23K26-08, B23K26-70, B23K26-38
【公开号】CN104722926
【申请号】CN201510118329
【发明人】王鹏, 詹岑, 李建明, 朱俊
【申请人】江苏长江重工科技有限公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月18日