基于视觉和移动机械臂的多坐标加工中心组合方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多坐标加工中心、移动机器人和视觉感知方法，特别涉及基于视觉和 移动机械臂的多坐标加工中心组合方法，属于机械和信息技术领域。
【背景技术】
[0002] 装备制造业被誉为"工业母机"，是制造业的基石。工业现代化所需的各类装备 和设施都离不开高档加工中心和基础制造装备，其性能、质量和拥有量已成为当今衡量一 个国家工业化水平、综合国力的重要标志；综观全球，美国、日本、德国等世界装备制造业强 国无不重视控制高端制造装备这一产业制高点，重视用高技术优化提升传统装备制造业， 支撑高端制造，保持产业优势；随着机床工业的发展，加工中心的技术水平也得到了较大发 展；加工中心具有以下主要特点：⑴加工中心万能性大，大型工件装夹及找正困难而且费 时，因此希望尽可能在一次安装中将全部表面加工出来，所以加工中心的万能性较大，数控 机床可以进行镗、铣、钻等各种工作；⑵由于加工中心庞大，为使操纵方便起见，通常是用 悬挂式操纵板或操纵台集中操纵；⑶为了观察部件位移方便，加工中心大多备有移动部件 立柱、主轴箱及镗轴位移的数码显示装置，以节省观察及测量位移的时间和减轻工人劳动 强度；加工中心技术发展的总趋势是高速、精密和多功能，其产品开发针对难加工材料的重 切削机种、针对复杂开关加工的智能多轴控制装置和综合多轴控制系统。
[0003] 以传统金切削为主的五轴联动加工中心价格很高，若大型龙门则更昂贵；该加工 中心扭矩大，精度高，速度慢，可加工各种金属及非金属；
[0004] 机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机 技术的一门综合性高新技术，既是光机电一体化的重要基础，又是光机电一体化技术的典 型代表，它是多学科科技革命的必然结果。近年来，随着机器人研究的不断发展，机器人技 术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透，结合这些领域的应用特点，各种各样的具 有不同功能的机器人被研制出来，并且在不同的应用领域都得到了广泛的应用；例如，美 国Wolstenholme机器公司生产的MR5和MR7排爆机器人，能用于户内及户外环境、适应各 种地形活动，完成排爆功能，已被美国军方广泛使用；排爆机器人是特种机器人的一种，主 要用于在事发现场排除处理爆炸物及其他危险物品；排爆机器人的多功能机械手，作为排 爆机器人的完成抓取任务的主要执行器，应能完成包括抓取爆炸物在内的一系列任务，对 于排爆机器人来讲尤为重要；排爆是一个充满变化而复杂的过程，在排爆机器人执行任务 的过程中，最关键的一步就是控制机器人的多功能机械手去抓取目标物，即控制机械手精 确的定位到目标物位置，完成抓取动作；目前世界上已投入使用的排爆机器人，在工作方式 上，都需要一个经验丰富的操作员，对机械手进行远程手动控制，达到机械手精确定位的目 的。这种工作方式，一方面对操作员的要求非常高，另一方面，手动控制也很难达到很高的 精度；因此，若能通过计算机视觉技术实现机械手的自动精确定位，而不需要去手动控制机 械手的各个关节，将会在很大程度上提高排爆机器人的性能。
[0005] 然而，移动机器人与镗、铣、钻等机床如何组合成多坐标加工中心还存在重大技术 缺陷，不能有效降低五轴联动加工中心的昂贵价格。
【发明内容】
[0006] 为了克服移动机器人与镗、铣、钻等机床不能直接组合成多坐标加工中心的重大 技术缺陷，本发明提出一种基于视觉和移动机械臂的多坐标加工中心组合方法，该方法通 过在在移动机械臂和镗床、铣床、钻床设置加工任务和工序；设置移动机械臂轨道和夹具， 并在移动机械臂上安装CCD和激光测距或者安装connect相机，在镗床、铣床、钻床面临移 动机械臂轨道设置多个光标识点，然后由移动机械臂的多关节控制使得移动机械臂将待加 工工件移至预定位置，同时，在加工过程中进行在线定位监测和误差修正，对加工系统给出 故障报警，实现了多坐标加工中心组合，解决了移动机器人与镗、铣、钻等机床直接组合成 多坐标加工中心的重大技术问题。
[0007] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于视觉和移动机械臂的多坐标 加工中心组合方法，其特征包括以下步骤：
[0008] (1)在移动机械臂和镗床、铣床、钻床设置加工任务和工序；设置移动机械臂轨 道，使得移动机械臂可以在该轨道上运动；在移动机械臂轨道的外侧分布式排列镗床、铣 床、钻床，使得镗床、铣床、钻床刀具面向移动机械臂轨道并与轨道垂直，以该垂线作为移动 机械臂的夹具中心线，当移动机械臂重力中心线与第一道加工工序的镗床、铣床或钻床前 的夹具中心线相交时移动机械臂停止运动并被夹具锁死，多坐标对准和准确定位后进行加 工，并进行在线加工积累误差修正，加工完成后松开夹具，移动机械臂移动到下一道工序的 镗床、铣床或钻床前的夹具中心线；
[0009] (2)移动机械臂具有多关节控制功能；在移动机械臂上安装CCD和激光测距或者 安装connect相机，在镗床、铣床、钻床面临移动机械臂轨道设置多个光标识点，移动机械 臂停止运动并被夹具锁死后，根据在镗床、铣床、钻床上设置多点光标识点以及安装CCD和 激光测距或者安装connect相机进行对准定位，然后由移动机械臂的多关节控制使得移动 机械臂将待加工工件移至预定位置；
[0010] 假定某一个镗床、铣床或钻床上设置的多个光标识点的坐标分别为（〇, 〇, 〇)，（Xl， Y1,Z1)，（x2,y2,z2)，…，（xn,yn,zn)，且为已知量，n+1光标识点的个数，激光测距仪激光出口 或者connect相机中心的坐标为（X，y,z)，激光测距的定位要求为：
[0012] 以及[x-xpy_ypz-zp]T| " <enax
[0013]其中，r,1^，r2,…，rn分别为（x,y,z)到（0, 0, 0)，（xY1, Z1),(x2,y2, z2)，… ，（xn,yn,zn)的距离，误差Ii=I, 2,…，n满足条件II丨I<e。，I121 <e。,…，IInI<e。，e。为 给定的正数，xp,yp,zp为在加工工艺中预先设定的位置，e_为给定的最大定位误差，e。为给 定的最大图像位置误差，AI "为矩阵A的无穷范数；
[0014] 同时，要求先对准在该镗床、铣床或钻床上设置的坐标（0,0,0)图像位置，其余多 个光标识点在CCD图像中的坐标位置要满足：
[0016]其中，（xlt,ylt), (x2t,y2t),…，（xnt,ynt)分别为在该键床、铣床或钻床上设置的 多个光标识点的坐标（X1, Y1, Z1), (x2,y2,Z2)，…，（xn,yn,zn)在CCD图像中的坐标位置， (xlpt,ylpt), (x2pt,y2pt)，"％ (xnpt,ynpt)分别为在该键床、铣床或钻床上设置的多个光标识点 的坐标（X1, Y1, Z1), (x2,y2,Z2),…，（xn,yn,zn)在CCD图像中的理想坐标位置，且为已知量； et(:为最大允许的图像位置误差；
[0017] (3)在镗、铣、钻的加工过程中，扭矩和机械振动会引起定位误差，在加工过程中不 断采用步骤（3)的方法检测定位精度，移动机械臂控制多关节缓慢运动抵消扭矩和机械振 动作用，以在线减少加工积累误差并进行误差修正；
[0018] (4)当最大误差e_、e。或et。不能控制时，加工精度不能满足要求，对系统进行报 警；当最大误差e_、e。或et。满足要求，但随着日期不断增大而接近最大误差e_、e。或et。， 对系统进行