一种可移动双机器人自动铣削的智能化柔性生产线及其运行方法与流程

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种可移动双机器人自动铣削的智能化柔性生产线及其运行方法。
背景技术：
：随着我国载人航天和探月工程的全面实施，大型航天器研制任务量成倍增加，其高精度、短流程、高柔性的制造特点对加工技术和装备提出了新的挑战。针对空间站等外形尺寸大、刚性弱的大型航天器上高精度仪器设备安装支架进行测量和加工的需求，现有的方法需要在不同的车间和工位上完成，经过反复的吊装、转运和装夹以完成不同的作业任务。这样不但需要准备大型的五轴龙门加工中心，还存在工位转换过程中基准偏离的风险，制造周期延长，难以实现型号研制的快速响应要求。为了解决大型结构件的加工难题，提高产品加工效率，急需开发一种结合全向智能移动平台、机器人、高精度末端执行器为一体的可移动机器人智能化柔性制造单元，然而由于单个可移动机器人单元作业效率低，无法一次满足测量、加工等常见的制造过程中的复杂加工任务需求，因此，能够适应新环境、新任务的多机器人协同作业系统是未来大型构件加工的发展趋势。就目前国内研究现状而言，有关多个可移动机器人配合检测加工的研究还很少，例如“一种可移动式自动寻址的钻铣机器人系统”(cn201611161636.x)中单个移动式机器人完成钻铣加工任务，“一种机器人自动装配的智能化柔性生产线及其运行方法”(cn201510586767.1)中单个机器人通过在地轨上移动来实现多站位工作，这两种工作方式都不能有效的解决大型结构件加工问题，因此，为了解决大型结构件的加工难题以及提高产品加工效率，急需引进一种多机器人协同作业的智能化柔性生产线。技术实现要素：针对上述技术问题，本发明设计了一种可移动双机器人自动铣削的智能化柔性生产线及其运行方法，能够完成对零件的余量检测以及铣削加工任务。双目视觉机器人搭载在自由移动平台上能够实现多站位在线检测任务，铣削加工机器人也搭载在自由移动平台上能够实现多站位铣削加工任务，双机器人配合完成铣削加工工作，有效提高机器人工作的灵活性，扩大机器人的加工范围，提高产品加工效率，解决大型结构件的加工难题。为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种可移动双机器人自动铣削的智能化柔性生产线及其运行方法，包括以下组成部分：本柔性生产线主要由两台机器人构成，一台机器人搭载着双目视觉测量仪器完成对待加工工件的在线测量任务，这台机器人称为双目视觉机器人；另一台机器人搭载着铣削末端执行器实现对工件的铣削加工任务，这台机器人称为铣削加工机器人；铣削末端执行器，安装在铣削加工机器人法兰盘处，铣削末端执行器主要包括前后进给模块、工位转换模块，前后进给模块和工位转换模块上安装有绝对式光栅尺进行位置全闭环控制，能够有效提高机器人铣削加工时的加工精度；自由移动平台，自由移动平台底部安装有视觉装置，通过识别条带状路标，搭载着工业机器人移动到预定加工区域或检测区域，到达指定位置后打开移动平台四个支脚，通过四个支撑腿支撑起整个自由移动平台来保证加工或检测过程中的稳定性；双目视觉测量仪器，安装在双目视觉机器人法兰盘处，通过在工件上贴靶标贴，然后双目视觉机器人带动双目视觉测量仪器移动到工件附近不同的位置，双目视觉测量仪器对工件进行拍摄工作，然后拟合实际加工表面信息，和理论数模相对比获取铣削加工余量；激光对刀器，安装在自由移动平台上，它可用于高速、高精度对刃和检测刀具断裂。在当刀具通过激光束时，接收器处的光强减弱，向控制器发出一个信号，记录当前机器人位置，从面得出刀具尺寸(直径或长度)，所测得的刀具尺寸，都自动带入并更新控制器的刀具补偿表；工业机器人控制柜，安装在搭载双目视觉机器人的自由移动平台上，控制视觉机器人的运动，并与所述主控制柜建立通讯连接；主控制柜，安装在搭载铣削加工机器人的自由移动平台上，与铣削加工机器人、视觉机器人、铣削末端执行器、冷却机分别建立通讯连接，控制铣削末端执行器、冷却机和工业机器人的运动；冷却机，安装在搭载铣削加工机器人的自由移动平台上，在铣削加工过程中实现对电主轴的冷却，润滑功能；移动面板，放置在主控制柜的侧面，用于调试过程中控制工业机器人以及铣削末端执行器的动作，移动面板上带有紧急急停功能，紧急情况下按下后可以停止机器人以及末端执行器的运动，防止在调试或加工过程中出现意外情况造成不必要的人员伤亡；激光跟踪仪，将激光跟踪仪集成到控制系统中，激光跟踪仪实时采集铣削加工机器人的当前位姿并反馈给控制系统进行在线补偿。一种如上所述的一种可移动双机器人自动钻铣的智能化柔性生产线及其运行方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、利用激光跟踪仪建立现场坐标系，对工业机器人进行标定，所述现场坐标系包括世界坐标系、机器人基坐标系、工具坐标系、工装坐标系、产品坐标系；步骤二、将产品数模导入离线编程软件中，提取产品数模加工特征信息并进行加工任务规划，最后通过加工任务仿真和后处理生成理论nc加工程序；步骤三、对生产线的各部件进行自检，包括自由移动平台通信状态、主控系统通讯状态、气源气阀状态、电主轴状态、激光跟踪仪状态、激光对刀器状态、双目视觉测量设备状态，若自检结果正常，则进行下一步，若自检结果存在错误，检测错误原因，执行故障排除步骤；步骤四、自由移动平台在条带上移动，通过识别二维码中存储的轨迹及位置信息带动工业机器人移动到加工站位，打开自由移动平台的四个支脚，通过判断四个支脚的压力值大小来实现下降到位；步骤五、将生成的nc加工程序导入工控机中执行，双目视觉机器人配合铣削加工机器人协同完成加工检测任务；步骤六、完成当前站位加工作业后，铣削加工机器人回到home状态，关闭自由移动平台的四个支脚，将铣削加工机器人移动到待命区域。上述步骤二包括：通过caa开发工具二次开发的功能，对产品数模文档进行加工面特征的自动识别与特征信息的提取，生成加工对象，进而根据产品数模提供的属性及参数信息创建工艺数模；离线编程软件读取保存在产品数模文档中的工艺数模，根据工艺数模完成加工任务规划，如双目视觉机器人路径规划、铣削加工机器人轨迹规划、末端执行器动作规划；依据工艺数据库及标准件库的数据，对各个序列的加工对象集合进行加工工艺的规划，包括加工参数的优化设置及加工方式、特殊工艺、辅助功能等的设置；根据前步规划的加工过程，离线编程软件自动生成机器人及末端执行器的运动轨迹及加工姿态，在序列起始与结束位置插入进退刀位置点，在加工对象间插入避让点，在站位加工流程结束后插入机器人复位点；按既定系统的nc代码规范，离线编程软件读取加工流程规划结果，并自动编译为可供delmia二次开发任务仿真模块及上位机系统读取的nc加工代码；delmia二次开发任务仿真模块读取nc程序并自动建立机器人仿真任务，分析加工任务中产生的干涉碰撞，通过自动避障轨迹生成，从而保证实际加工的安全性，调整结构树上的避让点，以保证加工轨迹能避开障碍物；对加工任务进行后置处理，通过后置处理算法转换坐标系和加工轨迹的补偿，并将最后转换后的nc加工代码输入给控制系统。上述步骤五中的加工任务包括铣削加工任务，铣削任务包括：a1、自由移动平台搭载双目视觉机器人移动到预定工位，机器人运动到代加工工件附近，双目视觉检测设备进行在线铣削余量检测，根据检测的信息对加工程序进行在线修正，将修正后的nc代码发送到控制系统中；a2、自由移动平台搭载着铣削加工机器人移动到加工初始点位置，利用激光跟踪仪实时采集当前点实际位姿信息，与理论值比较获取偏差信息进行在线补偿；a3、铣削末端执行器上的进给电机带动电主轴向前运动，到位后工位转换机构带动电主轴进行横向铣削，单条轨迹完成后进给电机运动进行退刀动作，工位转换机构带动电主轴回到初始原位，完成后机器人带动铣削末端执行器向下移动，进给机构又带动电主轴进给，进行下一条轨迹加工；a4、铣削加工完成后再次使用双目视觉测量仪器进行余量检测，若还存在加工余量则重复循环步骤a3，若不存在加工余量则移动机器人到下个加工站位。上述a1步骤中的余量检测过程如下：自由移动平台搭载双目视觉机器人运动到预定工位，双目视觉机器人运动到待检测工件附近，双目视觉测量仪器投射细条蓝光到工件表面，在图像采集过程中，可有效过滤周围环境光干扰，然后控制双目视觉测量仪器对已贴好靶标贴的代加工工件表面进行在线扫描检测，通过双目视觉测量仪器的图像处理软件得到产品的整体尺寸形状，把实际加工表面与产品理论数模中的数据进行比较判断是否存在加工余量。上述a2步骤中的激光跟踪仪实时补偿流程，过程如下：机器人运动到目标位置，激光跟踪仪实时检测铣削末端执行器上4个靶标球的实际位置，该实际位置是相对于机器人基坐标系的位置，与已知的靶标球在工具坐标系下的4个理论位置进行比较，通过基于奇异值分解的最小二乘法匹配的方式求出相对于机器人基坐标系下的位置偏差和姿态偏差，把偏差值发送给控制系统中进行机器人位置姿态补偿。本发明的有益效果：本发明可移动双机器人自动铣削的智能化柔性生产线采用自由移动平台搭载工业机器人进行在线检测和铣削加工任务，自由移动平台通过视觉导航可带动机器人在不同的区域进行加工工作，采用双目视觉测量仪器测量产品的加工余量，配合激光跟踪仪全闭环技术来修正机器人位姿偏差，提高机器人铣削精度，通过把全向智能移动平台、工业机器人、末端执行器集成为一体，大大增加系统的柔性化程度，能有效减少生产周期和成本，能够满足高精度、自动化、柔性化的加工任务。附图说明图1为双目视觉机器人移动到指定位置进行在线余量检测装置的结构示意图；图2为铣削加工机器人移动到预定工位进行铣削加工的结构示意图；图3为本发明的加工流程示意图；图中，1-铣削加工机器人，2-铣削末端执行器，3-主控制柜，4-冷却机，5-双目视觉机器人，6-双目视觉测量仪，7-自由移动平台，8-工业机器人控制柜。具体实施方式为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。本发明提供一种可移动双机器人自动铣削的智能化柔性生产线及其运行方法，该生产线的组成部分以及加工流程如图1至图3所示，该套系统能够完成对零件的余量检测以及铣削加工任务。双目视觉机器人搭载在自由移动平台上能够实现多站位在线检测任务，铣削加工机器人也搭载在自由移动平台上能够实现多站位铣削加工任务，双机器人配合完成铣削加工工作，有效提高机器人工作的灵活性，扩大机器人的加工范围，提高产品加工效率，解决大型结构件的加工难题。其中，生产线部分包括自由移动平台、末端执行器、激光对刀器、双目视觉机器人、铣削加工机器人、工业机器人控制柜、主控制柜、油冷机、柔性工装架、移动面板以及激光跟踪仪。第一自由移动平台上安装有双目视觉机器人、工业机器人控制柜，第二自由移动平台上安装有安装有铣削加工机器人、主控制柜及冷却机。第一自由移动平台搭载视觉机器人对工件进行扫描检测，实际产品信息与理论数模比较得出铣削加工余量信息，然后第二自由移动平台搭载铣削加工机器人移动到相应的加工站位，工业机器人带动末端执行器进行铣削加工动作。需要说明的是，双目视觉机器人与铣削加工机器人均为普通工业加工机器人，在工业加工机器人的法兰盘上安装双目视觉仪的为双目视觉机器人，在工业加工机器人的法兰盘上安装铣削执行器的为铣削加工机器人。所述的自由移动平台为智能全向移动平台，包括麦克纳姆轮系和稳定支撑结构，当自由移动平台移动到指定位置时，稳定支撑机构向下支撑把自由移动平台撑起，增加工业机器人加工时的稳定性，减小加工时的振动，小车底部安装有视觉引导装置，与工控机通信连接，可以提供自由移动平台的笛卡尔坐标系x、y值，偏航角θ值以及笛卡尔坐标系x、y方向的速度，偏航角速度，自由移动平台的笛卡尔坐标系以自由移动平台的中心为原点，x向与agv自由移动平台前进方向一致，y方向与前进方向垂直。主控制柜负责生产线的总体控制，与视觉机器人控制柜、铣削末端执行器、自由移动平台进行实时通信。所述铣削末端执行器主要包括前后进给模块、工位转换模块，前后进给模块和工位转换模块上安装有绝对式光栅尺进行位置全闭环控制，能够有效提高机器人铣削加工时的加工精度。所述双目视觉测量仪器安装在双目视觉机器人法兰盘处，通过在工件上贴靶标贴，然后把细条蓝光投射到工件上，双目视觉相机识别靶标贴，然后拟合实际加工表面信息，和理论数模相对比获取铣削加工余量。所述激光对刀器安装在自由移动平台上，它可用于高速、高精度对刃和检测刀具断裂。在当刀具通过激光束时，接收器处的光强减弱，向控制器发出一个信号，记录当前机器人位置，从面得出刀具尺寸(直径或长度)，所测得的刀具尺寸，都自动带入并更新控制器的刀具补偿表。所述移动面板，放置在主控制柜的侧面，用于调试过程中控制末端执行器动作。所述激光跟踪仪集成到控制系统中，激光跟踪仪实时采集铣削加工机器人的当前位姿并反馈给控制系统进行在线补偿。以加工航天器部件产品为例，本发明系统的加工流程如下：步骤一、利用激光跟踪仪建立现场坐标系，对工业机器人进行标定，所述现场坐标系包括世界坐标系、机器人基坐标系、工具坐标系、工装坐标系、产品坐标系；步骤二、将产品数模导入离线编程软件中，提取产品数模加工特征信息并进行加工任务规划，最后通过加工任务仿真和后处理生成理论nc加工程序；步骤三、对生产线的各部件进行自检，包括自由移动平台通信状态、主控系统通讯状态、气源气阀状态、电主轴状态、激光跟踪仪状态、激光对刀器状态、双目视觉测量设备状态，若自检结果正常，则进行下一步，若自检结果存在错误，检测错误原因，执行故障排除步骤；步骤四、自由移动平台在条带上移动，通过识别二维码中存储的轨迹及位置信息带动工业机器人移动到加工站位，打开自由移动平台的四个支脚，通过判断四个支脚的压力值大小来实现下降到位；步骤五、将生成的nc加工程序导入工控机中执行，双目视觉机器人配合铣削加工机器人协同完成加工检测任务；步骤六、完成当前站位加工作业后，铣削加工机器人回到home状态，关闭自由移动平台的四个支脚，将铣削加工机器人移动到待命区域。上述步骤二包括：通过caa开发工具二次开发的功能，对产品数模文档进行加工面特征的自动识别与特征信息的提取，生成加工对象，进而根据产品数模提供的属性及参数信息创建工艺数模；离线编程软件读取保存在产品数模文档中的工艺数模，根据工艺数模完成加工任务规划，如双目视觉机器人路径规划、铣削加工机器人轨迹规划、末端执行器动作规划；依据工艺数据库及标准件库的数据，对各个序列的加工对象集合进行加工工艺的规划，包括加工参数的优化设置及加工方式、特殊工艺、辅助功能等的设置；根据前步规划的加工过程，离线编程软件自动生成机器人及末端执行器的运动轨迹及加工姿态，在序列起始与结束位置插入进退刀位置点，在加工对象间插入避让点，在站位加工流程结束后插入机器人复位点；按既定系统的nc代码规范，离线编程软件读取加工流程规划结果，并自动编译为可供delmia二次开发任务仿真模块及上位机系统读取的nc加工代码；delmia二次开发任务仿真模块读取nc程序并自动建立机器人仿真任务，分析加工任务中产生的干涉碰撞，通过自动避障轨迹生成，从而保证实际加工的安全性，调整结构树上的避让点，以保证加工轨迹能避开障碍物；对加工任务进行后置处理，通过后置处理算法转换坐标系和加工轨迹的补偿，并将最后转换后的nc加工代码输入给控制系统。上述步骤五中的加工任务包括铣削加工任务，铣削任务包括：a1、自由移动平台搭载双目视觉机器人移动到预定工位，机器人运动到代加工工件附近，双目视觉检测设备进行在线铣削余量检测，根据检测的信息对加工程序进行在线修正，将修正后的nc代码发送到控制系统中；a2、自由移动平台搭载着铣削加工机器人移动到加工初始点位置，利用激光跟踪仪实时采集当前点实际位姿信息，与理论值比较获取偏差信息进行在线补偿；a3、铣削末端执行器上的进给电机带动电主轴向前运动，到位后工位转换机构带动电主轴进行横向铣削，单条轨迹完成后进给电机运动进行退刀动作，工位转换机构带动电主轴回到初始原位，完成后机器人带动铣削末端执行器向下移动，进给机构又带动电主轴进给，进行下一条轨迹加工；a4、铣削加工完成后再次使用双目视觉测量仪器进行余量检测，若还存在加工余量则重复循环步骤a3，若不存在加工余量则移动机器人到下个加工站位。上述a1步骤中的余量检测过程如下：自由移动平台搭载双目视觉机器人运动到预定工位，双目视觉机器人运动到待检测工件附近，双目视觉测量设备投射细条蓝光到工件表面，在图像采集过程中，可有效过滤周围环境光干扰，然后控制双目视觉测量仪器对已贴好靶标贴的代加工工件表面进行在线扫描检测，通过双目视觉测量仪器的图像处理软件得到产品的整体尺寸形状，把实际加工表面与产品理论数模中的数据进行比较判断是否存在加工余量。上述a2步骤中的激光跟踪仪实时补偿流程，过程如下：铣削末端执行器侧壁的四周固定有4个靶标座，通过靶标座来固定靶标球，机器人运动到目标位置，激光跟踪仪实时检测铣削末端执行器侧壁上4个靶标球的实际位置，与机器人理论位姿进行比较，通过基于奇异值分解的最小二乘法匹配的方式求出位置偏差和姿态偏差，通过软件内部集成的算法对机器人的位置姿态进行补偿。上述步骤a2中的激光跟踪仪实时补偿流程，过程如下：所述铣削加工机器人运动到目标位置，激光跟踪仪实时检测铣削末端执行器上4个靶标球的实际位置，设为点集p＝{p1,p2,p3,p4}，该实际位置是相对于机器人基坐标系下的位置，已知的靶标球在工具坐标系下的4个理论位置，设为点集q＝{q1,q2,q3,q4}，建模成如下的公式：q＝rp+t(1.1)先计算点集合的中心点，然后将点集合移动到原点，计算最优旋转矩阵r，最后计算转移矩阵t；计算中心点的公式如下：将点集重新中心化，生成新点集合p′i和q′i，然后计算点集之间的协方差矩阵，点集重新中心化后得到：点集之间的协方差矩阵为：通过svd奇异值分解方法得到u、s、v，可计算点集之间的旋转矩阵r，公式如下：[u,s,v]＝svd(h)(1.7)r＝vut(1.8)通过r旋转矩阵求出机器人实际姿态角a′，b′，c′，最后，通过r获得转换矩阵t，转换矩阵t计算公式如下：由转换矩阵t可得刀具坐标系相对于机器人基坐标系的实际位置x′，y′，z′，通过算法获取的机器人实际位姿与已知机器人的理论位姿相比较可得到机器人的位置偏差和姿态偏差，最后把偏差值发送给控制系统中对机器人位姿进行精度补偿。标量定义如下：p′i，q′i去中心化后的新点集合h协方差矩阵r旋转矩阵u，v正交矩阵t平移矩阵p，q点集x′，y′，z′机器人实际位置a′，b′，c′机器人实际姿态。所述主控制柜的系统总控软件包括nc加工程序管理、机器人控制、系统诊断、测量单元管理、设备调试管理等功能，通过双通道的方式分别控制铣削加工机器人和双目视觉机器人运动，其中，铣削加工机器人通过直驱方式受控于数控系统；双目视觉机器人通过托管方式被数控系统控制，双目视觉机器人的安全功能通过profisafe方式被主控制器托管，双目视觉机器人的状态信息能够实时传输到主控界面上，并且在主控界面上对其进行处理。本发明设计了一种可移动双机器人自动铣削的智能化柔性生产线及其运行方法，能够完成对零件的余量检测以及铣削加工任务。双目视觉机器人搭载在自由移动平台上能够实现多站位在线检测任务，铣削加工机器人也搭载在自由移动平台上能够实现多站位铣削加工任务，双机器人配合完成铣削加工工作，有效提高机器人工作的灵活性，扩大机器人的加工范围，提高产品加工效率，解决大型结构件的加工难题。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。当前第1页12