Способ автоматической обработки крупногабаритных тонкостенных изделий
METHOD OF AUTOMATIC TREATMENT OF LARGE-SIZE THIN WALL PRODUCTS

Изобретение относится к области обработки (обрезки технологических припусков, краев, заусенцев, вскрытию технологических окон и др.) крупногабаритных тонкостенных изделий из металлов, конструкционных материалов, пластмасс и др.
Известно устройство слежения за траекторией в реальном масштабе времени при лазерной сварке с помощью робота, которое содержит программируемый логический контроллер, робот, устройство управления лазерной сваркой и сенсор, содержащий видеокамеру и устройство для обработки видеоданных. Сенсор расположен на устройстве лазерной сварки, он получает данные о положении и форме заготовки с помощью видеокамеры и корректирует траекторию движения устройства для лазерной сварки в реальном масштабе времени (см. CN 204413407 (U), МПК B23K26/21, 24.06.2015).
Недостатком этого устройства является то, что для качественной сварки видеосистема всегда должна точно определять изображение стыка свариваемых изделий. По CAD-моделям сваривать две детали нельзя, так как их точное базирование в рабочей области робота в рассматриваемом устройстве не предусмотрено.
Известен способ базирования крупногабаритных обводообразующих деталей, их механической обработки и сборки, включающий автоматическую настройку дискретных опор подвижных секций, ориентирование обводообразующей детали и фиксацию ее на опорах с помощью вакуумных прихватов, а также механическую обработку детали, использующий стойку с упорами и приводами, связанными с системой ЧПУ, перед автоматической настройкой дискретных опор на основе математической модели обводообразующей детали определяют координаты по оси OY в ортогональной системе координат XYZ осей подвижных секций и углы их поворота, а также координаты по оси OX стойки в соответствующих позициях и координаты упоров по оси OY в указанных позициях, автоматическую настройку дискретных опор подвижных секций осуществляют путем установки в указанные позиции и поворота подвижных секций, последовательной установки в соответствующие позиции и поворота стойки, выдвижения упоров стойки по оси OY на расчетные значения, а также централизованного подвода к ним в каждой позиции и фиксации опор подвижных секций, ориентирование обводообразующей детали производят по двум базовым отверстиям, для механической обработки детали используют робототехнический комплекс, включающий промышленный робот с многофункциональной головкой, в процессе механической обработки производят обработку детали по контуру и сверление сборочных отверстий многофункциональной головкой по программе при последовательном позиционировании промышленного робота в заданных позициях, после чего осуществляют операции по сборке панели с использованием упомянутых сборочных отверстий обводообразующей детали и сверление отверстий в полученной в результате сборки панели с использованием многофункциональной головки (см. RU 2165836 (С2), МПК B23P21/00, 27.04.2001).
Этот способ по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению. Однако при фиксации тонкостенных крупногабаритных изделий описанным выше способом очень часто происходит смещение их положения и изменение ориентации в рабочей зоне многостепенного манипулятора. В результате реальное положение и ориентация изделия после фиксации не совпадет с ее математической моделью. Поэтому при точной обработке каждой такой детали потребуется дополнительно осуществлять коррекцию управляющей программы робота, на которую будет затрачено значительное время.
Задачей изобретения является устранение указанного выше недостатка и, в частности, сокращение времени на выполнение операций базирования и фиксации деталей, а также на формирование скорректированных траекторий их обработки с использованием эталонных CAD-моделей.
Технический результат изобретения заключается в автоматизации процессов формирования скорректированных траекторий движения режущих инструментов после базирования и фиксации обрабатываемых изделий. При этом задание траекторий движения режущего инструмента выполняется на основе комплексирования данных, получаемых от используемой системы технического зрения и эталонных CAD-моделей изделий.
Поставленная задача решается тем, что способ автоматической обработки тонкостенных крупногабаритных изделий, включающий автоматическую настройку опор устройства фиксации на основе эталонной полигональной CAD-модели изделия, заданной в первой системе координат и содержащей траекторию обработки, которая представляет собой интерполяционную кривую, проходящую через базовые точки, загрузку этой модели в управляющую манипулятором ЭВМ, содержащую систему управления, с системой технического зрения, работающую в первой системе координат, ориентирование обрабатываемого изделия и фиксацию его с помощью вакуумных присосок опор в рабочей зоне манипулятора, задание посредством системы управления манипулятором режима движения рабочего инструмента, установленного на манипуляторе, с обеспечением заданной обработки изделия отличается тем, что посредством системы технического зрения получают трехмерную модель зафиксированного изделия в виде облака точек во второй системе координат, в которой работает система технического зрения, и пересчитывают координаты каждой точки полученного облака из второй системы координат в первую систему координат, в каждом полигоне эталонной полигональной CAD-модели после загрузки в управляющую ЭВМ находят его геометрический центр, который делит этот треугольник на три новых, в каждом новом треугольнике находят геометрический центр, который делит его еще на три новых и так до тех пор пока общее количество точек на эталонной полигональной CAD-модели не станет сопоставимо с количеством точек в облаке, полученном от системы технического зрения, затем координаты вершин всех исходных и полученных треугольников сохраняют, формируя уплотненное облако точек, затем выполняют совмещение исходного и уплотненного облаков точек с помощью стандартного итеративного метода ICP (Iterative Closest Points) поиска ближайших точек, по итогам совмещения получают функцию с оптимальным параметром функции трансформации, применяют ее к координатам базовых точек траектории обработки и получают координаты базовых точек траектории обработки на зафиксированном крупногабаритном тонкостенном изделии, выполняют интерполяцию траектории по базовым точкам.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого способа с признаками аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения предназначены для решения следующих функциональных задач.
Признак «…посредством системы технического зрения получают трехмерную модель зафиксированного изделия в виде облака точек во второй системе координат, в которой работает система технического зрения, и пересчитывают координаты каждой точки полученного облака из второй системы координат в первую систему координат …» обеспечивает автоматическое получение трехмерной модели обрабатываемого изделия и пересчет координат каждой точки из этого облака из системы координат, связанной с системой технического зрения, в систему координат, связанную с манипулятором. Если система технического зрения (оптический или лазерный сканеры, стереокамера и др.) не может захватить в один кадр все изделие сразу, то требуется линейное перемещение этой системы относительно этого изделия.
Признак «…в каждом полигоне эталонной полигональной CAD-модели после загрузки в управляющую ЭВМ находят его геометрический центр, который делит этот треугольник на три новых, в каждом новом треугольнике находят геометрический центр, который делит его еще на три новых и так до тех пор пока общее количество точек на эталонной полигональной CAD-модели не станет сопоставимо с количеством точек в облаке, полученном от системы технического зрения, затем координаты вершин всех исходных и полученных треугольников сохраняют, формируя уплотненное облако точек…» обеспечивает автоматическую подготовку эталонной CAD-модели изделия к последующей обработке.
Признак «…выполняют совмещение исходного и уплотненного облаков точек с помощью стандартного итеративного метода ICP (Iterative Closest Points) поиска ближайших точек, по итогам совмещения получают функцию с оптимальным параметром функции трансформации, применяют ее к координатам базовых точек траектории обработки и получают координаты базовых точек траектории обработки на зафиксированном крупногабаритном тонкостенном изделии, выполняют интерполяцию траектории по базовым точкам…» обеспечивает автоматическое формирование точной траектории движения рабочего инструмента манипулятора после закрепления изделия с возможным изменением его положения и ориентации.
На фиг. схематически показан способ автоматической обработки крупногабаритных тонкостенных изделий, где введены следующие обозначения: 1 – обрабатываемое изделие; 2 – опоры; 3 – устройство фиксации; 4 – первая система координат, в которой работает манипулятор; 5 – управляющая ЭВМ; 6 – многостепенной манипулятор; 7 – система управления манипулятора 6; 8 – вакуумные присоски; 9 – рабочий инструмент (лазер, устройство для гидроабразивного реза и др.); 10 – система технического зрения; 11 – вторая система координат, в которой работает система технического зрения 10.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
С помощью системы 10 технического зрения сканируют закрепленное обрабатываемое изделие 1 и его координаты, полученные во второй системе 11 координат, запоминают в управляющей ЭВМ 5 в виде облака точек M. Если система 10 технического зрения не может сканировать крупногабаритное обрабатываемое изделие 1 одним кадром, то обеспечивают перемещение системы 10 технического зрения относительно изделия и делают несколько кадров, которые затем сшивают в управляющей ЭВМ 5, формируя единое облако М. После этого координаты каждой точки облака М, заданные во второй системе 11 координат, в управляющей ЭВМ 5 пересчитывают в первую систему 4 координат многостепенного манипулятора 6.
Затем с помощью управляющей ЭВМ 5 из базы данных выбирают полигональную CAD-модель обрабатываемого изделия 1, содержащую траекторию обработки, которая представляет собой интерполяционную кривую, проходящую через базовые точки. Эта полигональная модель представляет собой совокупность сегментов (поверхностей), описываемых набором треугольников, и содержит координаты всех вершин этих треугольников. Если оставить только координаты этих вершин, то полученное таким образом облако точек будет «разреженным». Его точки будут сосредоточены на изгибах модели и будут отсутствовать на более плоских участках. Это приведет к тому, что при последующем совмещении облака точек будут совмещаться с большими погрешностями.
Для уменьшения этих погрешностей требуется уплотнить облако точек, соответствующее CAD-модели. Для этого в каждом треугольнике, входящем в исходную полигональную CAD-модель, в зависимости от его площади генерируют дополнительные точки. Чем больше площадь треугольника, тем больше дополнительных точек генерируют. Для генерации дополнительных точек в каждом полигоне (треугольнике) CAD–модели выполняют следующие действия: находят его геометрический центр, который делит этот треугольник на три новых, в каждом новом треугольнике находят геометрический центр, который делит его еще на три новых и т.д. Затем координаты вершин всех (исходных и полученных) треугольников сохраняют, формируя, таким образом, уплотненное облако точек D. Количество точек в нем должно быть сопоставимо с количеством точек в облаке М, полученном от системы 10 технического зрения.
Затем трехмерную модель закрепленного обрабатываемого изделия 1, полученную в виде облака точек М в первой системе 4 координат, сопоставляют с облаком точек D и, соответственно, с траекторией обработки. При этом для сопоставления (совмещения) двух указанных облаков точек используют типовую процедуру компьютерной графики. Для этого используют локализацию заданного объекта в трехмерной сцене, применяя метод ICP (Iterative Closest Points) совмещения двух трехмерных моделей, представленных в виде облаков точек. Входными данными для работы этого метода являются два облака точек. Первое (передвигаемое) - уплотненное облако точек D, полученное из эталонной CAD-модели, а второе - облако M, полученное при сканировании.
Математически задачу совмещения двух облаков точек с помощью метода ICP формулируют в виде:
, (1)
, (2)
где E – ошибка совмещения облаков точек;
- квадрат расстояния между точками в k-ой паре ближайших точек из облаков D и M;
и  – точки из облаков D и M, соответственно;
d
m
N,N - количество точек в облаках D и M, соответственно, которое может быть различным;
T(a, D) – функция трансформации облака точек D в облако точек M;
a – параметр функции трансформации;
*
a – оптимальный параметр функции трансформации, который минимизирует функционал (1).
m
d
Для определенности передвигаемым облаком является облако D и N ≤ N.
Как видно из (1) и (2), задача совмещения двух облаков точек формулируется как задача минимизации среднеквадратичного расстояния между точками в парах ближайших точек этих облаков. При этом в параметр a функции T(a, D) входят элементы матрицы поворота и вектора смещения. Последовательность выполнения ICP на каждой итерации состоит из следующих шагов.
d
k
Для каждой точки , ищется ближайшая точка . Облака точек M и D при их построении часто содержат различное количество точек. При этом одной точке одного облака может соответствовать несколько ближайших к ней точек другого облака. В этом случае для одной точки одного облака формируется столько пар точек сколько ближайших к ней точек расположено в другом облаке, то есть N ≤ N.
Затем выполняется новый расчет параметра a функции T(a, D) с помощью известных способов численной оптимизации. После этого преобразование T(a, D) с новым параметром a применяется к облаку точек D. На следующем шаге с помощью выражения (1) рассчитывается ошибка E совмещения указанных облаков точек и сравнивается с предельным значением. Если полученное значение E для совмещаемых облаков точек М и D становится меньше предельного значения, то расчеты прекращаются. В противном случае указанные выше шаги расчетов продолжаются.
*
По итогам совмещения двух облаков получают функцию T(a, D) трансформации облака точек D в облако точек M. Затем ее применяют к координатам базовых точек траектории обработки, заданной на исходной CAD-модели, и получают координаты базовых точек траектории обработки на зафиксированном в устройстве фиксации 3 обрабатываемого изделия 1, положение и ориентация которого отличается от исходной CAD-модели.
После интерполяции траектории по базовым точкам управляющая ЭВМ 5 включает режущий рабочий инструмент 9 и система управления 7 манипулятора 6 задает необходимый режим движения этого рабочего инструмента 9, обеспечивая обработку зафиксированного обрабатываемого изделия 1 с требуемой точностью по полученной траектории.
Реализация предложенного способа обработки крупногабаритных тонкостенных изделий из любых материалов не вызывает принципиальных затруднений, поскольку при его реализации используют только типовые системы и устройства.