阅读说明：本技术 机械手流水线式工件三维扫描及增材修补装置、方法 (Manipulator assembly line type workpiece three-dimensional scanning and additive repairing device and method ) 是由 杨海马 张鹏程 杨萍 梁旭东 张大伟 刘瑾 李筠 袁宝龙 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种机械手流水线式工件三维扫描及增材修补装置,包括：检测加工环形轨道、检测机械手模块、增补机械手模块、水平直达轨道、卸料区、装料区、全向轮载物台、模式识别探测器、环形模式标记线、直线模式标记线、位姿调整模块和控制器。本发明的工作现场无需人工干预,各环节设备按照统一加工流程自动运转,实现高价值工件三维扫描和加工修补工作的进行,实现了修补流程连续化、自动化,并显著提高工作效率。本发明提出了一种机械手流水线式工件三维扫描及增材修补方法。(The invention provides a manipulator assembly line type workpiece three-dimensional scanning and additive repairing device, which comprises: the device comprises a detection processing annular track, a detection manipulator module, an additional manipulator module, a horizontal direct track, a discharging area, a loading area, an omnidirectional wheel objective table, a mode identification detector, an annular mode marking line, a linear mode marking line, a pose adjusting module and a controller. The invention has the advantages that the working site does not need manual intervention, equipment in each link automatically operates according to a unified processing flow, the high-value workpiece three-dimensional scanning and processing and repairing work are realized, the continuity and automation of the repairing flow are realized, and the working efficiency is obviously improved. The invention provides a manipulator assembly line type workpiece three-dimensional scanning and additive repairing method.)

机械手流水线式工件三维扫描及增材修补装置、方法

技术领域

本发明属于增材制造领域，尤其涉及一种机械手流水线式工件三维扫描及增材修补装置、方法。

背景技术

在航空航天、船舶、铁路和成套发电设备制造领域，需要对高价值工件进行精密检测和必要的缺损修补工作。常规采用的方案是人工检测、缺陷判断和焊接修补，工作过程繁琐、周期长、测量修补精度低。随着三维扫描和增材制造技术的发展，采用激光轮廓仪对高价值工件进行三维扫描，经点云重构后形成工件的三维模型，经数据比对处理后实现高价值工件的缺陷在线检测和增材修补路径的规划，最终由增材设备完成缺损部位的修补工作，实现高价值工件的重复利用。

然而现有技术中，高价值工件的增材修补工作方面，还存在以下缺陷：1)专利CN108534707A叙述了一种工业制造中工件规模化扫描检测方法，采取人工手持扫描仪对工件进行扫描，通过轨迹跟踪系统记录、处理扫描仪的移动轨迹来优化机械臂扫描路径，整个方法需要人工参与操作，扫描、检测过程不连续，工作效率较低；2)CN107932915A公开了一种自动机器人增材制造流水线控制系统，设计了成型装置、清洗装置、风干装置、固化装置，配合机械臂进行自动化增材制造，解决了人工效率低以及误操作的问题，但缺少三维轮廓扫描成像功能，无法对工件进行在线修补检测；3)专利CN107972557A提出了一种基于车辆运输的现场移动式激光增材修复设备，将激光增材修复设备安装于车辆中，能够提高现场增材修复的需求，但在大量工件需要修补、制造的情况下，不易进行连续作业、耗时长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械手流水线式工件三维扫描及增材修补装置、方法，使修补流程连续化、自动化，并显著提高工作效率。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出了一种机械手流水线式工件三维扫描及增材修补装置，包括：检测加工环形轨道、检测机械手模块、增补机械手模块、水平直达轨道、卸料区、装料区、全向轮载物台、模式识别探测器、环形模式标记线、直线模式标记线、位姿调整模块和控制器；

其中，所述检测加工环形轨道上设置检测扫描区和增补区；所述检测机械手模块、增补机械手模块分别设置在所述检测扫描区、增补区；

所述检测加工环形轨道的外侧分别连通所述装料区的内侧、卸料区的内侧；所述检测加工环形轨道的内侧连通所述水平直达轨道的两端；

所述环形模式标记线沿所述检测加工环形轨道设置；所述直线模式标记线设置在所述水平直达轨道上；所述模式识别探测器识别环形模式标记线和直线模式标记线；所述模式识别探测器和所述位姿调整模块的一部分固定在所述全向轮载物台上；所述位姿调整模块对所述全向轮载物台进行定位；

所述全向轮载物台进入装料区，沿环形模式标记线进入检测扫描区后沿直线模式标记线进入卸料区或所述全向轮载物台进入装料区，沿环形模式标记线依次进入检测扫描区和卸料区；

所述控制器分别信号连接所述全向轮载物台、检测机械手模块、增补机械手模块和位姿调整模块。

优选地，所述位姿调整模块包括定位孔、水平定位标记、垂直定位标记、分光器和照相机；

其中，所述水平定位标记、定位孔和垂直定位标记由外向内依次设置；所述水平定位标记、定位孔和垂直定位标记均设置在所述装料区、卸料区、检测扫描区和增补区内；

所述垂直定位标记高于水平定位标记；

所述定位孔成型于一安全边界墙上；所述定位孔为一通孔；

所述分光器和照相机固定在所述全向轮载物台上；所述分光器、照相机自所述垂直定位标记向外依次设置。

优选地，所述检测机械手模块包括第一机械手和三维扫描装置；所述三维扫描装置安装在所述第一机械手上。

优选地，所述增补机械手模块包括第二机械手和增补装置；所述增补装置安装在所述第二机械手上。

优选地，所述第一机械手和第二机械手的前端均安装测距仪。

优选地，所述全向轮载物台包括支撑主体、转台、转轮和控制板；所述转轮设置在所述支撑主体的底部；所述转台设置在所述支撑主体的上表面。

本发明还提出了一种基于机械手流水线式工件三维扫描及增材修补方法，包括以下步骤：

步骤S101：所述全向轮载物台到达进料区，应用位姿调整法进行位置自动调整，之后进行装料；

步骤S102：所述全向轮载物台反馈信号至所述控制装置，同时模式识别探测器识别环形模式标记线，控制装置驱动全向轮载物台沿环形模式标记线进入检测扫描区；

步骤S103：所述全向轮载物台进行位置自调整；

步骤S104：所述全向轮载物台反馈信号至所述控制器，控制器驱动检测机械手模块对物料进行三维扫描；

步骤S105：所述控制器接收三维扫描数据，并判断是否检测合格，若否，则进行步骤S106，若是，则执行步骤S110；同时所述控制器发送相应的调度命令至所述万向轮载物台；

步骤S106：所述模式识别探测器识别环形模式标记线，所述全向轮载物台沿检测加工环形轨道进入增补区；

步骤S107：所述全向轮载物台进行位置自调整；

步骤S108：所述全向轮载物台反馈信号至所述控制器，控制器驱动增补机械手模块对物料进行增材加工；

步骤S109：所述模式识别探测器识别环形模式标记线，所述全向轮载物台沿检测加工环形轨道再次进入检测扫描区，以再次执行步骤S103；

步骤S110：所述模式识别探测器识别直线模式标记线，所述全向轮载物台沿水平直达轨道进入卸料区；

步骤S111：所述全向轮载物台进行位置自调整；

步骤S112：所述模式识别探测器识别环形模式标记线，所述全向轮载物台沿检测加工环形轨道进入装料区，执行步骤S101。

优选地，所述位置姿态调整法具体为：一束光线依次经过所述垂直定位标记、定位孔后，穿过分光器在照相机成像；一束光线经过水平定位标记，在分光器处反射，在照相机上成像；所述万向轮载物台自调整，使得所述成像重合以完成位姿定位。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1)采取流水线作业系统将工作区划分为卸料、装料、检测扫描、增补四个区域，并选用全向轮载物台，使得整个系统的调度过程变得连续高效；

2)通过具有无线通信功能的控制器对全局进行合理调度，使得该系统能够很好地处理大规模的工件扫描检测与材料增补工作；

3)采取基于机器视觉的定位方式，准确性高、实时性好，并通过四驱动全向轮能够在短时间内完成载物台位姿的自调整，保障了增补机械手模块加工操作工序的实时精度。

附图说明

图1为本发明一实施例的机械手流水线式工件三维扫描及增材修补装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例的机械手流水线式工件三维扫描及增材修补方法的流程图；

图3为位姿调整法中定位原理图；

图4为图1中第一机械手对全向轮载物台上物料操作的示意图。

其中，1-卸料区，2-装料区，3-检测扫描区，4-增补区，5-第一机械手，6-三维扫描装置，6a-轮廓仪，6b-激光三角测距仪，7-第二机械手，8-增补装置，9-控制器，10-全向轮载物台，10a-支撑主体，10b-转台，10c-转轮，10d-控制板，11-循迹模式标记线，11a-直线模式标记线，11b-环形模式标记线，12-总线，13-安全边界墙，14-位姿调整模块，14a-照相机，14b-分光器，14c-定位孔，14d-垂直定位标记，14e-水平定位标记，15-模式识别探测器，16-第一光路，17-第二光路。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的机械手流水线式工件三维扫描及增材修补装置、方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1所示，一种机械手流水线式工件三维扫描及增材修补装置，包括：检测加工环形轨道、检测机械手模块、增补机械手模块、水平直达轨道、卸料区1、装料区2、全向轮载物台10、模式识别探测器15、环形模式标记线11b(虚线)、直线模式标记线11a(实线)、位姿调整模块14和控制器9。环形模式标记线11b(虚线)、直线模式标记线11a构成循环模式轨迹线11。

检测加工环形轨道分为检测扫描区3和增补区4；检测机械手模块、增补机械手模块分别设置在检测扫描区3、增补区4。

检测加工环形轨道的外侧分别连通装料区2的内侧、卸料区1的内侧；检测加工环形轨道的内侧连通水平直达轨道的两端。

环形模式标记线11b沿检测加工环形轨道设置；直线模式标记线11a设置在水平直达轨道上；模式识别探测器15识别环形模式标记线11b和直线模式标记线11a；模式识别探测器15和位姿调整模块14的一部分固定在全向轮载物台10上；位姿调整模块14对全向轮载物台10进行定位。

全向轮载物台10进入装料区2，沿环形模式标记线11b进入检测扫描区3后沿直线模式标记线11a进入卸料区1或全向轮载物台10进入装料区2，沿环形模式标记线11b依次进入检测扫描区3和卸料区1。

控制器9分别信号连接全向轮载物台10、检测机械手模块、增补机械手模块和位姿调整模块14。

如图1、3、4所示，位姿调整模块14包括定位孔14c、水平定位标记14e、垂直定位标记14d、分光器14b和照相机14a；

其中，水平定位标记14e、定位孔14c和垂直定位标记14d由外向内依次设置；水平定位标记14e、定位孔14c和垂直定位标记14d均设置在装料区2、卸料区1、检测扫描区3和增补区4内；

垂直定位标记14d高于水平定位标记14e；水平定位标记14e在水平地面设置，垂直定位标记14d设置在墙面或机器手底座，水平定位标记14e和垂直定位标记14d均可以是带圆环的实圆心等标识图案。

定位孔14c设置于靠近机械手的安全边界墙13上；定位孔14c为一通孔；

分光器14b和照相机14a固定在全向轮载物台10上；分光器14b、照相机14a自垂直定位标记14d向外依次设置。

此外，安全边界墙13规划了全向轮载物台的工作区间，保障载物台在两种循迹模式下运输工件的安全性和可靠性。

如图4所示，检测机械手模块包括第一机械手5和三维扫描装置6；三维扫描装置6安装在第一机械手5上，三维扫描装置6设有轮廓仪6a和激光三角测距仪6b。第一机械手5具体六自由度。增补机械手模块包括第二机械手7和增补装置8；增补装置8安装在第二机械手7上。第一机械手5和第二机械手7分别设置于与水平轨道夹角±135°的方向上，两个机器手通过通信总线12与中间载有WIFI功能的控制器9相连。

在本实施例中，第一机械手5和第二机械手7的前端均安装测距仪，以便实时控制机械手前端与工件(物料)的距离，通过对机械手施加反馈控制使其与工件保持安全距离。机械手控制系统包括比例控制器9、积分控制器9和微分控制器9，以便更精确控的制机器手的X轴、Y轴、Z轴方向运动。

如图4所示，全向轮载物台10包括支撑主体10a、转台10b、转轮10c和控制板10d；转轮10c设置在支撑主体10a的底部；转台10b设置在支撑主体10a的上表面。转轮10c为四驱动麦科勒姆轮，控制板10d载有WIFI功能。在本实施例中，全向轮载物台10为自主开发的AGV小车，车体可借鉴深圳优旺特UA32-TM3-CH2型车体；第一机器手、第二机械手7选型为ABB公司的IRB6700-2056轴机器手；激光轮廓仪型号为基恩士的LJ-V7000；增补装置8为DED金属粉末或金属丝熔融枪，材料根据需要可选择钨粉、不锈钢粉等。模式识别探测器15(光电检测传感器)、控制器9系统等为常规型号产品。

全向轮载物台10、检测机械手模块、控制器9、位姿调整模块14之间的配合工作原理如下：当系统位姿调整模块14中的相机14a检测到一个定位标志时控制麦科勒姆轮横向移动直至检测到两个定位标志，之后控制四个麦科勒姆轮进行微动直到两个定位标志重合完成定位。定位完成后，嵌入式控制板10d通过WIFI同控制器9通信，控制器9控制第一机器手通过三维扫描装置6对物料进行检测。第一机器手检测的数据实时通过总线12返回给控制器9，包括轮廓仪返回外形数据和激光三角测距仪返回的距离信息，控制器9通过距离信息反馈控制机器手X轴、Y轴和Z轴姿态避免发生轮廓仪误碰工件。检测完成后，控制器9将三维扫描的数据同标准库进行比对，判断工件是否需要增材加工并通过WIFI发送对全向轮载物台10的调度命令。此外，当全向轮载物台10进入4个工作区前都需要进行姿态自调整，以便确保检测扫描前与增补加工时，工件的位置保持一致。

如图2所示，本实施例还提出了一种基于机械手流水线式工件三维扫描及增材修补方法，包括步骤S101～步骤S112，具体如下：

步骤S101：全向轮载物台10到达进料区，应用位姿调整法进行位置自动调整，之后进行装料；

步骤S102：全向轮载物台10装料完毕后，全向轮载物台10反馈信号至控制装置，同时模式识别探测器15识别环形模式标记线11b，控制装置驱动全向轮载物台10沿环形模式标记线11b进入检测扫描区3；

步骤S103：全向轮载物台10进行位置自调整；

步骤S104：全向轮载物台10通过WIFI反馈信号至控制器9，控制器9驱动检测机械手模块对物料进行三维扫描；

步骤S105：控制器9接收三维扫描数据，并判断是否检测合格，若否，则进行步骤S106，若是，则执行步骤S110；同时控制器9发送相应的调度命令至万向轮载物台；

步骤S106：模式识别探测器15识别环形模式标记线11b，全向轮载物台10沿检测加工环形轨道进入增补区4；

步骤S107：全向轮载物台10进行位置自调整；

步骤S108：全向轮载物台10反馈信号至控制器9，控制器9驱动增补机械手模块对物料进行增材加工；

步骤S109：模式识别探测器15识别环形模式标记线11b，全向轮载物台10沿检测加工环形轨道再次进入检测扫描区3，以再次执行步骤S103；

步骤S110：模式识别探测器15识别直线模式标记线11a，全向轮载物台10沿水平直达轨道进入卸料区1；

步骤S111：全向轮载物台10进行位置自调整；

步骤S112：模式识别探测器15识别环形模式标记线11b，全向轮载物台10沿检测加工环形轨道进入装料区2，执行步骤S101。

在本实施例中，位置姿态调整法具体为：一束光线依次经过垂直定位标记14d、定位孔14c后，穿过分光器14b在照相机14a成像以形成第一光路16；一束光线经过水平定位标记14e，在分光器14b处反射，在照相机14a上成像以形成第二光路17；万向轮载物台自调整，使得成像重合以完成位姿定位。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。