[发明专利]三维复合材料预制件机器人缝合系统

说明书

技术领域

本发明涉及三维复合材料预制件制造技术，具体为一种三维复合材料预制件机器人缝合系统，国际专利主分类号拟为Int.Cl.A61B 17/00(2006.01)。

背景技术

复合材料具有质量轻、强度高、耐烧蚀等特点，已广泛应用于航空、航天、军工等尖端领域，并扩展到汽车、建筑、能源、环保、生物医疗和运动器械等方面，成为世界各国竞相重资投入的研究领域。但复合材料预制件制造成本昂贵，生产效率很低。因此，如何在保证三维复合材料性能优势的前提下实现预制件生产的自动化和柔性化，缩短生产周期，降低生产成本，已经成为应用复合材料亟待解决的关健问题。

复合材料缝合技术因其易于实现预制件生产过程的自动化和机械化，生产效率高，已经成为复合材料研究领域的焦点。良好的复合材料缝合技术能提高预制件穿过厚度方向层间断裂韧性、层间疲劳韧性和强度等性能；和编织等技术相结合可以使构造一些结构复杂的或者巨大的预制件更为方便，且有较好的连接强度，并可以代替胶接和金属铆接等连接方法，用于航天飞机、火箭和飞船等复合材料的制造过程中。这项技术已经在航空、航天等领域得到了应用，在美国航空航天局(NASA)、美国空军和法国空中客车公司的项目中都得到了应用。  不过，目前的复合材料缝合技术多是使用工业缝纫机在二维平面或者弯曲度不大的平面上进行的，缝合的角度和灵活性受到很大的限制，特别是难以对形状复杂的三维预制件进行缝合操作。

六轴工业机器人自由度大，工作效率高，已经在制造业中得到了广泛应用。为了提高复合材料预制件制造技术的自动化和机械化程度，提高生产效率，降低生产成本，扩大复合材料的应用范围，人们发明了机器人单面缝合技术。它借助于工业机器人引导单面缝纫机完成缝合操作，自动化程度高，工艺性能好，能够提高复合材料预制件穿过厚度方向的各种力学性能，与编织等其他制造技术结合可以生产形状复杂的预制件，易于实现预制件生产过程的自动化和机械化，生产效率高，对降低复合材料预制件生产成本，提高复杂形状预制件的生产效率意义重大。基于工业机器人和单面缝纫机的复合材料缝合系统已由德国的KSL公司研制成功，并在汽车工业、航空和航天等方面得到了广泛应用，其技术已在法国空中客车公司用于生产机翼、挡板等部件，大大降低了飞机的制造成本。

但目前的纺织三维复合材料缝合机器人多为示教再现机器人，编程复杂、效率低，灵活性差，只能按照事先设定的轨迹进行缝合，对工装和定位装置的精度依赖性强。对不同形状和尺寸的工件进行缝合时必须更换工装和定位装置。另外，在缝合过程中，一些尺寸大、刚性差的工件(如飞机机翼和导弹外壳等)受缝针的作用易产生变形，或由于大型件接口一致性不好，可能使实际接缝偏离预先示教轨迹。因此示教机器人在此情况下缝合误差大，质量难于保证。

机器视觉具有高效率和非接触性的特征。其在纺织检测中的应用越来越广，机器视觉跟踪系统能克服示教机器人的缺点，大大提高缝合机器人的灵活性和智能性。在申请人检索文献的范围内，三维复合材料预制件机器人缝合系统具体技术和工艺一直未见披露，也未见有关接缝机器人视觉跟踪技术的报道。

发明内容

针对现有技术的情况，本发明要解决的技术问题是，设计一种三维复合材料预制件机器人缝合系统，该缝合系统具有自动跟踪接缝和自动调整运动轨迹的智能化缝合功能，性能稳定、灵敏度和精确度高等特点，可实现纺织三维复合材料预制件缝合过程的智能化和自动化。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种三维复合材料预制件机器人缝合系统，该缝合系统包括机器人、单面缝纫机、结构光视觉传感器和图像处理单元；所述的单面缝纫机与结构光视觉传感器的外壳连接在一起，并固定在机器人手臂的末端；所述的结构光视觉传感器包括激光器和CCD摄像机，分别固定在结构光视觉传感器外壳内，所述CCD摄像机的光轴中心线与激光器的激光结构光面成30°-60°角，并与缝合物的工件表面垂直；所述图像处理单元包括图像采集卡、PC机及图像处理程序库，所述的图像处理程序库包括缝合物类型判别模块、图像预处理模块、图像后处理模块和控制量输出模块；所述的CCD摄像机通过视频数据线与图像采集卡相连，图像采集卡安装在C机主板插槽内，PC机通过串口与机器人相连。