基于視覺的板材自動攻絲機設計*

吳焱明，李飛亞，曹 寧，吳喆建，丁 鵬，秦 強

(1.合肥工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009;2.合肥學院，安徽 合肥 230601)

0 引言

現(xiàn)如今板材沖壓件廣泛應用于生產生活中的各個領域，目前較先進的螺紋孔成型工藝是模內攻絲，但模內攻絲對模具維護的要求較高，出現(xiàn)問題現(xiàn)場工作人員難以及時發(fā)現(xiàn)，從而導致不良品流出。因此，用傳統(tǒng)的攻絲機完成螺紋孔的加工仍是當前業(yè)內普遍采用的方式。單臺手動攻絲機需要運料、攻絲加工、螺紋檢查等多名人員配合，工人的勞動強度大且效率低下，還容易出現(xiàn)工傷和不良品流出等情況[1]。因此本文設計了一種板材自動攻絲機，利用工業(yè)相機采集板材特征信息實現(xiàn)板材定位，并根據(jù)板材DXF文件中孔的位置和孔徑信息規(guī)劃攻絲路徑，實現(xiàn)板材自動攻絲的功能。

1 板材自動攻絲機的結構

板材自動攻絲機由大橫梁、橫移總成、縱移總成、主軸總成、刀庫總成和機身總成六大部分組成，其結構如圖1所示。其中大橫梁、橫移總成、縱移總成的移動實現(xiàn)了板材自動攻絲機在X、Y、Z空間任意位置的到達。大橫梁和橫移總成均由伺服電動機連接減速器通過齒輪齒條的傳動來實現(xiàn)移動；縱移總成通過帶抱閘的伺服電機連接導軌絲桿滑塊機構來實現(xiàn)移動，選用帶抱閘的伺服電動機從而確保縱移總成在伺服關閉(OFF)狀態(tài)下不會因為自重而下落；主軸總成包括工業(yè)相機、絲錐夾緊裝置等，通過主軸伺服電機連接同步帶來實現(xiàn)主軸的旋轉。工業(yè)相機用來采集板材的圖像信息，實現(xiàn)板材的自動定位。主軸總成配合縱移總成的兩軸插補運動實現(xiàn)絲錐的攻絲功能；刀庫總成實現(xiàn)刀盤的旋轉功能，由伺服電動機連接減速器直接驅動，配合主軸總成中的絲錐夾緊裝置實現(xiàn)自動換刀。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

板材自動攻絲機系統(tǒng)采用以工控機為核心的上位機和以運動控制器為核心的下位機的聯(lián)合控制方案[2]。由于上位機在工作中需要完成圖形采集、圖形處理、路徑規(guī)劃、任務管理及定位計算等工作，運算量大，故決定選用研華ARK-2121L型號工控機，同時配備了工業(yè)可觸摸顯示屏以提供方便實用的人機交互界面；在運動定位過程中，該機床控制系統(tǒng)定位精度需求較高，并且需要多軸聯(lián)動，控制系統(tǒng)的核心選用安川的MP3300運動控制器[3]?？刂葡到y(tǒng)總體結構框圖如圖2所示。

1-大橫梁；2-橫移總成；3-縱移總成；4-主軸總成；5-刀庫總成；6-機身總成

圖2 控制系統(tǒng)總體結構框圖

MP3300運動控制器包括218IFD通信模塊、SVC32伺服運動模塊和LIO-01輸入輸出模塊?？刂破魍ㄟ^218IFD通信模塊實現(xiàn)與工控機的通信；通過SVC32伺服模塊可以同時控制機床各軸伺服電機運動；通過LIO-01輸入輸出模塊可以分別提供16個數(shù)字輸入和輸出以及脈沖信號輸入[4]。

工控機具有雙網卡，一個網卡用來與控制器的通信模塊進行連接；另一個網卡用來與工業(yè)相機進行連接，接收工業(yè)相機采集的圖像信息。在Windows系統(tǒng)中運行了上位機軟件后，可以手動控制攻絲機的運動、讀取板材加工文件信息、規(guī)劃板材攻絲路徑、根據(jù)相機采集的圖像信息計算板材位置等。

手輪是為了方便工作人員手動控制攻絲機而設置的，手輪發(fā)出的脈沖信號輸入到輸入模塊中。

輸入模塊除了接收手輪軸選和倍率開關信號外，還接收急停開關按鈕、傳感器等信號。

系統(tǒng)的輸出信號主要包括絲錐的吸取和釋放、冷卻液開關、伺服的上電控制和伺服報警清除等。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

板材自動攻絲機控制系統(tǒng)軟件設計分為兩個部分：以工控機為核心的上位機程序設計和以MP3300為核心的下位機程序設計。整個控制系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化編程的思想，系統(tǒng)構架如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件構架

下位機軟件的開發(fā)通過MPE720軟件實現(xiàn)，上位機軟件程序的開發(fā)主要通過.NET平臺的C#語言實現(xiàn)[5]。

3.1 下位機軟件

(1) I/O模塊：I/O模塊分為輸入與輸出，輸入點主要是檢測急停、復位等按鈕的狀態(tài)，通過讀取輸入點的狀態(tài)來配合其他模塊執(zhí)行特定的動作，并作用到輸出點上。

(2) 手輪模塊：手輪模塊通過采集電子手輪的脈沖、軸選和倍率等信號并編寫了相應的PLC程序來控制機床各軸運動,用來輔助控制板材自動攻絲機。

(3) 運動模塊：運動模塊用來實現(xiàn)對板材自動攻絲機的運動控制，包括各軸點動、定位和插補等基本運動。同時各軸之間相互配合實現(xiàn)了換刀、對刀和攻絲等復合運動。

3.2 上位機程序

(1) 通信模塊:主要使整個系統(tǒng)建立聯(lián)系。其中包括工控機與控制器的通信、工控機與工業(yè)相機的通信。工控機與控制器間通信是基于TCP的擴展MEMOBUS協(xié)議，通過對MP3300控制器發(fā)送指令、設置運動模式等實現(xiàn)對電機的運動控制。工控機與工業(yè)相機是網口通信，通過調用相機的API函數(shù)完成拍照、保存等動作。

(2) 圖像采集處理模塊:通過對工業(yè)相機采集的圖片存儲并對其進行灰度化、模糊化、閾值化等一系列圖形處理，實現(xiàn)圖像特征提取。自動尋邊定位模塊調用圖像處理的結果，從而實現(xiàn)板材的自動定位。

(3) DXF文件讀取模塊:DXF文件格式是用于AutoCAD與其他軟件之間進行CAD數(shù)據(jù)交換的CAD數(shù)據(jù)文件格式[6]。通過讀取板材的DXF文件可以獲取板材以及板材上的螺紋孔的位置和大小等信息，并根據(jù)孔徑大小信息對螺紋孔分類存放等。

(4) 路徑規(guī)劃模塊：上位機根據(jù)DXF文件中的螺紋孔的位置信息，通過路徑規(guī)劃算法得出板材多孔攻絲優(yōu)化路徑。

(5) 自動尋邊定位模塊:自動尋邊模塊用來實現(xiàn)板材的精確定位。自動尋邊定位原理如圖4所示，待攻絲的多孔板材放置在加工臺面上，通過主軸總成上的工業(yè)相機采集板材邊緣圖像信息，利用圖形處理模塊可以獲取圖像中板材邊緣所對應的線段信息，在線段中任取一點P1,通過坐標轉換可以計算出P1在機械坐標系XOY的坐標。同理，可以獲取P2和P3點的坐標，根據(jù)P1、P2和P3三點可以確定板材在機械坐標系XOY中的位置，從而實現(xiàn)板材的精準定位。

1-多孔板材；2-工業(yè)相機

(6) 手動運行模塊:考慮到前期調試以及后期維護，設置了手動運行功能。手動模式中，可以對各功能進行單獨測試，用戶可以通過觸摸屏上的按鈕實現(xiàn)工業(yè)相機拍照、電機點進、電機插補等功能。

(7) 自動運行模塊:用戶選擇板厚、讀取DXF文件、生成自動攻絲優(yōu)化路徑后，系統(tǒng)便開始進行自動攻絲任務，具體流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后，首先工控機與MP3300運動控制器建立通信;其次，控制系統(tǒng)通過讀取MP3300控制器內存有伺服電機位置信息的寄存器得到系統(tǒng)上電后伺服電機的位置信息;然后啟動自動尋邊定位，找到板材在機械坐標系中的位置；最后，系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)庫獲取任務信息，根據(jù)任務信息選擇對應的絲錐，移動到攻絲位置上方后向下進行攻絲。系統(tǒng)重復上述動作，直到完成板材上所有孔的攻絲任務。若在攻絲任務進行過程中系統(tǒng)發(fā)生異常，系統(tǒng)會發(fā)出警報。

圖5 自動運行流程

(8) 數(shù)據(jù)庫模塊:板材中螺紋孔的規(guī)格不同，不同規(guī)格的螺紋孔對應了不同的信息，系統(tǒng)根據(jù)DXF文件中獲取的螺紋型號從數(shù)據(jù)庫中匹配相應的信息。

4 現(xiàn)場調試及結果

攻絲機機械結構和電氣設備安裝完成后，設置好機器的控制系統(tǒng)。將攻絲機運送至工作現(xiàn)場，現(xiàn)場的運行情況如圖6所示。

圖6 自動攻絲機攻絲中

經過現(xiàn)場調試，板材自動攻絲機能夠準確地定位板材，并能夠按照攻絲加工工藝完成相應的動作。目前板材自動攻絲機已經能夠長時間穩(wěn)定地運行，平均每100個孔的加工時間為300 s，滿足設計要求。

5 結束語

目前，基于視覺的板材自動攻絲機控制系統(tǒng)已經研制完成，能夠根據(jù)機器視覺自動定位板材、準確讀取加工文件、智能規(guī)劃板材攻絲路徑等。實現(xiàn)了板材攻絲的自動化，降低了工人的勞動強度，提高了產品的生產質量和效率[7]。