基于視覺的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳堅(jiān) 度國旭 唐運(yùn)周

摘? 要：實(shí)現(xiàn)自動上下料是數(shù)控機(jī)床自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過整合數(shù)控機(jī)床、機(jī)械手、傳送帶、視覺攝像機(jī)等設(shè)備，設(shè)計(jì)出基于視覺的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手系統(tǒng)，采用“眼睛固定”的方式，自適應(yīng)工件位置偏移，能夠?qū)崿F(xiàn)自動加工生產(chǎn)，本文對系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、布局及工作原理做了說明，并闡述了視覺單元這一關(guān)鍵技術(shù)的主要工作原理及實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：視覺;機(jī)械手;數(shù)控機(jī)床;自動上下料

中圖分類號：TP241.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0181-02

Abstract：The realization of automatic loading and unloading is the key part of the automatic production of CNC machine tools. By integrating CNC machine tools，mainpulator，conveyor belts，vision cameras and other equipment，we design a vision-based CNC machine tool loading and unloading robot system，adopting the “eye fixed” method，adaptive work piece position offset can realize automatic processing and production. This paper explains the overall design，layout and working principle of the system，and expounds the main working principle and implementation method of the key technology of visual unit.

Keywords：vision;mainpulator;CNC machine tool;automatic loading and unloading

0? 引? 言

自動化生產(chǎn)是制造業(yè)長期發(fā)展的目標(biāo)之一，數(shù)控機(jī)床自動上下料采用自動化技術(shù)，使用機(jī)械手代替人工勞作，不僅可以降低勞動強(qiáng)度，還能夠保持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)效率，有效提高企業(yè)的市場競爭力。目前，國內(nèi)的上下料機(jī)械手都是作為數(shù)控機(jī)床制造單元的輔助部件，在自動化生產(chǎn)線上通常使用托盤固定工件，機(jī)械手采用示教或離線編程的方式進(jìn)行操作，當(dāng)工件加工工藝發(fā)生改變或放置角度有偏差時，機(jī)械手難以自動適應(yīng)條件的變化，需要人工重新編程或調(diào)整工件位置，自動化水平不高，難以適應(yīng)目前小批量多品種的生產(chǎn)模式，不符合當(dāng)前柔性化、自動化的發(fā)展趨勢。

為推進(jìn)機(jī)械制造業(yè)裝備的升級改造，本設(shè)計(jì)將自動化生產(chǎn)線中的數(shù)控加工單元所涉及的相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行整合，進(jìn)行合理布局，將數(shù)控機(jī)床、機(jī)械手、傳送帶、視覺攝像機(jī)等設(shè)備進(jìn)行組合，形成基于視覺定位的數(shù)控機(jī)床機(jī)械手上下料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工件自動加工功能，有利于推動企業(yè)的科技進(jìn)步，提高企業(yè)生產(chǎn)率，擴(kuò)大企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于視覺的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手系統(tǒng)關(guān)鍵在于視覺單元，按照攝像機(jī)的安裝方式不同，可以分為“眼隨手動”和“眼睛固定”兩種。“眼隨手動”是將攝像機(jī)安裝在機(jī)械手末端上，攝像機(jī)（眼）與機(jī)械手（手）一起移動，攝像機(jī)的坐標(biāo)隨著機(jī)械手的運(yùn)動時刻發(fā)生改變;“眼睛固定”是將攝像機(jī)與機(jī)械手分離，將攝像機(jī)固定安裝在機(jī)械手以外的位置上，攝像機(jī)（眼）的位置相對機(jī)械手（手）是固定的，攝像機(jī)的坐標(biāo)不會隨機(jī)械手的運(yùn)動改變?；诒鞠到y(tǒng)只需考慮對傳送帶上工件所在輪廓平面的二維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取，以確定手部的姿勢，傳動帶的速度均勻且較為緩慢，因此釆用了“眼睛固定”的方式，將攝像機(jī)固定安裝，先通過攝像機(jī)獲取工件坐標(biāo)，然后再控制機(jī)械手進(jìn)行夾持搬運(yùn)的方案。確定攝像機(jī)安裝方式后，與數(shù)控機(jī)床、機(jī)械手、傳送帶等設(shè)備進(jìn)行整合，得出總體布局，如圖1所示。

如圖1所示，攝像機(jī)安裝在傳送帶上方，視覺系統(tǒng)根據(jù)攝像機(jī)采集到的工件圖像進(jìn)行信息處理及提取，并將有效信息傳輸?shù)竭\(yùn)動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過計(jì)算，獲取工件的坐標(biāo)與速度，結(jié)合機(jī)械手當(dāng)前位置，計(jì)算機(jī)械手各關(guān)節(jié)的位移量與手部夾持器形態(tài)，從而動態(tài)完成工件的夾持與搬運(yùn)，有效完成上下料工序，總體工作流程如圖2所示。

2? 系統(tǒng)組成

綜上所述，本系統(tǒng)主要由視覺單元、機(jī)械手上下料單元、數(shù)控加工單元及控制單元4部分組成。

（1）視覺單元。視覺單元是數(shù)控機(jī)床自動上下料的重要組成部分，主要設(shè)備由外部光源、CCD攝像機(jī)、鏡頭組成，能夠根據(jù)所拍攝的工件的圖像，根據(jù)識別算法確定工件的位置、尺寸以及上下料的位置等。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CCD相機(jī)采用MGS工業(yè)相機(jī)，像素為640×480;鏡頭采用富士通FD系列鏡頭，焦距4.5～10mm范圍內(nèi)可調(diào);光源采用熒光燈。

（2）機(jī)械手上下料單元。機(jī)械手上下料單元主要由工業(yè)機(jī)器人、夾持器、傳送帶等設(shè)備組成，主要完成工件的裝夾、搬運(yùn)及上下料功能。工業(yè)機(jī)器人是通用性較強(qiáng)的自動化設(shè)備，本系統(tǒng)采用ABB的IRB140型工業(yè)機(jī)器人，負(fù)載能力為6kg，具有6個自由度，滿足裝夾工件要求;夾持器固定在機(jī)器人手臂的末端，是直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的裝置，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了內(nèi)撐式雙指末端夾持器，可有效提高生產(chǎn)節(jié)拍，縮短加工時間;傳送帶可以根據(jù)工件的需要定制，本系統(tǒng)采用PVC材質(zhì)、寬度為550mm的定制傳送帶。

（3）數(shù)控加工單元。數(shù)控加工單元可按照編制好的數(shù)控程序加工零件，包括加工中心、刀具、夾具等。當(dāng)需要加工零件改變時，一般只需更換數(shù)控程序和配套所需的夾具、刀具，自動化程度高，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，適合于多品種、小批量生產(chǎn)。本系統(tǒng)采用沈陽機(jī)床VMC700B型立式加工中心，行程為700mm×440mm×530mm（X、Y、Z軸），主軸電機(jī)功率為7.5kW，控制系統(tǒng)采用FANUC系統(tǒng)。

（4）控制單元?？刂茊卧糜诳刂茩C(jī)械手末端執(zhí)行器的實(shí)際位置以及數(shù)控機(jī)床的加工狀況，主要設(shè)備由PLC控制系統(tǒng)和工控機(jī)組成，通過串行通信協(xié)議建立起工業(yè)機(jī)器人控制柜、數(shù)控機(jī)床、攝像機(jī)傳感器工控機(jī)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，攝像機(jī)負(fù)責(zé)完成圖像識別、處理，并將處理結(jié)果輸送給工控機(jī)，工控機(jī)負(fù)責(zé)下達(dá)指令信息和完成數(shù)據(jù)優(yōu)化，通過PLC指令控制工業(yè)機(jī)器人及數(shù)控機(jī)床完成上下料動作。

3? 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

視覺單元也可稱為工件識別和定位單元，是機(jī)械手完成數(shù)控機(jī)床自動上下料工序的關(guān)鍵技術(shù)。上下料機(jī)械手通過視覺單元攝像機(jī)獲取工件的數(shù)字化圖像，根據(jù)系統(tǒng)算法識別圖像并確定工件的形狀、位置、尺寸以及上下料位置等關(guān)鍵參數(shù)。核心技術(shù)在于解決視覺單元通過攝像機(jī)獲取工件的位置信息，完成工件外形尺寸的測量、計(jì)算等。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的視覺單元的工作原理如圖3所示。

視覺單元通過CCD攝像機(jī)及鏡頭拍攝采集工件圖像，再由工控機(jī)系統(tǒng)圖像處理軟件對獲取的物體圖像進(jìn)行處理，通過圖像分割、特征提取、圖像識別流程獲取并計(jì)算出工件關(guān)鍵位置坐標(biāo)信息，同時確定夾持位置坐標(biāo)與機(jī)械手關(guān)系，從而指導(dǎo)機(jī)械手等執(zhí)行機(jī)構(gòu)對工件進(jìn)行抓取、搬運(yùn)及其他相關(guān)操作，完成數(shù)控機(jī)床的上下料。

4? 結(jié)? 論

數(shù)控機(jī)床上下料系統(tǒng)通過應(yīng)用視覺單元、工業(yè)機(jī)器人等先進(jìn)設(shè)備，達(dá)到自動化生產(chǎn)的目的，有效解決企業(yè)目前人力成本過高、自動化程度較低的問題。后期系統(tǒng)可逐步增加多個工作站，實(shí)現(xiàn)小批量柔性定制化生產(chǎn)，對提高企業(yè)競爭力、增強(qiáng)行業(yè)科技水平起到有效的促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 覃南強(qiáng)，譚仲海.基于工業(yè)機(jī)器人的沖壓自動上下料系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].企業(yè)科技與發(fā)展，2015（10）：43-45.

[2] 萬松峰，楊曉鑫，申偉鵬.基于視覺的機(jī)床上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].新型工業(yè)化，2018，8（9）：62-65.

[3] 李長春，胡煒，顧寄南，等.上下料機(jī)器人視覺測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究 [J].機(jī)床與液壓，2018（15）：68-70+75.

[4] 劉保朝.一款工業(yè)機(jī)器人上下料系統(tǒng)的研究 [J].航空精密制造技術(shù)，2018（2）：58-62.

作者簡介：吳堅(jiān)（1977-），男，壯族，廣西崇左人，講師，碩士，主要研究方向：機(jī)械電子工程;度國旭（1980-），男，漢族，河南南陽人，教師，講師，本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：機(jī)械制造及自動化;唐運(yùn)周（1967-），男，壯族，廣西大化人，教師，講師，本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：數(shù)控技術(shù)。