機(jī)器人視覺在數(shù)控加工中心的應(yīng)用研究

廖瓊章

（廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 河池547000）

將機(jī)器人視覺技術(shù)運(yùn)用于數(shù)控加工中心，能夠降低人工生產(chǎn)成本，視覺傳達(dá)技術(shù)為機(jī)器生產(chǎn)提供了一雙眼睛，可精準(zhǔn)定位，避免操作過程中出現(xiàn)失誤。

1 視覺傳感系統(tǒng)原理

機(jī)器人視覺是目前很多領(lǐng)域中運(yùn)用的重要技術(shù)之一，在數(shù)控加工機(jī)床中也所有運(yùn)用，機(jī)器人視覺系統(tǒng)具有多項(xiàng)技術(shù)模塊，包括無線通信模塊、無線傳感器模塊、無線ccd相機(jī)。能夠利用類似于人體眼睛的視覺辨識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行物體判斷，并通過相機(jī)拍照功能進(jìn)行物體相關(guān)信息的圖像采集，建立數(shù)據(jù)化的圖像分析與處理方式，以此辨識(shí)目標(biāo)物體。機(jī)器人視覺技術(shù)運(yùn)用屬于自動(dòng)化技術(shù)的重要構(gòu)成部分，包括控制系統(tǒng)、攝像機(jī)等體系，能夠代替人工生產(chǎn)方式，以此實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上操作，代替人工的部分作業(yè)。ARM處理器可收集無線傳感器收集到的一些信號(hào)，并據(jù)此信號(hào)而做出相應(yīng)決策，將其傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人在作業(yè)過程中可進(jìn)行相應(yīng)定位與導(dǎo)航[1]。

2 通信技術(shù)

運(yùn)用Zigbee作為機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床間之間連接的通信技術(shù)，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，運(yùn)用優(yōu)勢明顯，復(fù)雜程度較低，使用功耗較低，可降低成本，源距較短。實(shí)際使用中ZigBee技術(shù)的抗干擾能力較強(qiáng)，可以在數(shù)控機(jī)床與機(jī)器人之間建立相應(yīng)的通訊方式，可通過3G模塊、GPRS建立工作空間中的無線通信方式[2]。

通過建立中部節(jié)點(diǎn)方式建立存儲(chǔ)器、ARM處理器，具有較強(qiáng)的存儲(chǔ)空間與強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理能力，可為數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行優(yōu)化程序。機(jī)器人可對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行建立相應(yīng)的處理程序，并及時(shí)調(diào)試運(yùn)行程序。在完成系統(tǒng)調(diào)試之后，可把調(diào)試結(jié)果發(fā)送給機(jī)器人，而不直接將數(shù)據(jù)傳遞給個(gè)人數(shù)字設(shè)備或者個(gè)人電腦等監(jiān)控器。通信系統(tǒng)運(yùn)行過程中建立星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式，該通信體系中設(shè)置了外圍節(jié)點(diǎn)，包括監(jiān)控電腦或者個(gè)人數(shù)字設(shè)備等。

3 機(jī)器人視覺系統(tǒng)的智能控制技術(shù)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)過程中要求建立與軟件運(yùn)行相契合的程序模塊，由此使得機(jī)器人作業(yè)過程中具有清晰明了的使用條例，后期運(yùn)行中一旦出現(xiàn)問題能夠及時(shí)識(shí)別與并修改。MOTOMAN—MH50II機(jī)器人運(yùn)行過程中共建立了13種運(yùn)行程序。

3.2 現(xiàn)場布局

此次實(shí)驗(yàn)組合運(yùn)用了數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人視覺傳感系統(tǒng)，并通過1臺(tái)機(jī)器人對(duì)6臺(tái)機(jī)床建立自動(dòng)化上下料作業(yè)，數(shù)控機(jī)床型號(hào)為新浙NMC-50V型數(shù)控加工中心，對(duì)數(shù)控機(jī)床建立了自動(dòng)化操作方式。在軌道中安裝1臺(tái)MOTOMAN—MH50II機(jī)器人，機(jī)器人具有夾具與氣動(dòng)滑臺(tái)，在滑臺(tái)上安裝上料托盤，在氣動(dòng)滑臺(tái)與數(shù)控加工中心之間建立通信體系。可實(shí)現(xiàn)上料與下料作業(yè)，可將其運(yùn)用于不同規(guī)格直徑工件操作之中，抓取較為牢固與穩(wěn)定，便于及時(shí)維修與更換。攝像頭分辨率2048×1536，運(yùn)用MV一3000UC工業(yè)攝像機(jī)，可將曝光時(shí)間控制在一定限度內(nèi)[3]。

3.3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床中機(jī)器人包括運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括柔性夾持器、雙四桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，在運(yùn)用過程中實(shí)現(xiàn)了無運(yùn)動(dòng)盲區(qū)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)包括前臂、夾持器、手臂及運(yùn)行基礎(chǔ)，運(yùn)行中通過雙四桿機(jī)構(gòu)連接前臂、手臂，由此在機(jī)器人作業(yè)過程中實(shí)現(xiàn)有效的動(dòng)力傳輸。電機(jī)運(yùn)行動(dòng)力由前臂提供，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行中重心偏低，通過機(jī)器人視覺系統(tǒng)的運(yùn)用使得作業(yè)過程具有良好的平衡性。四連桿機(jī)構(gòu)可有效調(diào)整氣缸的連桿長度，由此在垂直平面上存在旋轉(zhuǎn)角[4]。見圖1。

圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡圖

這種結(jié)構(gòu)可顯著提升夾持器的作業(yè)范圍。回轉(zhuǎn)式氣缸的設(shè)計(jì)可使執(zhí)行結(jié)構(gòu)在作業(yè)過程中旋轉(zhuǎn)，由此在作業(yè)過程中可通過夾持器建立無盲區(qū)運(yùn)動(dòng)方式。夾持器運(yùn)用中可實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)，作業(yè)過程中運(yùn)用多種形式的刀具與工件，以此優(yōu)化機(jī)器人的功能，提升其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括導(dǎo)軌、旋轉(zhuǎn)編碼器、電氣控制系統(tǒng)、副定位器、車體、車輪、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制器等，在導(dǎo)軌上安裝車體，由框架結(jié)構(gòu)組成。軌道外側(cè)的輪緣可為車體的高速運(yùn)行提供保證。要求在低速輪上安裝活套張緊輥，在車體內(nèi)安裝電氣控制系統(tǒng)，通過鋼絲繩進(jìn)行連接。ARM處理器的運(yùn)用可實(shí)現(xiàn)作業(yè)中的精準(zhǔn)定位與導(dǎo)航，在控制系統(tǒng)中融入視覺技術(shù)、嵌入技術(shù)等，視覺控制系統(tǒng)運(yùn)行中能夠?qū)?shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行智能判斷與分析。

3.4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）滑臺(tái)采用啟動(dòng)控制方式，以此進(jìn)行運(yùn)送零件的滑軌設(shè)計(jì)，氣動(dòng)滑軌兩端分別連接借口部位與料倉，在滑軌中放置上料托盤，通過氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使得滑軌進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

（2）結(jié)合毛坯的形狀，數(shù)控加工機(jī)床中設(shè)置相應(yīng)凹槽，并將其放置在相應(yīng)位置。

（3）在上料作業(yè)過程中，要求機(jī)器人的作業(yè)范圍可控，保證機(jī)器人能夠抓取托盤中的工件與毛坯，同時(shí)將其傳送至相應(yīng)的區(qū)域。

（4）在機(jī)器人第六軸末端安裝機(jī)器人手爪，目前運(yùn)用中常見的為V型槽平行手動(dòng)式設(shè)計(jì)方式，運(yùn)用優(yōu)勢為能夠更為便捷地抓取長方體與圓柱形兩種主要形狀的毛坯。在設(shè)計(jì)中要求在手爪上粘貼膠帶，以此使得抓握作業(yè)中具有較強(qiáng)的摩擦力，作業(yè)進(jìn)行中能夠牢固抓取工件[5]。

（5）確保數(shù)控機(jī)床安全門運(yùn)行狀態(tài)較為穩(wěn)定，在使用過程中能夠節(jié)約成本。因此，在設(shè)計(jì)過程中并未在安全門上進(jìn)行自動(dòng)化改造，而是采用機(jī)器人來控制門把手。對(duì)安全門的打開與關(guān)閉狀態(tài)通過手爪實(shí)現(xiàn)。

（6）機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中要求設(shè)計(jì)合理的啟動(dòng)結(jié)構(gòu)，此次系統(tǒng)運(yùn)行中構(gòu)建了三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。包括滑軌的驅(qū)動(dòng)氣缸、驅(qū)動(dòng)氣缸、機(jī)器人手爪運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)氣缸，由此通過三個(gè)氣缸的聯(lián)合作用而實(shí)現(xiàn)良好的聯(lián)動(dòng)效果。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.5 標(biāo)定的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)過程中要求研究機(jī)器人與圖像坐標(biāo)之間的關(guān)系，可通過機(jī)器人視覺獲知目標(biāo)圖像的信息，并對(duì)信息建立計(jì)算方式，從而獲得目標(biāo)圖像的基本位置信息。本次研究中機(jī)器人抓取工件規(guī)格φ63 mm×380 mm棒料。研究中需要獲得目標(biāo)工件繞z軸的旋轉(zhuǎn)角度α，以及x、y方向的偏移距離。獲得的目標(biāo)坐標(biāo)如圖3所示。

圖3 世界坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)關(guān)系

如圖3，圖像坐標(biāo)為O1UV，世界坐標(biāo)為OXY。世界坐標(biāo)、圖像坐標(biāo)兩者方向一致，并得出圖像坐標(biāo)系中的標(biāo)準(zhǔn)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)工件的精準(zhǔn)定位。運(yùn)行中，在機(jī)器人的末端抓取夾具并在運(yùn)算下將其移動(dòng)時(shí)，相機(jī)能夠及時(shí)拍照，將收集到的信號(hào)傳遞給視覺系統(tǒng)，軟件可運(yùn)用算法對(duì)圖像進(jìn)行計(jì)算，提取圖像中的特征信息，并進(jìn)行圖像預(yù)處理，可將邊緣提取劑中心位置識(shí)別。

運(yùn)行中首先讓機(jī)器人回料待位，在毛坯料放入上料托盤規(guī)定位置之后，啟動(dòng)機(jī)器人，通過移動(dòng)托盤滑軌將毛坯料移動(dòng)至相應(yīng)位置，并抓取上料托盤中的零件毛坯，并將其移動(dòng)至機(jī)床工作臺(tái)之中，此時(shí)在設(shè)定程序運(yùn)行下氣動(dòng)卡盤自動(dòng)裝夾毛坯，關(guān)閉機(jī)器人，此時(shí)機(jī)床安全門關(guān)閉，并啟動(dòng)零件加工數(shù)控程序。

加工完零件之后，打開機(jī)床安全床，此時(shí)可自動(dòng)松開機(jī)床裝夾卡盤。機(jī)器人可取出加工完的零件，并將運(yùn)送至相應(yīng)區(qū)域，放置于上料托盤之中。機(jī)器人作業(yè)之后會(huì)進(jìn)入下一個(gè)位置，如此作業(yè)中重復(fù)該動(dòng)作，對(duì)下一步零部件進(jìn)行相應(yīng)操作，由此而完成托盤中所有零件毛坯的加工?；墝⑸狭贤斜P移送至最初區(qū)域，并移送出生產(chǎn)的零件，而將需要加工的毛坯運(yùn)送出去進(jìn)行下一步操作，最終將全部的毛坯加工為零件。由此而在數(shù)控加工中進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)。機(jī)器人視覺技術(shù)在數(shù)控加工中的應(yīng)用效果良好。

4 結(jié)束語

數(shù)控加工技術(shù)目前大量運(yùn)用了自動(dòng)化技術(shù)，機(jī)器人視覺技術(shù)的運(yùn)用使得自動(dòng)化系統(tǒng)如虎添翼，機(jī)器人視覺技術(shù)運(yùn)行過程中要求具有較快的運(yùn)行效率與速度，目前運(yùn)行中對(duì)精度、柔性以及功能的要求也在逐漸提高。機(jī)器人視覺技術(shù)在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中要求加強(qiáng)核心技術(shù)的研發(fā)，掌握自動(dòng)化加工技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，以此促進(jìn)數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，提升運(yùn)行效率。