基于機(jī)器視覺的凸輪軸蓋夾具定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李波，馬帥，李行

(1.湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北襄陽 441053；2.襄陽華中科技大學(xué)先進(jìn)制造工程研究院，湖北襄陽 441053；3.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430081；4.湖北航天信息技術(shù)有限公司，湖北武漢 430081)

0 前言

凸輪軸蓋作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其加工質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。凸輪軸蓋為鋁制壓鑄件，其毛刺飛邊清理通過專用裝備完成，壓鑄件形貌存在較大的不一致性，對于工裝夾具提出了挑戰(zhàn)，直接關(guān)系到后續(xù)加工的可靠性和精度等問題。

文獻(xiàn)[2]提出將多點(diǎn)式環(huán)形自適應(yīng)夾具用于解決薄壁環(huán)形件的裝夾定位。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一款隨行夾具，一次完成轉(zhuǎn)向閥上件、尋找靈敏度中點(diǎn)、打孔、壓銷和復(fù)檢(力特性試驗(yàn))等工序。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種汽車輪轂柔性加工夾具,實(shí)現(xiàn)了夾爪對不同型號輪轂的自動(dòng)定心和夾緊。文獻(xiàn)[5]采用PLC控制，用于結(jié)構(gòu)件裝夾的自動(dòng)定位和可靠夾緊。文獻(xiàn)[6]進(jìn)行了機(jī)翼自動(dòng)刮膠系統(tǒng)的多點(diǎn)真空吸附式柔性工裝夾具設(shè)計(jì)和可靠性分析。文獻(xiàn)[7]使用ANSYS對夾具系統(tǒng)在不同加工工況載荷下進(jìn)行了靜態(tài)性能分析。文獻(xiàn)[8]提出了一種夾具誤差映射模型，分析汽車輪轂柔性加工夾具的定位誤差。但上述研究難于應(yīng)用于凸輪軸蓋毛刺清理設(shè)備夾具的改進(jìn)。機(jī)器視覺測量具有非接觸、高精度等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于汽車、裝備、航空航天等領(lǐng)域。

針對凸輪軸蓋毛刺清理設(shè)備中的工裝夾持問題，開展基于機(jī)器視覺的凸輪軸蓋夾具定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。開發(fā)上位機(jī)視覺測量系統(tǒng)，測量工件孔徑尺寸并計(jì)算定位調(diào)整所需量；下位機(jī)以STM32作為控制終端，控制夾具夾持頭運(yùn)動(dòng)，完成裝夾。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 凸輪軸蓋夾持問題分析

凸輪軸蓋如圖1所示，兩端有不同直徑孔，現(xiàn)有毛坯清理設(shè)備三維結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖2所示。夾具夾持頭采用錐形，5個(gè)工位協(xié)同配合。但鑄造時(shí)采用不同模具分批次鑄造，工件間小孔孔徑存在偏差，大孔孔徑偏差可控。若小孔尺寸小于預(yù)設(shè)值，裝夾時(shí)小孔率先與其夾持頭配合，大孔尚未受到卡緊力；若小孔尺寸大于預(yù)設(shè)值，裝夾時(shí)大孔率先與夾持頭配合，小孔尚未受到卡緊力。上述兩種情況均影響裝夾效果，無法保證后續(xù)加工精度，若后續(xù)加工振動(dòng)過大、頻率過高，將導(dǎo)致工件脫落。

圖1 汽車單聯(lián)凸輪軸軸承蓋毛坯

圖2 毛刺清理設(shè)備三維結(jié)構(gòu)和實(shí)物

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

由于工件孔徑偏差具有隨機(jī)性，應(yīng)進(jìn)行尺寸在線測量，根據(jù)測量值進(jìn)行夾具夾持頭定位的自適應(yīng)調(diào)整，確保大小孔均勻受力，減小裝夾沖擊損傷。上位機(jī)根據(jù)CCD測量結(jié)果計(jì)算夾持頭伸縮量和脈沖值，發(fā)送相關(guān)信息到下位機(jī)控制器，下位機(jī)控制電機(jī)調(diào)節(jié)夾具定位，如圖3所示。

圖3 視覺引導(dǎo)的夾具定位自動(dòng)控制系統(tǒng)

上述具體過程如下：

(1)下位機(jī)到上位機(jī)的信號傳輸。接近開關(guān)設(shè)置在傳送帶上，當(dāng)工件傳送到待測位置時(shí)，觸發(fā)接近開關(guān)，控制器獲取信號，通過串口發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)，觸發(fā)相機(jī)采集圖片；

(2)上位機(jī)到下位機(jī)的信息傳輸。上位機(jī)視覺系統(tǒng)采集圖片、測量孔徑，依據(jù)夾持頭輪廓曲線計(jì)算伸縮量，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)分度值計(jì)算所需脈沖，并由上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送該值給下位機(jī)執(zhí)行后續(xù)處理；

(3)下位機(jī)到步進(jìn)電機(jī)的控制。下位機(jī)根據(jù)接收到的脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，該部分包括完成物理層接線和細(xì)分開關(guān)調(diào)整。

系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

圖4 控制流程

1.3 系統(tǒng)硬件選型

系統(tǒng)硬件選型主要如表1所示。

表1 系統(tǒng)硬件選型

2 視覺測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測量系統(tǒng)搭建

測量系統(tǒng)搭建需充分考慮設(shè)備空間限制，不影響設(shè)備運(yùn)作。視覺測量系統(tǒng)搭建如圖5所示。

圖5 視覺測量系統(tǒng)搭建

現(xiàn)有設(shè)備換向機(jī)構(gòu)處空間較大，且換向槽平整，故選在換向槽正上方架設(shè)相機(jī)和光源。調(diào)整相機(jī)、光源，使它們處于最佳拍攝位置，工件圖像采集環(huán)境如圖6所示。

圖6 工件圖像采集環(huán)境

2.2 系統(tǒng)圖像處理算法

在毛刺清理專機(jī)上架設(shè)相機(jī)，安裝夾具，調(diào)試系統(tǒng)，進(jìn)行整機(jī)運(yùn)行，獲取清晰特征圖像，然后進(jìn)行圖像后處理。圖像處理流程如圖7所示。

圖7 圖像處理流程

系統(tǒng)標(biāo)定板采用40 mm×40 mm光刻機(jī)標(biāo)定板，采集標(biāo)定板不同姿態(tài)下圖像，如圖8所示。相機(jī)標(biāo)定采用張正友法進(jìn)行，獲得相機(jī)內(nèi)外參矩陣和畸變參數(shù)。

圖8 相機(jī)標(biāo)定圖集

(1)圖像校正及像素當(dāng)量測定。矯正后工件圖像如圖9(b)所示;對經(jīng)圖像矯正后的標(biāo)定板，進(jìn)行像素值測量，測得標(biāo)定板相鄰圓像素距離，由標(biāo)定板選型可知相鄰圓實(shí)際距離，像素當(dāng)量=;

(2)灰度化處理。部分工件圖像因表面光滑，過曝較為嚴(yán)重，采用平均值法灰度化處理,===(++)/3，減小過曝對于工件的影響,灰度化后圖像如圖9(c)所示;

(3)區(qū)域分割。根據(jù)工件在原圖中的相對位置坐標(biāo)信息，分割出其主要圖像，便于后期進(jìn)行針對性處理，如圖9(d)所示；

(4)均值濾波。在復(fù)雜車間環(huán)境下，圖像通常會(huì)帶入諸多噪聲，在分割出局部工件圖像后，使用均值濾波減少圖像噪聲點(diǎn)干擾，均值濾波后的圖像如圖9(e)所示；

(5)圖像增強(qiáng)。均值濾波雖具備較好的降噪和運(yùn)行效果，但處理后圖像邊緣易出現(xiàn)模糊情況，為重新獲得較為清晰工件孔圖像，使用基于直方圖均衡化的圖像增強(qiáng)算法，增強(qiáng)工件孔輪廓邊緣，圖像增強(qiáng)后的圖像如圖9(f)所示；

(6)閾值分割。采用全局固定閾值分割算法從增強(qiáng)后工件圖像中分割出工件輪廓，閾值從增強(qiáng)后的圖像中選取，灰度滿足≤≤。由圖(f)可知：工件大小孔為銀白色，背景為黑色，兩者存在明顯的灰度差，直方圖(如圖10所示)反映為兩個(gè)波峰，閾值設(shè)定為目標(biāo)孔與背景之間的最小值，如圖9(g)所示；

圖10 閾值分割后灰度直方圖

(7)特征篩選。通過亞像素級別的輪廓特征篩選，最終得到兩圓；根據(jù)輸入形狀，在圖像中全局篩選目標(biāo)特征，除目標(biāo)特征外的其他特征全被過濾，如圖9(h)所示；

(8)圓擬合與測量值計(jì)算。經(jīng)select_shape_xld()算子特征篩選后得到兩圓，但由于工件孔邊緣并非絕對圓形，毛刺和損傷的存在導(dǎo)致提取到的輪廓邊緣凹凸不平，通過XLD擬合操作，獲得最終擬合圓；根據(jù)擬合圓在圖像上的圓心坐標(biāo)，計(jì)算半徑像素、，圓半徑實(shí)際測量值=·，處理結(jié)果如圖9(i)所示。圖像處理部分偽代碼為

圖9 工件圖像處理圖集

void Img_Process()

{

//獲取標(biāo)定畸變參數(shù)

GenRadialDistortionMap(&ho_Map,Camerapara);

//矯正畸變

MapImage(Img，ho_Map，Img_1);

//灰度化處理

Rgbto1ToGray(Img_1，Img_2);

//截取圖像

GenRectangle(區(qū)域坐標(biāo));

//分割圖像

ReduceDomain(Img_2);

//均值濾波

MeanImage(Img_2，Img_3);

//圖像增強(qiáng)

Emphasize(Img_3，Img_4);

//邊緣提取

Threshold(Img_4，Img_5，閾值參數(shù));

//特征篩選

select_shape_xld (SelectedContours,……);

//圓擬合xld輪廓

FitCircleContourXld(圖像4，圖像5);

//在目標(biāo)圖像上畫圓

GenCircle(Img_5，圓心Y坐標(biāo)值，圓心X坐標(biāo)值，半徑);

//在目標(biāo)圖像顯示圓

DispObj(兩圓)/

}

3 視覺測量誤差補(bǔ)償

通過視覺測量能獲得工件孔徑，但可能存在誤差。利用三坐標(biāo)測量儀，進(jìn)行工件孔徑的高精密測量，并以該值為基準(zhǔn)，進(jìn)行誤差補(bǔ)償，提高視覺測量精度。三坐標(biāo)測量儀測量現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 三坐標(biāo)測量儀測量現(xiàn)場

隨機(jī)選取30個(gè)工件，分別采用視覺測量和三坐標(biāo)測量儀進(jìn)行小孔孔徑的測量，結(jié)果如圖12所示。可知：測量誤差范圍為(0.099，0.137) mm，誤差波動(dòng)較為穩(wěn)定。誤差原因主要是像素當(dāng)量測量引起的，當(dāng)通過標(biāo)定板進(jìn)行像素當(dāng)量求解時(shí)，孔徑圓所在平面和標(biāo)定板測量平面存在高度差，導(dǎo)致測量存在誤差，如圖13所示。

圖12 三坐標(biāo)測量儀及視覺測量結(jié)果折線圖

圖13 標(biāo)定板測量平面示意

4 系統(tǒng)測試驗(yàn)證

基于Qt5.9.8以及?？迪鄼C(jī)SDK二次開發(fā)接口，開發(fā)凸輪軸蓋視覺測量系統(tǒng)，功能模塊如圖14所示。

圖14 系統(tǒng)功能模塊

工件到達(dá)待測位置后觸發(fā)接近開關(guān)，信號經(jīng)STM32控制器，通過串口傳至上位機(jī)，直接觸發(fā)相機(jī)采集圖像，隨后進(jìn)行圖像處理，測量值實(shí)時(shí)顯示在系統(tǒng)界面，并存入到數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)根據(jù)測量值計(jì)算夾持頭伸縮量，發(fā)送給STM32控制器；控制器根據(jù)伸縮量計(jì)算脈沖值，發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制夾持頭伸縮，完成一次自動(dòng)化裝夾。

5 結(jié)論

針對現(xiàn)有凸輪軸蓋毛刺清理裝備夾持工件的不穩(wěn)定性問題，開展了夾具定位控制系統(tǒng)的研究，提出了基于機(jī)器視覺的工件孔徑測量方法，開發(fā)了上位機(jī)視覺測量系統(tǒng)。根據(jù)工件孔徑的實(shí)際尺寸，上位機(jī)計(jì)算夾具夾持頭伸縮量，下位機(jī)STM32控制器接收上位機(jī)發(fā)來的脈沖值，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，控制夾具夾持頭移動(dòng)至合適位置，實(shí)現(xiàn)了夾緊的自動(dòng)控制。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、可靠性好，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。