吳堅 度國旭 唐運周

摘? 要：實現(xiàn)自動上下料是數(shù)控機床自動化生產的關鍵環(huán)節(jié)，通過整合數(shù)控機床、機械手、傳送帶、視覺攝像機等設備，設計出基于視覺的數(shù)控機床上下料機械手系統(tǒng)，采用“眼睛固定”的方式，自適應工件位置偏移，能夠實現(xiàn)自動加工生產，本文對系統(tǒng)整體設計、布局及工作原理做了說明，并闡述了視覺單元這一關鍵技術的主要工作原理及實現(xiàn)方法。

關鍵詞：視覺;機械手;數(shù)控機床;自動上下料

中圖分類號：TP241.2? ? ? ?文獻標識碼：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

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

為推進機械制造業(yè)裝備的升級改造，本設計將自動化生產線中的數(shù)控加工單元所涉及的相關環(huán)節(jié)進行整合，進行合理布局，將數(shù)控機床、機械手、傳送帶、視覺攝像機等設備進行組合，形成基于視覺定位的數(shù)控機床機械手上下料系統(tǒng)，實現(xiàn)工件自動加工功能，有利于推動企業(yè)的科技進步，提高企業(yè)生產率，擴大企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1? 系統(tǒng)總體設計

基于視覺的數(shù)控機床上下料機械手系統(tǒng)關鍵在于視覺單元，按照攝像機的安裝方式不同，可以分為“眼隨手動”和“眼睛固定”兩種?！把垭S手動”是將攝像機安裝在機械手末端上，攝像機（眼）與機械手（手）一起移動，攝像機的坐標隨著機械手的運動時刻發(fā)生改變;“眼睛固定”是將攝像機與機械手分離，將攝像機固定安裝在機械手以外的位置上，攝像機（眼）的位置相對機械手（手）是固定的，攝像機的坐標不會隨機械手的運動改變?；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，將攝像機固定安裝，先通過攝像機獲取工件坐標，然后再控制機械手進行夾持搬運的方案。確定攝像機安裝方式后，與數(shù)控機床、機械手、傳送帶等設備進行整合，得出總體布局，如圖1所示。

如圖1所示，攝像機安裝在傳送帶上方，視覺系統(tǒng)根據(jù)攝像機采集到的工件圖像進行信息處理及提取，并將有效信息傳輸?shù)竭\動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過計算，獲取工件的坐標與速度，結合機械手當前位置，計算機械手各關節(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，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)控機床自動上下料的重要組成部分，主要設備由外部光源、CCD攝像機、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)設計的CCD相機采用MGS工業(yè)相機，像素為640×480;鏡頭采用富士通FD系列鏡頭，焦距4.5～10mm范圍內可調;光源采用熒光燈。

（2）機械手上下料單元。機械手上下料單元主要由工業(yè)機器人、夾持器、傳送帶等設備組成，主要完成工件的裝夾、搬運及上下料功能。工業(yè)機器人是通用性較強的自動化設備，本系統(tǒng)采用ABB的IRB140型工業(yè)機器人，負載能力為6kg，具有6個自由度，滿足裝夾工件要求;夾持器固定在機器人手臂的末端，是直接執(zhí)行作業(yè)任務的裝置，本系統(tǒng)設計了內撐式雙指末端夾持器，可有效提高生產節(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、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，生產準備周期短，適合于多品種、小批量生產。本系統(tǒng)采用沈陽機床VMC700B型立式加工中心，行程為700mm×440mm×530mm（X、Y、Z軸），主軸電機功率為7.5kW，控制系統(tǒng)采用FANUC系統(tǒng)。

（4）控制單元。控制單元用于控制機械手末端執(zhí)行器的實際位置以及數(shù)控機床的加工狀況，主要設備由PLC控制系統(tǒng)和工控機組成，通過串行通信協(xié)議建立起工業(yè)機器人控制柜、數(shù)控機床、攝像機傳感器工控機之間的通信網(wǎng)絡，攝像機負責完成圖像識別、處理，并將處理結果輸送給工控機，工控機負責下達指令信息和完成數(shù)據(jù)優(yōu)化，通過PLC指令控制工業(yè)機器人及數(shù)控機床完成上下料動作。

3? 系統(tǒng)關鍵技術

視覺單元也可稱為工件識別和定位單元，是機械手完成數(shù)控機床自動上下料工序的關鍵技術。上下料機械手通過視覺單元攝像機獲取工件的數(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鍵參數(shù)。核心技術在于解決視覺單元通過攝像機獲取工件的位置信息，完成工件外形尺寸的測量、計算等。本系統(tǒng)設計的視覺單元的工作原理如圖3所示。

視覺單元通過CCD攝像機及鏡頭拍攝采集工件圖像，再由工控機系統(tǒng)圖像處理軟件對獲取的物體圖像進行處理，通過圖像分割、特征提取、圖像識別流程獲取并計算出工件關鍵位置坐標信息，同時確定夾持位置坐標與機械手關系，從而指導機械手等執(zhí)行機構對工件進行抓取、搬運及其他相關操作，完成數(shù)控機床的上下料。

4? 結? 論

數(shù)控機床上下料系統(tǒng)通過應用視覺單元、工業(yè)機器人等先進設備，達到自動化生產的目的，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，實現(xiàn)小批量柔性定制化生產，對提高企業(yè)競爭力、增強行業(yè)科技水平起到有效的促進作用。

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