胡明華 張?zhí)锩?郭欣

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省德陽市 618000 2.中國第二重型機械集團德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司 四川省德陽市 618000）

1 引言

大型模鍛件在生產(chǎn)過程中要經(jīng)過多次成型鍛壓工序才能形成所需形狀和尺寸，在每次鍛壓時由于溫度、工藝等原因會導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂紋等缺陷。在進入下一道鍛壓工序之前必須對缺陷進行消除處理，確保缺陷不會因為下一次鍛壓進入零件內(nèi)部，形成真正意義的缺陷，從而導(dǎo)致零件報廢?，F(xiàn)有生產(chǎn)工藝采用人工打磨的方法把缺陷部位清除，形成平滑過渡面，在下一次鍛壓時不形成褶皺、卷曲等現(xiàn)象而再次形成缺陷，打磨是否徹底由工人根據(jù)目視和經(jīng)驗判斷。在實際生產(chǎn)現(xiàn)場，由于模鍛件要經(jīng)過多次鍛壓成型，需反復(fù)打磨，因此打磨工作量大，并且打磨工作區(qū)域粉塵、噪聲大，環(huán)境惡劣，年輕人從業(yè)意愿低。以某大型國有企業(yè)的模鍛廠為例，從事打磨的20 多名工人年齡均超過45 歲，且招工困難，現(xiàn)有人工打磨生產(chǎn)模式由于人力資源原因?qū)㈦y以為繼。

2 機器人自動消缺陷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機器人自動消缺陷系統(tǒng)采用機器視覺、工業(yè)機器人、專用磨削工具與人工經(jīng)驗相結(jié)合實現(xiàn)鍛件表面缺陷自動打磨消除。缺陷的位置及打磨范圍和打磨效果由工人根據(jù)經(jīng)驗確定并作出標(biāo)記，具體打磨過程的實施由機器人系統(tǒng)自動完成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 工業(yè)計算機及視覺掃描系統(tǒng)

機器視覺掃描系統(tǒng)主要部件是雙目相機及控制軟件，需要掃描時通過快換裝置安裝在機器人上，與機器人建立固定的位置關(guān)系。掃描數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)接嬎銠C，經(jīng)計算機處理后得到缺陷部位的位置數(shù)據(jù)、缺陷打磨區(qū)域的平面形狀和尺寸數(shù)據(jù)、打磨深度數(shù)據(jù)。計算機獲取缺陷數(shù)據(jù)后按工藝生成機器人打磨軌跡，并將軌跡數(shù)據(jù)下載到PLC 中。在將軌跡數(shù)據(jù)下載到PLC 之前，需要對軌跡中可能存在的奇異點、不可達點進行剔除，實現(xiàn)連續(xù)打磨。

2.2 PLC控制裝置

PLC 采用施耐德TM251MESC 型PLC，該PLC 具有雙網(wǎng)口、485 接口，支持MODBUS 主從站、ETHERNET 主從站通信協(xié)議，可以實現(xiàn)與PC、驅(qū)動器、機器人等現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。在本系統(tǒng)中，PLC 作為從站接收PC 機的控制信息和軌跡數(shù)據(jù)，同時又作為主站分別通過ETHERNET、MODBUS 總線控制機器人和打磨工具等設(shè)備。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2：系統(tǒng)工作流程圖

圖3：缺陷標(biāo)注

2.3 工業(yè)機器人

本系統(tǒng)中，機器人采用KUKA KR210 R2700 型六軸機器人，最大臂展2700mm，額定承載210KG。機器人安裝通信軟件包后通過設(shè)置和總線變量配置實現(xiàn)與PLC 的通信，并作為從站工作于外部自動模式，通過機器人內(nèi)部程序接收來自PLC 的控制指令和軌跡數(shù)據(jù)并執(zhí)行。

圖4：深度圖像

圖5：彩色圖像

圖6：標(biāo)記和區(qū)域識別

圖7：獲取標(biāo)定板的彩色圖像像素上的三維坐標(biāo)

2.4 其他部件

為擴展機器人作業(yè)范圍，將機器人安裝在直線導(dǎo)軌的移動平臺上，導(dǎo)軌長度根據(jù)需要確定，移動平臺移動通過導(dǎo)軌上的伺服電機驅(qū)動，其位移數(shù)據(jù)通過總線反饋回PLC 和工業(yè)PC。恒力浮動裝置為控制打磨過程中施加在砂輪上的壓力，該壓力根據(jù)工藝要求設(shè)定，在打磨過程中通過獲取打磨工具的姿態(tài)數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)打磨工具在任意角度下打磨壓力恒定，確保打磨效果。

3 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

3.1 工件擺放

為提高效率，采用多件集中擺放，連續(xù)打磨。由于鍛件的任何部位都有可能出現(xiàn)缺陷，因此第一次磨拋只能去除鍛件放置后朝上，機器人能到達區(qū)域的缺陷，在第一次磨拋完成后，將鍛件翻面后再次打磨去除另一面的缺陷，個別形狀復(fù)雜的零件還需多次擺放。由于鍛件裂紋缺陷一般比較小，打磨力度較小，自重較大鍛件無需外部固定，利用自重即可確保在打磨過程中不會產(chǎn)生位移，較小的鍛件則需要簡單固定。

3.2 缺陷標(biāo)注

缺陷標(biāo)注由人工完成，由經(jīng)驗豐富的人員標(biāo)注出缺陷的位置，并用閉合曲線標(biāo)記出要打磨的區(qū)域并在附近標(biāo)注消除該缺陷需要打磨的深度數(shù)值，如圖3所示。

3.3 缺陷標(biāo)記的自動識別及定位

在打磨前，機器人通過快換裝置換裝機器視覺傳感器，并調(diào)整到掃描姿態(tài)，起動掃描后機器人保證姿態(tài)不變，通過導(dǎo)軌驅(qū)動機器人整體移動實現(xiàn)對零件表面的視覺掃描，由于視覺傳感器視覺范圍的原因，對大型零件需要變換機器人姿態(tài)后多道掃描。掃描動作根據(jù)打磨工作區(qū)域大小、掃描鏡頭的視場及機器人的可達范圍預(yù)先設(shè)置了多套掃描方案，操作人員只需選擇其中一套即可。部分難以識別的缺陷在自動掃描完成后由人工操作機器人進行局部二次掃描以提高微小缺陷的識別率。

4 基于機器視覺缺陷識別及軌跡生成

通過機器視覺和三維光學(xué)測量感知，將人工事先在缺陷處通過筆標(biāo)記出需要處理掉的裂縫區(qū)域和加工深度的信息提取出來，得到要加工區(qū)域的面型模型和加工深度信息，最后生成加工路徑。關(guān)鍵的技術(shù)有：

（1）識別彩色圖像中的信息，將人工標(biāo)記的信息和區(qū)域提取出；

（2）彩色圖像和深度圖像的空間匹配，實現(xiàn)從彩色圖像到深度圖像的映射，得到需要加工區(qū)域的三維點云和模型。

傳感器選用西安知象光電科技有限公司的工業(yè)級Surface HD系列RGB-D 相機中的Surface HD 100，其空間點距和工作距離關(guān)系為0.5mm@900mm，重復(fù)精度±0.25mm。深度最大分辨率1920x1200@max 8fps。數(shù)據(jù)接口為千兆以太網(wǎng)口。該款傳感器支持深度圖、彩色圖對齊。其工作距離為400mm-1400mm，在該范圍內(nèi)深度傳感器的空間分辨率都優(yōu)于1mm[1]。該傳感器分別同時采集到的彩色圖像和深度圖像如圖4 和圖5所示。

圖4 是由 Surface HD 100 得到的工件深度圖像，1mm 左右深的細微裂痕可見，圖5 為深度圖像同一視場內(nèi)的彩色圖像信息。經(jīng)實驗測試，視覺掃描系統(tǒng)能識別裂紋的寬度小于等于0.93mm。

圖9：由點云生成用于加工的三角網(wǎng)格化3D 模型

4.1 識別彩色圖像中的信息

識別彩色圖像中的人工標(biāo)注信息是通過機器視覺開發(fā)套件的方式實現(xiàn)。OpenVINO 是美國Intel 公司針對其x86 構(gòu)架的電腦芯片平臺開發(fā)用于基于深度學(xué)習(xí)的機器視覺應(yīng)用軟件開發(fā)套件庫?？蓪崿F(xiàn)在Intel 計算產(chǎn)品平臺上進行加速的目的。該工具包基于最新一代的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、遞歸網(wǎng)絡(luò)和基于注意力的網(wǎng)絡(luò)，它將計算機視覺和非視覺工作負載擴展到Intel 公司的硬件上，最大限度地提高性能。它通過從邊緣到云的高性能人工智能和深度學(xué)習(xí)推理加速應(yīng)用[2]。

OpenVINO 已經(jīng)有對手寫字符和簡單圖形的OCR 識別的預(yù)訓(xùn)練模型，可以直接進行調(diào)用，實現(xiàn)對手工標(biāo)定的區(qū)域和加工深度字符的識別[2]，識別效果如圖6 和圖7所示。

4.2 深度圖像和彩色RGB圖像的映射配準(zhǔn)

彩色圖像中的像素對應(yīng)物點的空間坐標(biāo)可表示為(uR,vR,zR)T，同樣深度圖像的像素點的對應(yīng)空間物體的坐標(biāo)點為(uL,vL,zL)T，從深度圖像映射到彩色圖像的關(guān)系表示為[3,4]：。通過相機外參數(shù)標(biāo)定得到的4×4 矩陣的W 可將彩色相機和深度相機二者的空間關(guān)系標(biāo)定出，通過該矩陣可以計算出彩色圖像中某像素點對應(yīng)的空間位置坐標(biāo)[3]。通過上述過程，實現(xiàn)對彩色圖像中物體上的點空間坐標(biāo)獲取，如圖7所示實時地獲取棋盤格標(biāo)定板上其中一個角點的空間三維坐標(biāo)XYZ。將彩色圖像中被識別為圈出區(qū)域的像素映射到深度圖像中，最終得到工件上圈出區(qū)域在機器人坐標(biāo)系下的空間坐標(biāo)，得到加工區(qū)域空間信息，再通過系統(tǒng)中的CAM 和機器人離線編程軟件模塊，自動生成機器人加工軌跡數(shù)據(jù)。如圖9所示。

5 現(xiàn)場試驗

該系統(tǒng)于2019年12月開始在中國二重現(xiàn)場調(diào)試，先后進行了工藝試驗驗、掃描試驗、整機調(diào)試及生產(chǎn)測試等試驗測試內(nèi)容。一次掃描(整體掃描)能識別1.5×5mm 的裂紋缺陷，經(jīng)過二次掃描（局部掃描）能識別到小于0.5×2mm 的裂紋缺陷，目標(biāo)零件單面標(biāo)記出的可識別區(qū)域的缺陷識別率100%，一次打磨缺陷消除率達到93%，重新人工標(biāo)記后通過兩次打磨缺陷消除率達到98%，剩余部分由人工處理，未進行進一步自動打磨。2020年8-9月經(jīng)過兩個月的連續(xù)生產(chǎn)，經(jīng)用戶評估該系統(tǒng)能替代8-10 個人工。