張穎敏，劉俊杰，列婉婷，林海成

（廣州滄恒自動控制科技有限公司， 廣州 510663）

0 引言

精密機器零件因為加工誤差的存在，在一批產(chǎn)品中，總會有一些工件的產(chǎn)品參數(shù)超出公差范圍而需要剔除，否則會造成質(zhì)量問題，影響機器的性能甚至造成事故，因此需要進行抽檢甚至全檢。在中國大多數(shù)機械加工企業(yè)的加工現(xiàn)場，仍采用卡尺、千分表等傳統(tǒng)量具進行手工抽檢，出現(xiàn)超差再修調(diào)機床參數(shù)或刀具。這種傳統(tǒng)的手工測量方法對操作人員的依賴性強、工人勞動強度大、效率低，更重要的是產(chǎn)品精度得不到保障，還可能產(chǎn)生很多的人為誤差，這樣就難以滿足大批量、快節(jié)奏、高精度的產(chǎn)品檢測要求。國內(nèi)針對軸類零件的高精度自動化檢測方面的設(shè)備非常少，目前已有的研究集中在軸類工件參數(shù)的檢測技術(shù)上。文獻[1-4]從硬件裝置或軟件檢測方案上研究軸類參數(shù)自動檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測軸類表面缺陷、階梯軸各段尺寸等軸類零件多個指標進行檢測，但僅限于獨立的檢測系統(tǒng)。文獻[5-6]提出基于AUTOCAD 數(shù)控車床在線檢測系統(tǒng)的兩種方法，文獻[5]提出在數(shù)控車床設(shè)備上設(shè)計在線檢測系統(tǒng)，由于工況限制，該方法只針對簡單形狀工件進行檢測；文獻[6]提出基于AUTOCAD 的內(nèi)部四點測孔檢測法及外部計算機交互分析加工路徑規(guī)劃方式進行加工中心在線工件檢測系統(tǒng)設(shè)計，該方法需要前期先建立模板庫輔助簡單的四點測量方法，前期訓練和建模時間較長。綜上所述，目前仍沒有提及既能適用于多種復雜種類軸類零件檢測，又能對加工軸類零件的數(shù)控機床進行實時聯(lián)動自修正規(guī)劃路徑的文獻報道面世。

本文研究開發(fā)了基于機器視覺的復雜階梯電機軸類零件全自動測量系統(tǒng)，并與數(shù)控機床及機器人協(xié)同，解決了加工零件自動測量和數(shù)控加工自動調(diào)整的難題，構(gòu)建加工過程閉環(huán)在線智能精密檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)無人化智能生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1 階梯軸類零件多參數(shù)自動測量要求

復雜軸類零件是一類由球面、圓柱面、內(nèi)孔、圓弧面、退刀槽、梯形螺紋、軸頸等多個部分組合的階梯零件，組合種類繁多。經(jīng)生產(chǎn)加工后的軸類零件，需要根據(jù)設(shè)計圖紙要求對直徑、跳動、長度、中心孔直徑等關(guān)鍵形位尺寸參數(shù)進行全檢測，使軸類工件符合高精度、高速機械設(shè)備的運動性能、使用壽命等要求。3種型號階梯軸類工件結(jié)構(gòu)的加工尺寸要求如圖1所示。

圖1 電機軸類車、鉆工序尺寸要求

1.2 基于機器人協(xié)同的無人化復雜軸類零件生產(chǎn)要求

使用數(shù)控車床進行階梯軸工件生產(chǎn)加工，按照事先編制好的加工程序，把零件的加工工藝路線、工藝參數(shù)、刀具的運動軌跡、位移量、切削參數(shù)以及輔助功能設(shè)置好，即可自動地對被加工零件進行其內(nèi)外圓柱面、任意錐角的內(nèi)外圓錐面、復雜回轉(zhuǎn)內(nèi)外曲面和圓柱、圓錐螺紋等切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔及鏜孔等工序。

由于數(shù)控車床設(shè)備自身帶有刀具多，且工位生產(chǎn)過程中有切削液飛濺等實況干擾，不容易在設(shè)備自身加入工件檢測系統(tǒng)進行加工質(zhì)量檢測。加工完成的工件，通過第三方軸類形位參數(shù)檢測系統(tǒng)對工件尺寸進行檢測，獲知工件是否完全符合設(shè)計圖紙要求，并且將相對應的形位參數(shù)偏差信息反饋給數(shù)控車床，進行加工程序修改。同時，一套軸類檢測系統(tǒng)可管理多臺同時生產(chǎn)作業(yè)的數(shù)控車床階梯軸類工件的加工質(zhì)量。在數(shù)控車床與第三方檢測系統(tǒng)之間設(shè)置轉(zhuǎn)運機械手進行全自動的工件轉(zhuǎn)移，提高加工工件在不同工位之間的傳輸。數(shù)控車床、轉(zhuǎn)運機械手、第三方檢測系統(tǒng)之間形成閉環(huán)控制。設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 基于機器人協(xié)同的無人化復雜軸類零件生產(chǎn)

2 總體方案研究

本項目研究開發(fā)基于機器人協(xié)同的階梯軸類零件多參數(shù)精密智能檢測系統(tǒng)技術(shù)和成套裝備。綜合機器視覺、精密傳感檢測和伺服控制、網(wǎng)絡(luò)測控等先進技術(shù)，在復雜零件生產(chǎn)領(lǐng)域克服數(shù)控車床自身生產(chǎn)加工環(huán)境的特殊性，采用第三方復雜零件多參數(shù)檢測系統(tǒng)、多臺數(shù)控設(shè)備、轉(zhuǎn)運機械手的聯(lián)動協(xié)同檢測技術(shù)，使數(shù)控車床、轉(zhuǎn)運機械手、軸類檢測系統(tǒng)之間形成閉環(huán)自適應式無人化智能生產(chǎn)。

階梯軸件多參數(shù)智能精密檢測系統(tǒng)與數(shù)控車床和機器人聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式測控網(wǎng)。軸件多參數(shù)檢測系統(tǒng)通過機器人，按照設(shè)置抽檢制度或全檢制度抓取各數(shù)控車床加工通過各自機器人轉(zhuǎn)移在工件輸送鏈上的順序排列軸件，檢測階梯軸類零件的直徑及其跳動、階梯長度、中心孔直徑等參數(shù)，檢測完成后通過網(wǎng)絡(luò)反饋參數(shù)給相應的車床，數(shù)控車床根據(jù)檢測偏差進行實時參數(shù)修改。

本文的總體方案如圖3所示。

圖3 總體方案

階梯軸類零件多參數(shù)智能檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，由伺服運動定位機構(gòu)、機器視覺、精密檢測系統(tǒng)及計算機控制系統(tǒng)等幾部分組成[7-8]。檢測系統(tǒng)包含高分辨率攝像機、LED光源、高精度接觸式位置傳感器等，具體結(jié)構(gòu)包括下頂針、上頂針、動力頭、連接板、線性模組、第一光源、第二光源、第一工業(yè)相機、第二工業(yè)相機、第一傳感器、第二傳感器、機械手等。其中，線性模組與連接板連接，第一光源和第一工業(yè)相機相對安裝在連接板上，第一傳感器和第二傳感器相對安裝在連接板上，下頂針與動力頭連接。

圖4 正面結(jié)構(gòu)

檢測系統(tǒng)工作方式如下。

（1）軸類零件型號設(shè)置。本地輸入或通過MES 通信輸入待測軸類零件的型號，在檢測時，系統(tǒng)就會根據(jù)工件型號，自動從數(shù)據(jù)庫調(diào)用控制線性模組、旋轉(zhuǎn)頂針等機構(gòu)的運動及定位參數(shù)。

（2）中心孔直徑檢測。機械手從成品輸送線上抓取待測軸，水平放置到中心孔檢測工位。這時第二工業(yè)相機、第二光源位于同一水平線上；第二光源發(fā)出光線，第二工業(yè)相機對一端中心孔進行拍照，把圖像傳送到計算機，計算機對所述照片進行處理分析，得出直徑參數(shù)。然后機械手把待測軸水平翻轉(zhuǎn)180o，再檢查另一端的中心孔直徑。

（3）直徑及跳動檢測。機器人把待測軸垂直放置到頂針軸線位置，先把待測軸一端靠近下頂尖，機械手到位后，氣缸把上頂尖送出，從而前后頂緊待測軸類零件。這時機械手松開待測軸，系統(tǒng)發(fā)出啟動檢測信號，動力頭帶動待測軸類零件旋轉(zhuǎn)，同時，線性模組帶動連接板向下移動，連接板帶動第一工業(yè)相機、第一光源、第一傳感器和第二傳感器從待測軸類零件的上方移動到下方；第一傳感器和第二傳感器接觸待測軸類得出直徑檢測數(shù)據(jù)，在連接板的帶動下進行待測軸類零件的多點檢測，得出多點檢測數(shù)據(jù)，計算機對上述多點檢測數(shù)據(jù)進行綜合分析，處理得出待測軸類零件的直徑和跳動。

（4）軸向長度檢測。直徑和跳動檢測的同時，進行待測軸的外形輪廓和軸向長度的檢測。當待測軸類零件處于靜止時，第一光源發(fā)出光線，第一工業(yè)相機對待測軸類零件進行拍照，把照片傳送到計算機，計算機對所述照片進行處理分析，得出待測軸類零件的外形輪廓和軸向長度。

（5）至此，整個檢測過程結(jié)束，所有滑臺回到原點位置，機器人帶著精密軸類零件離開檢測系統(tǒng)，按檢測結(jié)果分類存放工件。

（6）檢測系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分析結(jié)果反饋給數(shù)控機床，自動調(diào)整機工參數(shù)，或提示修整刀具。重大數(shù)據(jù)偏差即時停機報警。

（7）工件檢測頻率。本系統(tǒng)的軸類工件參數(shù)檢測方式抽檢，根據(jù)每臺數(shù)控車床生產(chǎn)軸件時間設(shè)置為每半小時抽檢一件工件。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于機器人協(xié)同的復雜軸類零件多參數(shù)智能檢測系統(tǒng)采用工業(yè)控制計算機作為主控系統(tǒng)構(gòu)成測控管理系統(tǒng)，完成整個復雜軸類零件機器人協(xié)同智能檢測生產(chǎn)線系統(tǒng)的信號采集、處理、控制、通信和管理功能。硬件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 檢測系統(tǒng)硬件架構(gòu)

3.2 測控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的軟件采用面向?qū)ο蟮腃++語言，結(jié)合Qt 集成環(huán)境包開發(fā)環(huán)境進行軟件框架搭建。圖像算法采用主流的OpenCV開源視覺庫，數(shù)據(jù)庫采用功能強大的輕量級MySQL社區(qū)版本，簡單方便。

系統(tǒng)軟件架構(gòu)劃分為3 層，即交互層（界面）、控制&管理層、數(shù)據(jù)處理層，每層另包含子功能模塊，其設(shè)計如圖6所示。具體為：交互層主要完成用戶參數(shù)的輸入功能，包含了DXF解析、圖像重構(gòu)、檢測規(guī)劃智能生成功能[9]；控制&管理層包含了對運動系統(tǒng)的控制、相機操作、激光光柵傳感器操作，以及對配置信息、用戶文件、檢測記錄等的管理；數(shù)據(jù)處理層完成各種數(shù)據(jù)處理算法的執(zhí)行、SPC功能實現(xiàn)、報表。

圖6 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的軟件功能模塊由檢測系統(tǒng)管理、運動控制、機器視覺測量、激光光柵檢測4個部分組成，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件功能模塊組成

系統(tǒng)的核心部分是軸件機器視覺檢測模塊，工作流程如圖8所示，主要功能分為圖像采集模塊和參數(shù)設(shè)定模塊，完成中心孔測量、軸各階梯長度測量、跳動等信息測量。

圖8 軸件機器視覺檢測工作流程

（1）圖像采集和分析模塊

圖像采集模塊由攝像機、光源和圖像采集卡等部分組成。本項目采用500萬像素以太網(wǎng)工業(yè)攝像機，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率以及高速的數(shù)據(jù)傳輸。軸件機器視覺檢測內(nèi)容包括中心孔直徑、總長、臺階長度、倒角尺寸。檢測軟件對圖像進行預處理、輪廓提取等運算[10]，計算出相關(guān)參數(shù)，從而得出相應的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)[11-12]。軸件視覺檢測采集的原始圖像如圖9所示，需要經(jīng)過圖像預處理算法得到完整邊緣信息，預處理結(jié)果如圖10所示。

圖9 軸件視覺檢測原始圖像

圖10 軸件視覺檢測圖像預處理結(jié)果

（2）參數(shù)設(shè)定模塊

為了能夠使檢測系統(tǒng)正常工作，必須先對視覺系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)定。通過參數(shù)設(shè)定模塊，可以設(shè)定檢測系統(tǒng)各參數(shù)，如系統(tǒng)像素當量、軸件標準參數(shù)設(shè)定、軸件標準模板設(shè)定、目標區(qū)域設(shè)定等。

3.3 機器人協(xié)同系統(tǒng)

本文的基于機器人協(xié)同的階梯軸類零件多參數(shù)精密智能檢測系統(tǒng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)與數(shù)控車床和機器人聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式測控網(wǎng)。檢測系統(tǒng)通過機器人按照設(shè)置抽檢制度或全檢抓取各數(shù)控車床加工的軸件，檢測后通過網(wǎng)絡(luò)反饋參數(shù)給相應的車床。網(wǎng)絡(luò)通信方式及協(xié)議如下所述。

（1）數(shù)控車床通信方式

項目采用了廣州數(shù)控GSK988系列數(shù)控車床作為零件加工設(shè)備，該系列設(shè)備均使用基于以太網(wǎng)TCP/IP 的應用協(xié)議進行傳輸實時加工信息、報警信息、參數(shù)、刀補等CNC 數(shù)據(jù)。協(xié)議的通信方式為一問一答，數(shù)控機床作為服務(wù)器，每接收一個命令幀并處理后，便向客戶端發(fā)送一個回復幀。通信數(shù)據(jù)幀格式如圖11～12所示。

圖11 命令幀

圖12 回復幀

幀的前兩個字節(jié)是協(xié)議標識，必須是0x1710，能夠防止通訊受到不明因素的干擾，第三個字節(jié)為幀類型，0x00 為命令幀，0x01 為回復幀，之后的字節(jié)為幀所附帶的數(shù)據(jù)。命令幀由上位機向數(shù)控車床發(fā)出，主要進行控制和信息查詢，其附帶的數(shù)據(jù)包括對機床進行控制的命令碼以及命令的附加數(shù)據(jù)?；貜蛶瑒t由數(shù)控車床向上位機發(fā)出，其數(shù)據(jù)位上包含了3個部分，前一個字節(jié)是與命令幀相同的命令碼；后兩個字節(jié)為錯誤碼，當錯誤碼如果是非零值，表示操作出錯或者被拒絕；其余為回復幀附帶的數(shù)據(jù)。

（2）機器人通信方式

本項目采用廣州數(shù)控機器人，檢測系統(tǒng)通過TCP/IP 通訊實現(xiàn)與機器人信息交互，與機器人變量進行一一映射。通過這種方式，測控系統(tǒng)程序即可采集機器人的狀態(tài)信息，同時也可以向機器人的內(nèi)部寄存器進行數(shù)據(jù)寫入，對機器人控制程序中的數(shù)值進行更改。

4 應用和結(jié)果分析

項目已在廣州某數(shù)控設(shè)備有限公司和中車株洲某生產(chǎn)基地現(xiàn)場完成總裝、軟件調(diào)試、生產(chǎn)性試驗運行等研發(fā)階段，并已進入生產(chǎn)性運行，至今設(shè)備運作良好，得到客戶認可。設(shè)備在客戶現(xiàn)場運行情況如圖13～16所示。

圖13 電機軸生產(chǎn)線

圖14 機器人協(xié)同電機軸檢測生產(chǎn)線

圖15 電機軸智能檢測系統(tǒng)

圖16 電機軸智能檢測系統(tǒng)操作臺

目前本系統(tǒng)設(shè)備已達到的技術(shù)指標和實現(xiàn)功能如下。

（1）軸類工件范圍：總長度為100～355 mm，直徑為8～36 mm。

（2）與數(shù)控機床、機器人通信實現(xiàn)協(xié)同生產(chǎn)、檢測閉環(huán)控制；與MES 軟件接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；具有內(nèi)嵌SPC 功能，分析產(chǎn)品質(zhì)量趨勢及預警。

（3）檢測效率（不包含上下料時間）：需根據(jù)軸類零件尺寸參數(shù)的多少而定，以長度為130 mm，直徑為7.5 mm的精密軸類零件為例，檢測速度不小于2根/min。

（4）各尺寸檢測精度：直徑小于或等于±0.005 mm；長度小于或等于±0.03 mm；工件跳動度小于或等于0.01 mm；中心孔外圓直徑小于或等于±0.01 mm。

（5）工件抽檢頻率：本系統(tǒng)的軸類工件參數(shù)檢測方式抽檢，根據(jù)每臺數(shù)控車床生產(chǎn)軸件時間設(shè)置為每半小時抽檢一件工件。

同時，經(jīng)過實驗得出，為使檢測系統(tǒng)保持最優(yōu)工作狀態(tài)，采取了以下輔助設(shè)施：進入檢測區(qū)域前，工件為吹干狀態(tài)；軸類直徑采用接觸式檢測、非視覺檢測，以防止加工殘余干擾；軸類檢測機械裝置為高精度加工標準，以保證軸徑跳動檢測的輔助頂針保持在標準狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文針對機械行業(yè)實現(xiàn) “無人化生產(chǎn)線” 的迫切需求，設(shè)計一套基于機器人協(xié)同的復雜軸類零件多參數(shù)精密智能檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對多種復雜結(jié)構(gòu)的階梯軸零件進行直徑、跳動、長度、中心孔直徑等多個形位尺寸參數(shù)設(shè)計自動智能檢測系統(tǒng)和設(shè)備；采用分布式測控網(wǎng)構(gòu)建階梯軸件智能檢測系統(tǒng)與數(shù)控車床和機器人協(xié)同檢測網(wǎng)絡(luò)，一套軸類零件檢測系統(tǒng)與多臺數(shù)控設(shè)備建立信息反饋通道，進行工件加工路徑實時在線自修正；多臺機器人匹配各數(shù)控車床和軸類檢測系統(tǒng)進行自動裝卸、自動傳輸。本文的軸類零件多參數(shù)精密智能檢測系統(tǒng)，以及該檢測系統(tǒng)與多臺數(shù)控設(shè)備及機械手構(gòu)建的協(xié)同聯(lián)動檢測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了加工工件在線閉環(huán)的 “無人生產(chǎn)線”。經(jīng)過客戶現(xiàn)場的大量運行數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)能批量、快速、準確地完成加工工件進行自測量、自修正、自裝卸，工件產(chǎn)品質(zhì)量高，而且整套系統(tǒng)各設(shè)備聯(lián)動運作順暢、兼容性好。本項目的技術(shù)方法可拓展運用在多種類型工件的生產(chǎn)和檢測上，通用性好，增加數(shù)控機床的自適應性，提高數(shù)控機床之間的高效聯(lián)合生產(chǎn)能力。