張穎敏，劉俊杰，列婉婷，林海成

（廣州滄恒自動(dòng)控制科技有限公司， 廣州 510663）

0 引言

精密機(jī)器零件因?yàn)榧庸ふ`差的存在，在一批產(chǎn)品中，總會(huì)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(huì)造成質(zhì)量問題，影響機(jī)器的性能甚至造成事故，因此需要進(jìn)行抽檢甚至全檢。在中國大多數(shù)機(jī)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(jìn)行手工抽檢，出現(xiàn)超差再修調(diào)機(jī)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(qiáng)、工人勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)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(xiàn)[1-4]從硬件裝置或軟件檢測方案上研究軸類參數(shù)自動(dòng)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(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測，但僅限于獨(dú)立的檢測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[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(xiàn)[5]提出在數(shù)控車床設(shè)備上設(shè)計(jì)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(jìn)行檢測；文獻(xiàn)[6]提出基于AUTOCAD 的內(nèi)部四點(diǎn)測孔檢測法及外部計(jì)算機(jī)交互分析加工路徑規(guī)劃方式進(jìn)行加工中心在線工件檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該方法需要前期先建立模板庫輔助簡單的四點(diǎn)測量方法，前期訓(xùn)練和建模時(shí)間較長。綜上所述，目前仍沒有提及既能適用于多種復(fù)雜種類軸類零件檢測，又能對加工軸類零件的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)自修正規(guī)劃路徑的文獻(xiàn)報(bào)道面世。

本文研究開發(fā)了基于機(jī)器視覺的復(fù)雜階梯電機(jī)軸類零件全自動(dòng)測量系統(tǒng)，并與數(shù)控機(jī)床及機(jī)器人協(xié)同，解決了加工零件自動(dòng)測量和數(shù)控加工自動(dòng)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(shí)現(xiàn)無人化智能生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1 階梯軸類零件多參數(shù)自動(dòng)測量要求

復(fù)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(gè)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(jì)圖紙要求對直徑、跳動(dòng)、長度、中心孔直徑等關(guān)鍵形位尺寸參數(shù)進(jìn)行全檢測，使軸類工件符合高精度、高速機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)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(jī)軸類車、鉆工序尺寸要求

1.2 基于機(jī)器人協(xié)同的無人化復(fù)雜軸類零件生產(chǎn)要求

使用數(shù)控車床進(jìn)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(yùn)動(dòng)軌跡、位移量、切削參數(shù)以及輔助功能設(shè)置好，即可自動(dòng)地對被加工零件進(jìn)行其內(nèi)外圓柱面、任意錐角的內(nèi)外圓錐面、復(fù)雜回轉(zhuǎn)內(nèi)外曲面和圓柱、圓錐螺紋等切削加工，并能進(jìn)行切槽、鉆孔、擴(kuò)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(shí)況干擾，不容易在設(shè)備自身加入工件檢測系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行檢測，獲知工件是否完全符合設(shè)計(jì)圖紙要求，并且將相對應(yīng)的形位參數(shù)偏差信息反饋給數(shù)控車床，進(jìn)行加工程序修改。同時(shí)，一套軸類檢測系統(tǒng)可管理多臺(tái)同時(shí)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(yùn)機(jī)械手進(jìn)行全自動(dòng)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(yùn)機(jī)械手、第三方檢測系統(tǒng)之間形成閉環(huán)控制。設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 基于機(jī)器人協(xié)同的無人化復(fù)雜軸類零件生產(chǎn)

2 總體方案研究

本項(xiàng)目研究開發(fā)基于機(jī)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(jī)器視覺、精密傳感檢測和伺服控制、網(wǎng)絡(luò)測控等先進(jìn)技術(shù)，在復(fù)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(fù)雜零件多參數(shù)檢測系統(tǒng)、多臺(tái)數(shù)控設(shè)備、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手的聯(lián)動(dòng)協(xié)同檢測技術(shù)，使數(shù)控車床、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手、軸類檢測系統(tǒng)之間形成閉環(huán)自適應(yīng)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(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)、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(yīng)的車床，數(shù)控車床根據(jù)檢測偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)、機(jī)器視覺、精密檢測系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)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(jī)、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(dòng)力頭、連接板、線性模組、第一光源、第二光源、第一工業(yè)相機(jī)、第二工業(yè)相機(jī)、第一傳感器、第二傳感器、機(jī)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(jī)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(dòng)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(shí)，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)工件型號，自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫調(diào)用控制線性模組、旋轉(zhuǎn)頂針等機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及定位參數(shù)。

（2）中心孔直徑檢測。機(jī)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(shí)第二工業(yè)相機(jī)、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(jī)對一端中心孔進(jìn)行拍照，把圖像傳送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對所述照片進(jìn)行處理分析，得出直徑參數(shù)。然后機(jī)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(dòng)檢測。機(jī)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(jī)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(shí)機(jī)械手松開待測軸，系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)檢測信號，動(dòng)力頭帶動(dòng)待測軸類零件旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，線性模組帶動(dòng)連接板向下移動(dòng)，連接板帶動(dòng)第一工業(yè)相機(jī)、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(dòng)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(dòng)下進(jìn)行待測軸類零件的多點(diǎn)檢測，得出多點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)對上述多點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，處理得出待測軸類零件的直徑和跳動(dòng)。

（4）軸向長度檢測。直徑和跳動(dòng)檢測的同時(shí)，進(jìn)行待測軸的外形輪廓和軸向長度的檢測。當(dāng)待測軸類零件處于靜止時(shí)，第一光源發(fā)出光線，第一工業(yè)相機(jī)對待測軸類零件進(jìn)行拍照，把照片傳送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對所述照片進(jìn)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(gè)檢測過程結(jié)束，所有滑臺(tái)回到原點(diǎn)位置，機(jī)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(jī)床，自動(dòng)調(diào)整機(jī)工參數(shù)，或提示修整刀具。重大數(shù)據(jù)偏差即時(shí)停機(jī)報(bào)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(tái)數(shù)控車床生產(chǎn)軸件時(shí)間設(shè)置為每半小時(shí)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(jī)器人協(xié)同的復(fù)雜軸類零件多參數(shù)智能檢測系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為主控系統(tǒng)構(gòu)成測控管理系統(tǒng)，完成整個(gè)復(fù)雜軸類零件機(jī)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(jìn)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(qiáng)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(jì)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制、相機(jī)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(shí)現(xiàn)、報(bào)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(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器視覺測量、激光光柵檢測4個(gè)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(jī)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(dòng)等信息測量。

圖8 軸件機(jī)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(jī)、光源和圖像采集卡等部分組成。本項(xiàng)目采用500萬像素以太網(wǎng)工業(yè)攝像機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率以及高速的數(shù)據(jù)傳輸。軸件機(jī)器視覺檢測內(nèi)容包括中心孔直徑、總長、臺(tái)階長度、倒角尺寸。檢測軟件對圖像進(jìn)行預(yù)處理、輪廓提取等運(yùn)算[10]，計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，從而得出相應(yīng)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(yù)處理算法得到完整邊緣信息，預(yù)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(yù)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(jìn)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(dāng)量、軸件標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)定、軸件標(biāo)準(zhǔn)模板設(shè)定、目標(biāo)區(qū)域設(shè)定等。

3.3 機(jī)器人協(xié)同系統(tǒng)

本文的基于機(jī)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(jī)器人聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式測控網(wǎng)。檢測系統(tǒng)通過機(jī)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(yīng)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(xiàng)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(yīng)用協(xié)議進(jìn)行傳輸實(shí)時(shí)加工信息、報(bào)警信息、參數(shù)、刀補(bǔ)等CNC 數(shù)據(jù)。協(xié)議的通信方式為一問一答，數(shù)控機(jī)床作為服務(wù)器，每接收一個(gè)命令幀并處理后，便向客戶端發(fā)送一個(gè)回復(fù)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(fù)幀

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

（2）機(jī)器人通信方式

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

4 應(yīng)用和結(jié)果分析

項(xiàng)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(yàn)運(yùn)行等研發(fā)階段，并已進(jìn)入生產(chǎn)性運(yùn)行，至今設(shè)備運(yùn)作良好，得到客戶認(rèn)可。設(shè)備在客戶現(xiàn)場運(yùn)行情況如圖13～16所示。

圖13 電機(jī)軸生產(chǎn)線

圖14 機(jī)器人協(xié)同電機(jī)軸檢測生產(chǎn)線

圖15 電機(jī)軸智能檢測系統(tǒng)

圖16 電機(jī)軸智能檢測系統(tǒng)操作臺(tái)

目前本系統(tǒng)設(shè)備已達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和實(shí)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(jī)床、機(jī)器人通信實(shí)現(xiàn)協(xié)同生產(chǎn)、檢測閉環(huán)控制；與MES 軟件接口實(shí)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(yù)警。

（3）檢測效率（不包含上下料時(shí)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(dòng)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(tái)數(shù)控車床生產(chǎn)軸件時(shí)間設(shè)置為每半小時(shí)抽檢一件工件。

同時(shí)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jī)械裝置為高精度加工標(biāo)準(zhǔn)，以保證軸徑跳動(dòng)檢測的輔助頂針保持在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文針對機(jī)械行業(yè)實(shí)現(xiàn) “無人化生產(chǎn)線” 的迫切需求，設(shè)計(jì)一套基于機(jī)器人協(xié)同的復(fù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的階梯軸零件進(jìn)行直徑、跳動(dòng)、長度、中心孔直徑等多個(gè)形位尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)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(jī)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(tái)數(shù)控設(shè)備建立信息反饋通道，進(jìn)行工件加工路徑實(shí)時(shí)在線自修正；多臺(tái)機(jī)器人匹配各數(shù)控車床和軸類檢測系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)裝卸、自動(dòng)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(tái)數(shù)控設(shè)備及機(jī)械手構(gòu)建的協(xié)同聯(lián)動(dòng)檢測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(yùn)行數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)能批量、快速、準(zhǔn)確地完成加工工件進(jìn)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(dòng)運(yùn)作順暢、兼容性好。本項(xiàng)目的技術(shù)方法可拓展運(yùn)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(jī)床的自適應(yīng)性，提高數(shù)控機(jī)床之間的高效聯(lián)合生產(chǎn)能力。