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        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)

        2022-10-13 09:27:44李波馬帥李行
        機(jī)床與液壓 2022年18期
        關(guān)鍵詞:凸輪軸裝夾夾具

        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(duì)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(duì)不同型號(hào)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)量系統(tǒng),測(cè)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(cè)量,根據(jù)測(cè)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(cè)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(hào)傳輸。接近開關(guān)設(shè)置在傳送帶上,當(dāng)工件傳送到待測(cè)位置時(shí),觸發(fā)接近開關(guān),控制器獲取信號(hào),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(cè)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 測(cè)量系統(tǒng)搭建

        測(cè)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(cè)量系統(tǒng)搭建如圖5所示。

        圖5 視覺測(cè)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(cè)定。矯正后工件圖像如圖9(b)所示;對(duì)經(jīng)圖像矯正后的標(biāo)定板,進(jìn)行像素值測(cè)量,測(cè)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(duì)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(duì)位置坐標(biāo)信息,分割出其主要圖像,便于后期進(jìn)行針對(duì)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(jí)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量誤差補(bǔ)償

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

        圖11 三坐標(biāo)測(cè)量儀測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

        隨機(jī)選取30個(gè)工件,分別采用視覺測(cè)量和三坐標(biāo)測(cè)量儀進(jìn)行小孔孔徑的測(cè)量,結(jié)果如圖12所示??芍簻y(cè)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(cè)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(cè)量平面存在高度差,導(dǎo)致測(cè)量存在誤差,如圖13所示。

        圖12 三坐標(biāo)測(cè)量儀及視覺測(cè)量結(jié)果折線圖

        圖13 標(biāo)定板測(cè)量平面示意

        4 系統(tǒng)測(cè)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(cè)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(cè)位置后觸發(fā)接近開關(guān),信號(hào)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)量方法,開發(fā)了上位機(jī)視覺測(cè)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。

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