錨板二次加工自動(dòng)定位及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳於學(xué)， 桂領(lǐng)航， 張雨萍， 駱玉智

（1.華中科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院儀器系，武漢430074;2.浙錨科技股份有限公司，杭州311402）

0 引 言

錨板是橋梁鋼纜固定的關(guān)鍵部件，錨板加工質(zhì)量直接關(guān)系到橋梁的安全。其中未成形錨板錐孔需要二次加工，保證孔的尺寸和表面粗糙度達(dá)到設(shè)計(jì)要求.其中精鉸是最關(guān)鍵的一步，直接關(guān)系到錨板最后是否合格[1]。目前國(guó)內(nèi)錨板精鉸都采用手工操作搖臂鉆床，勞動(dòng)強(qiáng)度大，需要很長(zhǎng)時(shí)間的操作經(jīng)驗(yàn)才能保證產(chǎn)品的合格率。由于長(zhǎng)時(shí)間人工操作之后，注意力下降，會(huì)導(dǎo)致加工精度不高、加工偏心等問(wèn)題。為了提高加工精度、效率和節(jié)約勞動(dòng)力，本文提出了用數(shù)控鉆床對(duì)錨板錐孔進(jìn)行二次加工，基于機(jī)器視覺(jué)的多孔自動(dòng)定位技術(shù)進(jìn)行研究，并且實(shí)現(xiàn)錨板全自動(dòng)數(shù)控二次鉆孔[2]。

1 錨板數(shù)控二次鉆孔自動(dòng)定位原理

測(cè)量方法示意圖如圖1所示，在機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)上固定四個(gè)基準(zhǔn)柱，用數(shù)控機(jī)床在基準(zhǔn)柱上加工四個(gè)基準(zhǔn)孔，四個(gè)基準(zhǔn)孔中心連線(xiàn)構(gòu)成一個(gè)矩形，且在機(jī)床中的位置已知。以這四個(gè)基準(zhǔn)孔作為測(cè)量基準(zhǔn)，移動(dòng)機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)使基準(zhǔn)孔和工件錐孔分別位于粗、精定位相機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)，通過(guò)粗定位相機(jī)測(cè)量可得到錨板錐孔中心在機(jī)床中的不精確位置，精定位相機(jī)測(cè)量可以補(bǔ)償粗定位相機(jī)測(cè)量錨板錐孔的位置偏差，通過(guò)粗精定位相機(jī)測(cè)量可得到錨板錐孔中心在機(jī)床中的精確位置，高度傳感器測(cè)量錨板高度可補(bǔ)償錨板加工高度方向的偏差，錨板錐孔最后移到機(jī)床主軸下進(jìn)行加工。

圖1 錨板多孔定位原理示意圖

1.1 世界坐標(biāo)系下各坐標(biāo)系位置關(guān)系

1.1.1 坐標(biāo)系的創(chuàng)建

根據(jù)測(cè)量方法，為了方便描述相機(jī)和高度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)到機(jī)床加工數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，如圖2所示，創(chuàng)建如下四個(gè)測(cè)量坐標(biāo)系：

1）機(jī)床坐標(biāo)系(Xg,Yg,Zg)T機(jī)床坐標(biāo)系在機(jī)床裝配、調(diào)試時(shí)已經(jīng)確定下來(lái)。

2）工件坐標(biāo)系(Xw,Yw,Zw)T工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)Ow為基準(zhǔn)孔ABCD中心連線(xiàn)構(gòu)成的矩形中心，坐標(biāo)軸的方向與機(jī)床坐標(biāo)系一致，由于基準(zhǔn)孔ABCD在機(jī)床坐標(biāo)系下的位置已知，可知Ow在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)設(shè)為（x1,y1,z1），矩形ABCD邊長(zhǎng)AB=a，AC=b。

3）粗定位相機(jī)坐標(biāo)系(Xc,Yc,Zc)T粗定位相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)為粗定位相機(jī)視場(chǎng)左后方頂點(diǎn)，坐標(biāo)系X及Y軸與視場(chǎng)邊界平行，Z軸與機(jī)床坐標(biāo)系Z軸平行。

4）精定位相機(jī)坐標(biāo)系(Xj,Yj,Zj)T精定位相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)為精定位相機(jī)視場(chǎng)左后方頂點(diǎn)，坐標(biāo)系X及Y軸與視場(chǎng)邊界平行，Z軸與機(jī)床坐標(biāo)系Z軸平行。

機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)可沿Xg和Yg方向移動(dòng)，相對(duì)于世界坐標(biāo)系(X,Y,Z)T，工件坐標(biāo)系和機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的，而粗、精定位相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)固定不變。

1.1.2 世界坐標(biāo)系下各坐標(biāo)系位置關(guān)系

世界坐標(biāo)系下各坐標(biāo)系位置關(guān)系如圖2所示，工件坐標(biāo)系作為機(jī)床坐標(biāo)系、粗定位相機(jī)坐標(biāo)系和精定位相機(jī)坐標(biāo)系之間進(jìn)行坐標(biāo)變換的紐帶，必須確定工件坐標(biāo)系與其他坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系。

圖2 世界坐標(biāo)系下各坐標(biāo)系位置關(guān)系示意圖

1）工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系位置關(guān)系。

工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系位置關(guān)系固定，且由于工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系坐標(biāo)軸方向一致，兩者之間只存在平移關(guān)系，平移向量為

2）粗定位相機(jī)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系位置關(guān)系。

粗定位相機(jī)測(cè)量時(shí)，工件坐標(biāo)系原點(diǎn)移動(dòng)到Ow′，接近粗定位相機(jī)視場(chǎng)中心位置，粗定位相機(jī)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系存在旋轉(zhuǎn)和平移變換，旋轉(zhuǎn)矩陣為cw，平移向量為cw。

粗定位相機(jī)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系在XY平面的位置關(guān)系如圖3所示，設(shè)基 準(zhǔn) 孔ABCD中心在粗定位相機(jī)坐標(biāo)系下測(cè)得的坐標(biāo)分別為（xc1,yc1）、(xc2,yc2)、(xc3,yc3)、(xc4,yc4)。

圖3 粗定位相機(jī)坐標(biāo)系-工件坐標(biāo)系位置關(guān)系示意圖

則矩形ABCD四條邊分別與坐標(biāo)軸的夾角的正切值為：

兩坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)角度為矩形ABCD各邊與坐標(biāo)軸夾角的平均值為

粗定位相機(jī)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的Z軸平行，可得粗定位相機(jī)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系齊次變換的旋轉(zhuǎn)矩陣為

平移向量為

3）精定位相機(jī)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系位置關(guān)系。

精定位相機(jī)測(cè)量時(shí)，工件坐標(biāo)系原點(diǎn)移動(dòng)到O''w，接近精定位相機(jī)視場(chǎng)中心位置，精定位相機(jī)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系存在旋轉(zhuǎn)和平移變換，旋轉(zhuǎn)矩陣為cw，平移向量為cw，由于精定位相機(jī)測(cè)量只是用于補(bǔ)償粗定位相機(jī)測(cè)量的偏差，可不求解cw。

圖4 精定位相機(jī)坐標(biāo)系-工件坐標(biāo)系位置關(guān)系示意圖

機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)沿坐標(biāo)軸Xw和Yw移動(dòng)（a/2,-b/2），如圖4所示，精定位相機(jī)測(cè)量基準(zhǔn)孔A的中心坐標(biāo)為（xj0,yj0），機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)再沿坐標(biāo)軸Xw移動(dòng)一定距離到A′，坐標(biāo)為（xj0′,yj0′），則旋轉(zhuǎn)角度為

精定位相機(jī)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的Z軸平行，可得精定位相機(jī)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系齊次變換的旋轉(zhuǎn)矩陣為

1.2 錨板數(shù)控二次鉆孔自動(dòng)定位原理

1.2.1 高度測(cè)量原理

機(jī)床坐標(biāo)系下錨板錐孔加工Z坐標(biāo)通過(guò)試加工方式得到，先試加工基準(zhǔn)錨板錐孔到合格尺寸，記下機(jī)床坐標(biāo)系Z坐標(biāo)為z0作為基準(zhǔn)。高度測(cè)量用于補(bǔ)償由于錨板高度偏差造成的Z坐標(biāo)偏差，高度測(cè)量原理如圖5所示，高度傳感器測(cè)量基準(zhǔn)錨板和加工錨板的高度差為Δz，則加工錨板機(jī)床坐標(biāo)系Z坐標(biāo)為z0+Δz。視覺(jué)測(cè)量得到的是機(jī)床坐標(biāo)系下錨板錐孔加工X和Y坐標(biāo)，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中Z坐標(biāo)均取0。

圖5 高度測(cè)量原理示意圖

1.2.2 粗定位相機(jī)測(cè)量原理

粗定位相機(jī)測(cè)量時(shí)，移動(dòng)機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)，使基準(zhǔn)孔和工件盡可能位于視場(chǎng)中間，記下此時(shí)機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（x2,y2,z2），之后粗定位相機(jī)測(cè)量時(shí)機(jī)床自動(dòng)移至該坐標(biāo)。粗定位相機(jī)測(cè)量原理如圖6所示，對(duì)于錨板任意錐孔中心Oi，測(cè)得Oi在粗定位相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（xci,yci,0），則其在工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

圖6 粗定位相機(jī)測(cè)量原理圖

1.2.3 精定位相機(jī)測(cè)量原理

移動(dòng)機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)使基準(zhǔn)孔A盡可能位于視場(chǎng)中間，機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)再沿坐標(biāo)軸Xw和Yw移動(dòng)（-a/2,-b/2），此時(shí)精定位相機(jī)視場(chǎng)中心接近于矩形ABCD的中心，記下此時(shí)機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（x3,y3,z3），之后粗定位相機(jī)測(cè)量開(kāi)始時(shí)機(jī)床自動(dòng)移至該坐標(biāo)。

精定位相機(jī)測(cè)量原理如圖7所示，機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)沿坐標(biāo)軸Xw和Yw分別移動(dòng)（a/2,-b/2）、（-a/2,-b/2）、（a/2,b/2）、（-a/2,b/2），測(cè)量基準(zhǔn)孔ABCD中心在精定位相機(jī)坐標(biāo)系XY平面下的坐標(biāo)為（xj1,yj1）、（xj2,yj2）、（xj3,yj3）、（xj4,yj4），基準(zhǔn)孔ABCD中心在工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)準(zhǔn)確，取平均值作為精定位相機(jī)測(cè)量的基準(zhǔn)值，即：

圖7 粗定位相機(jī)測(cè)量原理示意圖

測(cè)量錨板任意錐孔中心Oi時(shí)，機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)為

測(cè)得Oi在精定位相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（xji,yji,0），則測(cè)量偏差為

可得對(duì)任一錨板錐孔Oi在機(jī)床坐標(biāo)系下加工完成的坐標(biāo)為

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械部分

機(jī)械系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示，主要由視覺(jué)檢測(cè)裝置、高度測(cè)量裝置、基準(zhǔn)及夾持裝置等組成。其中視覺(jué)檢測(cè)裝置和高度測(cè)量裝置通過(guò)連接板固定在機(jī)床框架上，基準(zhǔn)及夾持裝置固定在機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)上。

視覺(jué)檢測(cè)裝置主要完成粗、精定位相機(jī)和光源的固定及其位置微調(diào)；高度測(cè)量裝置主要完成高度測(cè)量時(shí)水平和豎直運(yùn)動(dòng)，使高度傳感器的測(cè)頭接觸到工件被測(cè)面；基準(zhǔn)及夾持裝置可把工件固定在機(jī)床移動(dòng)平臺(tái)，使工件移動(dòng)和加工過(guò)程中位置不發(fā)生偏移，同時(shí)為視覺(jué)檢測(cè)提供基準(zhǔn)。

圖8 機(jī)械系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 電氣部分

2.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖9 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)硬件的框圖主要如圖9所示。各部分功能簡(jiǎn)介如下：1）自動(dòng)定位及控制系統(tǒng)。通過(guò)相機(jī)控制器、CCD相機(jī)和碗型光源完成定位圖像數(shù)據(jù)的獲取，通過(guò)容柵傳感器測(cè)量工件的高度，獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)RS232接口傳給工業(yè)平板電腦，電腦進(jìn)行分析與處理后生成控制數(shù)控機(jī)床動(dòng)作的G代碼通過(guò)以太網(wǎng)接口傳給數(shù)控系統(tǒng)。2）動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)接收工業(yè)平板電腦上傳的G代碼，并執(zhí)行G代碼，完成工件加工和移動(dòng)、氣缸動(dòng)作等。

2.2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)錨板數(shù)控二次鉆孔自動(dòng)定位系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)了軟件實(shí)現(xiàn)的流程和思路，測(cè)量及控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖10所示，工作模式分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種。手動(dòng)模式用于工件試加工，可確定機(jī)床加工Z坐標(biāo)，調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速及Z向進(jìn)給速度等加工參數(shù)，亦可校準(zhǔn)錨板高度、視覺(jué)檢測(cè)、單獨(dú)加工任意孔等；自動(dòng)模式用于系統(tǒng)調(diào)整好后進(jìn)行工件自動(dòng)化檢測(cè)與加工。編寫(xiě)好的LabVIEW軟件界面如圖11所示。

圖10 軟件編程流程圖

圖11 軟件界面圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

完成錨板數(shù)控二次鉆孔自動(dòng)定位系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)各部分的安裝調(diào)試后，先用測(cè)量及控制系統(tǒng)軟件手動(dòng)模式進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定和高度傳感器標(biāo)定，標(biāo)定好之后測(cè)量觀察錨板錐孔在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)是準(zhǔn)確的。

錨板錐孔圓心偏差手動(dòng)測(cè)量方法如下：錨板錐孔移動(dòng)到測(cè)量的機(jī)床坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，百分表測(cè)頭與錐孔內(nèi)表面接觸，旋轉(zhuǎn)機(jī)床主軸一周，讀取百分表最大值dmax和最小值dmin，則錐孔中心測(cè)量偏差為

通過(guò)手動(dòng)測(cè)量方法，QVM15-9TB錨板錐孔中心坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)及百分表手動(dòng)測(cè)量錐孔中心實(shí)際偏差如表1所示，可以看出粗定位測(cè)量最大實(shí)際偏差為0.20 mm，精定位測(cè)量最大實(shí)際偏差為0.06 mm。

表1 QVM15-9TB錨板錐孔中心坐標(biāo)及偏差 mm

實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)定的最直觀方法就是用粗、精定位測(cè)量的錨板錐孔機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加工，由加工效果評(píng)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

加工效果如圖12所示，其中，未加工錨板錐孔如圖12(a)所示，表面有一層熱處理之后的黑色氧化層；粗定位加工效果如圖12(b)所示，粗定位加工由于圓心偏差較大，錐孔有未加工到的區(qū)域，殘留黑色氧化層，觸摸起來(lái)比較粗糙；精定位加工效果如圖12(c)所示，錐孔表面未殘留黑色氧化層，表面十分光滑。可見(jiàn)粗定位測(cè)量不能滿(mǎn)足錨板錐孔加工要求，粗、精定位二次測(cè)量才能滿(mǎn)足錨板錐孔加工要求。

圖12 錨板加工效果圖

3 結(jié) 論

本文利用視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，提出了一種錨板多孔自動(dòng)定位方法。首先，采用大視場(chǎng)小焦距鏡頭相機(jī)對(duì)錨板多孔進(jìn)行粗定位；然后，采用小視場(chǎng)大焦距鏡頭相機(jī)對(duì)錨板單孔逐一進(jìn)行精定位。并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種錨板數(shù)控二次鉆孔自動(dòng)定位測(cè)量系統(tǒng)。最終進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明系統(tǒng)錨板錐孔中心位置測(cè)量偏差0.06 mm，且提高了加工效率，達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)加工的要求。