機器人視覺在數控加工中心的應用研究

廖瓊章

（廣西現代職業技術學院，廣西 河池547000）

將機器人視覺技術運用于數控加工中心，能夠降低人工生產成本，視覺傳達技術為機器生產提供了一雙眼睛，可精準定位，避免操作過程中出現失誤。

1 視覺傳感系統原理

機器人視覺是目前很多領域中運用的重要技術之一，在數控加工機床中也所有運用，機器人視覺系統具有多項技術模塊，包括無線通信模塊、無線傳感器模塊、無線ccd相機。能夠利用類似于人體眼睛的視覺辨識系統進行物體判斷，并通過相機拍照功能進行物體相關信息的圖像采集，建立數據化的圖像分析與處理方式，以此辨識目標物體。機器人視覺技術運用屬于自動化技術的重要構成部分，包括控制系統、攝像機等體系，能夠代替人工生產方式，以此實現生產線上操作，代替人工的部分作業。ARM處理器可收集無線傳感器收集到的一些信號，并據此信號而做出相應決策，將其傳遞給機器人，機器人在作業過程中可進行相應定位與導航[1]。

2 通信技術

運用Zigbee作為機器人與數控機床間之間連接的通信技術，ZigBee無線網絡技術按照IEEE 802.15.4標準進行，運用優勢明顯，復雜程度較低，使用功耗較低，可降低成本，源距較短。實際使用中ZigBee技術的抗干擾能力較強，可以在數控機床與機器人之間建立相應的通訊方式，可通過3G模塊、GPRS建立工作空間中的無線通信方式[2]。

通過建立中部節點方式建立存儲器、ARM處理器，具有較強的存儲空間與強大的數據存儲與處理能力，可為數控機床的運行優化程序。機器人可對數控機床運行建立相應的處理程序，并及時調試運行程序。在完成系統調試之后，可把調試結果發送給機器人，而不直接將數據傳遞給個人數字設備或者個人電腦等監控器。通信系統運行過程中建立星型拓撲結構方式，該通信體系中設置了外圍節點，包括監控電腦或者個人數字設備等。

3 機器人視覺系統的智能控制技術

3.1 軟件設計

軟件設計過程中要求建立與軟件運行相契合的程序模塊，由此使得機器人作業過程中具有清晰明了的使用條例，后期運行中一旦出現問題能夠及時識別與并修改。MOTOMAN—MH50II機器人運行過程中共建立了13種運行程序。

3.2 現場布局

此次實驗組合運用了數控機床、機器人視覺傳感系統，并通過1臺機器人對6臺機床建立自動化上下料作業，數控機床型號為新浙NMC-50V型數控加工中心，對數控機床建立了自動化操作方式。在軌道中安裝1臺MOTOMAN—MH50II機器人，機器人具有夾具與氣動滑臺，在滑臺上安裝上料托盤，在氣動滑臺與數控加工中心之間建立通信體系。可實現上料與下料作業，可將其運用于不同規格直徑工件操作之中，抓取較為牢固與穩定，便于及時維修與更換。攝像頭分辨率2048×1536，運用MV一3000UC工業攝像機，可將曝光時間控制在一定限度內[3]。

3.3 機器人結構設計

數控機床中機器人包括運動平臺、執行結構。執行機構包括柔性夾持器、雙四桿機構聯動機制，在運用過程中實現了無運動盲區。機器人結構包括前臂、夾持器、手臂及運行基礎，運行中通過雙四桿機構連接前臂、手臂，由此在機器人作業過程中實現有效的動力傳輸。電機運行動力由前臂提供，執行機構運行中重心偏低，通過機器人視覺系統的運用使得作業過程具有良好的平衡性。四連桿機構可有效調整氣缸的連桿長度，由此在垂直平面上存在旋轉角[4]。見圖1。

圖1 機器人結構簡圖

這種結構可顯著提升夾持器的作業范圍。回轉式氣缸的設計可使執行結構在作業過程中旋轉，由此在作業過程中可通過夾持器建立無盲區運動方式。夾持器運用中可實現靈活運動，作業過程中運用多種形式的刀具與工件，以此優化機器人的功能，提升其實際應用領域。

運動平臺包括導軌、旋轉編碼器、電氣控制系統、副定位器、車體、車輪、電機、驅動控制器等，在導軌上安裝車體，由框架結構組成。軌道外側的輪緣可為車體的高速運行提供保證。要求在低速輪上安裝活套張緊輥，在車體內安裝電氣控制系統，通過鋼絲繩進行連接。ARM處理器的運用可實現作業中的精準定位與導航，在控制系統中融入視覺技術、嵌入技術等，視覺控制系統運行中能夠對數控機床的實際運行情況進行智能判斷與分析。

3.4 機械結構設計

（1）滑臺采用啟動控制方式，以此進行運送零件的滑軌設計，氣動滑軌兩端分別連接借口部位與料倉，在滑軌中放置上料托盤，通過氣缸進行驅動，使得滑軌進行往復運動。

（2）結合毛坯的形狀，數控加工機床中設置相應凹槽，并將其放置在相應位置。

（3）在上料作業過程中，要求機器人的作業范圍可控，保證機器人能夠抓取托盤中的工件與毛坯，同時將其傳送至相應的區域。

（4）在機器人第六軸末端安裝機器人手爪，目前運用中常見的為V型槽平行手動式設計方式，運用優勢為能夠更為便捷地抓取長方體與圓柱形兩種主要形狀的毛坯。在設計中要求在手爪上粘貼膠帶，以此使得抓握作業中具有較強的摩擦力，作業進行中能夠牢固抓取工件[5]。

（5）確保數控機床安全門運行狀態較為穩定，在使用過程中能夠節約成本。因此，在設計過程中并未在安全門上進行自動化改造，而是采用機器人來控制門把手。對安全門的打開與關閉狀態通過手爪實現。

（6）機器人傳動系統設計過程中要求設計合理的啟動結構，此次系統運行中構建了三個執行機構氣缸進行驅動。包括滑軌的驅動氣缸、驅動氣缸、機器人手爪運動的驅動氣缸，由此通過三個氣缸的聯合作用而實現良好的聯動效果。

圖2 機械結構設計圖

3.5 標定的實現

設計過程中要求研究機器人與圖像坐標之間的關系，可通過機器人視覺獲知目標圖像的信息，并對信息建立計算方式，從而獲得目標圖像的基本位置信息。本次研究中機器人抓取工件規格φ63 mm×380 mm棒料。研究中需要獲得目標工件繞z軸的旋轉角度α，以及x、y方向的偏移距離。獲得的目標坐標如圖3所示。

圖3 世界坐標與圖像坐標關系

如圖3，圖像坐標為O1UV，世界坐標為OXY。世界坐標、圖像坐標兩者方向一致，并得出圖像坐標系中的標準位置，實現對目標工件的精準定位。運行中，在機器人的末端抓取夾具并在運算下將其移動時，相機能夠及時拍照，將收集到的信號傳遞給視覺系統，軟件可運用算法對圖像進行計算，提取圖像中的特征信息，并進行圖像預處理，可將邊緣提取劑中心位置識別。

運行中首先讓機器人回料待位，在毛坯料放入上料托盤規定位置之后，啟動機器人，通過移動托盤滑軌將毛坯料移動至相應位置，并抓取上料托盤中的零件毛坯，并將其移動至機床工作臺之中，此時在設定程序運行下氣動卡盤自動裝夾毛坯，關閉機器人，此時機床安全門關閉，并啟動零件加工數控程序。

加工完零件之后，打開機床安全床，此時可自動松開機床裝夾卡盤。機器人可取出加工完的零件，并將運送至相應區域，放置于上料托盤之中。機器人作業之后會進入下一個位置，如此作業中重復該動作，對下一步零部件進行相應操作，由此而完成托盤中所有零件毛坯的加工。滑軌將上料托盤移送至最初區域，并移送出生產的零件，而將需要加工的毛坯運送出去進行下一步操作，最終將全部的毛坯加工為零件。由此而在數控加工中進行相應的作業。機器人視覺技術在數控加工中的應用效果良好。

4 結束語

數控加工技術目前大量運用了自動化技術，機器人視覺技術的運用使得自動化系統如虎添翼，機器人視覺技術運行過程中要求具有較快的運行效率與速度，目前運行中對精度、柔性以及功能的要求也在逐漸提高。機器人視覺技術在數控機床應用中要求加強核心技術的研發，掌握自動化加工技術中的關鍵技術，以此促進數控加工技術的不斷發展，提升運行效率。