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             摘要：本文是對(duì)五軸數(shù)控刀片周邊磨床的調(diào)試工作的一個(gè)小結(jié)，通過對(duì)機(jī)械手附加第五軸的各偏移參數(shù)的測(cè)量方法的描述，對(duì)機(jī)械手從料盤中自動(dòng)獲取刀片的程序流程的簡(jiǎn)要說明，進(jìn)一步說明了C C D攝像頭在實(shí)際中的巧妙應(yīng)用。將復(fù)雜問題進(jìn)一步的簡(jiǎn)單化，解決現(xiàn)場(chǎng)不易解決的問題，為機(jī)床的其他調(diào)試和試切試驗(yàn)贏得了寶貴的時(shí)間。

      在五軸數(shù)控刀片磨床上， 為了從料盤中取出刀片，并準(zhǔn)確裝夾到數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行磨削加工；另外將機(jī)床上已經(jīng)加工好的刀片完整地放回到料盤的原始位置，采用了三菱R H － 1 2 S D H8535四軸水平關(guān)節(jié)式機(jī)器人（機(jī)械手），附加第五軸驅(qū)動(dòng)氣爪及吸盤來進(jìn)行刀片的自動(dòng)上、下料過程的傳送工作。由于小刀片在料盤中的放置是隨機(jī)的，因此在用機(jī)械手從料盤中取刀片的過程中，需要準(zhǔn)確知道刀片在料盤中的放置位置和角度。為了解決這個(gè)問題，采用了邦納C C D攝像頭來完成。三菱機(jī)械手控制器，邦納C C D和數(shù)控機(jī)床(采用Fa g o r8070數(shù)控系統(tǒng))通過一個(gè)路由器組成一個(gè)局域控制網(wǎng)絡(luò)，以機(jī)械手控制器作為服務(wù)器，其他作為客戶機(jī)來完成各種數(shù)據(jù)的交換。
 

     1. 局域網(wǎng)絡(luò)的連接和通訊設(shè)定

     （1）局域網(wǎng)絡(luò)的連接：該局域網(wǎng)絡(luò)采用了路由器掛接三菱機(jī)械手控制器、邦納C C D相機(jī)控制器、發(fā)格（Fagor）數(shù)控系統(tǒng)，甚至也可以連接多臺(tái)觸摸屏和多臺(tái)電腦共同組成。連接示意圖如圖1所示。

          圖1 局域網(wǎng)絡(luò)的連接

     （2）通信地址的設(shè)定：設(shè)定各控制器的網(wǎng)絡(luò)IP地址（見表1）。

     2. 第五軸的結(jié)構(gòu)

     三菱機(jī)械手上附加第五軸由C C D相機(jī)、兩個(gè)爪（氣爪）、一個(gè)電磁吸盤、內(nèi)裝松下伺服電動(dòng)機(jī)及箱體組成（見圖2）。附加第五軸（附加軸L1軸）通過聯(lián)軸器和三菱機(jī)械手的第四軸Z/C軸連接（Z軸相機(jī)上下、C軸相機(jī)旋轉(zhuǎn)）。伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝絕對(duì)值編碼器，控制爪1、爪2及電磁吸盤的旋轉(zhuǎn)，由機(jī)械手控制器內(nèi)程序控制，可編程。設(shè)置為旋轉(zhuǎn)－90°、0°、90°。在 CCD照相之時(shí)，電磁吸盤旋轉(zhuǎn)到向下的位置，保證相機(jī)不被阻擋，并能對(duì)料盤上的刀片取得清晰的影像，便于對(duì)影像進(jìn)行數(shù)字化處理 。

      圖2 第五軸的結(jié)構(gòu)
     1.氣爪爪2 2.氣爪爪1 3.CCD相機(jī)4.第四軸C軸 5.聯(lián)軸器6.第五軸箱體（內(nèi)裝伺服電動(dòng)機(jī)）7.電磁吸盤

      3. 用CCD相機(jī)的照相數(shù)字化

   
     結(jié)果來校正CCD相機(jī)的安裝角度實(shí)際上就是要調(diào)整好C C D的坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系之間的關(guān)系。具體的調(diào)整步驟如下：
 
    （1）將第五軸大概調(diào)整，使得照相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系在感覺上差不多平行（相機(jī)位置粗調(diào)）。
    （2）在機(jī)械手下方的料盤上放置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量塊，長(zhǎng)度300m m。再在機(jī)械手的第五軸上固定一個(gè)百分表，移動(dòng)機(jī)械手的Y軸，移動(dòng)長(zhǎng)度盡可能的接近標(biāo)準(zhǔn)量塊的長(zhǎng)度；首先從左向右移動(dòng)，在移動(dòng)的過程中根據(jù)百分表指示，微量調(diào)整量塊的位置；通過機(jī)械手多次往復(fù)的移動(dòng)和微量調(diào)整量塊位置，使得達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)量塊面和機(jī)械手坐標(biāo)系平行度在0.02/300 m m之內(nèi)。注意，現(xiàn)在量塊的位置很重要，不得觸動(dòng)和碰撞、移動(dòng)。
     （3）用安裝在第五軸上的邦納C C D攝像頭對(duì)著標(biāo)準(zhǔn)量塊照相。打開電腦上安裝的C C D 專用軟件后，用機(jī)械手的手持單元移動(dòng)機(jī)械手Z軸，調(diào)整好照相機(jī)的高度；移動(dòng)X、Y軸，調(diào)整好相機(jī)位置，使得在電腦屏幕上可以清晰看到標(biāo)準(zhǔn)量塊的影像；按下C C D的專用軟件的軟快門，對(duì)量塊進(jìn)行照相。對(duì)剛照相的照片進(jìn)行數(shù)字化處理后，可以得到照相機(jī)坐標(biāo)系和量塊之間的夾角值。將機(jī)械手操作設(shè)置為手動(dòng)方式，用手持單元操作第四軸C軸，使得C軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，剛好等于或者接近上面找到的照相機(jī)坐標(biāo)系和量塊之間的夾角。請(qǐng)注意，轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸C軸時(shí)要確認(rèn)旋轉(zhuǎn)方向不要搞錯(cuò)。
    （4）這時(shí)，機(jī)械手坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系之間已經(jīng)基本平行。記錄這時(shí)的機(jī)械手的第四軸的當(dāng)前C坐標(biāo)值。（這個(gè)值在后面要用到，而且極為重要。）我調(diào)整的結(jié)果是C=103.72°，此時(shí)照相機(jī)坐標(biāo)系和量塊之間的夾角值等于0.1°。

     4. 通過CCD來測(cè)定第五軸安裝偏移尺寸

     第五軸裝配完成之后，由于制造和裝配原因，不可能使得C C D相機(jī)的鏡頭中心、Z/C軸中心、電磁吸盤中心保證在同一條直線上。而且C C D相機(jī)到Z/C軸中心距離偏差、電磁吸盤中心到Z/C軸中心距離偏差由于第五軸的箱體結(jié)構(gòu)不規(guī)則無法準(zhǔn)確測(cè)量。為了這幾個(gè)尺寸（很重要，后面算法中要用到），曾測(cè)量過多次（見圖3），但獲得的值都不同，
測(cè)量誤差很大；用多次測(cè)量求平均值法，效果也不理想。

     圖3 第五軸相關(guān)尺寸的測(cè)量
     電磁吸盤向下，仰視圖）

      
     圖4 吸盤中心到C軸中心偏移值測(cè)量模型
   1.旋轉(zhuǎn)前電磁吸盤中心位置2.旋轉(zhuǎn)后電磁吸盤中心位置3.平移前C軸中心位置 4.平移后C軸中心位置5.機(jī)械手坐標(biāo)系原點(diǎn)
 
 

    （1）利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，測(cè)量和計(jì)算電磁吸盤中心到Z/C軸中心的坐標(biāo)偏移值。測(cè)量原理和測(cè)量計(jì)算過程：在料盤上放置一個(gè)和電磁吸盤直徑等大的標(biāo)準(zhǔn)圓形量塊，移動(dòng)機(jī)械手坐標(biāo)，將電磁吸盤精確對(duì)準(zhǔn)測(cè)量塊，（C軸位置3，電磁吸盤位置1），記錄此時(shí)的X0、Y0、Z0及C0坐標(biāo)值。然后將機(jī)械手Z軸稍高一些，任意方向旋轉(zhuǎn)C軸后（C軸位置3，電磁吸盤位置2），再將電磁吸盤精確對(duì)準(zhǔn)測(cè)量塊（C軸位置4，電磁吸盤位置1），記錄此時(shí)的X1、Y1、Z1及C1坐標(biāo)值。測(cè)量和算法模型如圖4所示：吸盤中心到C軸中心偏移值測(cè)量模型（模型以機(jī)械手坐標(biāo)系定義為準(zhǔn)）。通過下面的計(jì)算得到電磁吸盤中心到C軸中心的偏移值X、Y。首先計(jì)算電磁吸盤中心到C軸中心距離r(旋轉(zhuǎn)半徑)：

    其次計(jì)算磁吸盤中心到C軸中心的偏移值X、Y

    計(jì)算結(jié)果就是圖3中的c、d尺寸。機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)中心是C 軸中心。在測(cè)量中， 電磁吸盤直徑d=25 m m，采用標(biāo)準(zhǔn)圓形量塊直徑d '=24.78 m m。將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量塊放置到料盤中，移動(dòng)機(jī)械手的C=103.72（上面的測(cè)量值），然后移動(dòng)并精確定位X、Y、Z、C坐標(biāo)，使得電磁吸盤和標(biāo)準(zhǔn)量塊外圓周邊等距，有經(jīng)驗(yàn)的操作工或者裝配工可以做的很精確，大約0.02 m m之內(nèi)。從手持單元面板上可以直接得到當(dāng)前的X、Y、Z及C的坐標(biāo)值。

    （2）利用C C D測(cè)量電磁吸盤中心到C C D相機(jī)鏡頭中心的偏移值。在料盤中放置標(biāo)準(zhǔn)圓形量塊，調(diào)整C軸角度C=103.72，確保相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系平行。移動(dòng)機(jī)械手坐標(biāo)軸X、Y、Z，使得電磁吸盤和標(biāo)準(zhǔn)圓形量塊幾乎重合（越精確越好），讀取此時(shí)的X0、Y0、Z0及C0坐標(biāo)值，并記錄備用。啟動(dòng)C C D相機(jī)專用軟件后，移動(dòng)機(jī)械手使得在筆記本電腦的屏幕上可以清晰地看到刀片的影像后，按動(dòng)相機(jī)軟件中的軟快門進(jìn)行照相。通過影像的數(shù)字化處理，可以得到量塊中心到影像中心的坐標(biāo)偏差值d x、d y(相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)械手坐標(biāo)系不同，需要將d x、d y值互換，請(qǐng)注意)。讀取當(dāng)前的機(jī)械手的坐標(biāo)X1、Y1、Z1及C1值，計(jì)算得到電磁吸盤中心到CCD相機(jī)鏡頭中心的偏移值
 

   （3）計(jì)算照相中心到C軸中心的坐標(biāo)偏移值。由于上面已經(jīng)得到了相機(jī)中心到電磁吸盤中心的坐標(biāo)偏移值，因此很容易得到照相中心到C軸中心的坐標(biāo)偏移值。也就是
圖3中的a、b尺寸

     5. 用CCD相機(jī)處理料盤中刀片的位置和方向

     通過C C D照相并數(shù)字化處理，將料盤中的刀片位置和放置方向數(shù)據(jù)提交到機(jī)械手控制器，通過機(jī)械手控制器中運(yùn)行的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、坐標(biāo)變換后，轉(zhuǎn)換為機(jī)械手的
坐標(biāo)值，以便機(jī)械手能準(zhǔn)確移動(dòng)到刀片位置進(jìn)行精確抓取。C C D 照相機(jī)對(duì)影像進(jìn)行數(shù)值化處理，輸出刀片中心到料盤碼垛坐標(biāo)的中心偏移值dx、dy，同時(shí)輸出在料盤中的刀片放置時(shí)的最大影像半徑處的刀片頂點(diǎn)坐標(biāo)值（x，y），照相并影像數(shù)字化處理成功/失敗的標(biāo)志，如果照相失敗則重新照相。通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸入，將數(shù)據(jù)傳送到機(jī)械手控制器中運(yùn)行程
序中，通過計(jì)算可得到刀片放置角度α。首先將C軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α，并計(jì)算出C軸旋轉(zhuǎn)角度α后吸盤中心到C軸中心的偏移值（m d d x、m d d y），所有的計(jì)算都是矢量計(jì)算，包含有坐標(biāo)方向。其次機(jī)械手移動(dòng)一個(gè)偏移值，即

     這樣處理以后，電磁吸盤在從料盤碼垛位置取刀片時(shí)，就能精確吸取刀片。這種算法適合國(guó)標(biāo)G BT2076－1987中規(guī)定的全部刀片的抓取以及部分非標(biāo)刀片的抓取。通過機(jī)床實(shí)際試驗(yàn)，電磁吸盤從料盤上取得刀片的實(shí)際偏差在0.1 m m之內(nèi)，基本上能保證正常的自動(dòng)上、下料要求。

  
    6. 機(jī)械手自動(dòng)從料盤中取刀片的程序流程

    機(jī)械手控制程序流程如下：
 
   （1）設(shè)定當(dāng)前的刀片的碼垛位坐標(biāo)，并計(jì)算出相應(yīng)的照相位坐標(biāo)。
   （2）機(jī)械手移動(dòng)到當(dāng)前碼垛的照相位，進(jìn)行照相。
   （3）照相影像數(shù)字化處理，輸出結(jié)果，并通過局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到機(jī)械手控制器。
   （4）程序接收照相二值化處理結(jié)果數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前碼垛位上的刀片中心坐標(biāo)和刀片的放置方向(角度α)。
   （5）計(jì)算機(jī)械手C軸旋轉(zhuǎn)之后吸盤的偏移值。
   （6）機(jī)械手旋轉(zhuǎn)C軸，并移動(dòng)X、Y坐標(biāo)，電磁吸盤移動(dòng)到刀片中心抓取刀片。

     機(jī)械手從料盤中抓取刀片的實(shí)例：在機(jī)械手控制器上，選擇自動(dòng)工作方式，選擇測(cè)試程序，按程序執(zhí)行鍵（當(dāng)然料盤上碼垛定義點(diǎn)已經(jīng)手動(dòng)采集，具體采集方法參看三
菱機(jī)械手相關(guān)資料），查看電磁吸盤抓取刀片的情況。下面圖5、圖6及圖7是機(jī)械手從料盤中抓取刀片的實(shí)例。

          
        圖5 機(jī)械手向刀片中心位置移動(dòng)

     
      圖6 電磁吸盤正在吸取刀片

        
       圖7 電磁吸盤吸取刀片的效果
 
 
     7. 結(jié)語

     在對(duì)機(jī)械手調(diào)試過程中，通過C C D攝像頭照相/影像處理，巧妙地解決了人工無法測(cè)量的幾個(gè)關(guān)鍵尺寸，解決了刀片抓取的精度問題。在試驗(yàn)的過程中，隨機(jī)放置三刀片、正方形刀片及菱形刀片等，均能準(zhǔn)確找到刀片的放置角度和中心點(diǎn)，測(cè)試效果備受鼓舞，為機(jī)床的全面調(diào)試和試切（磨削）贏得寶貴時(shí)間，獲得領(lǐng)導(dǎo)和同仁的一致好評(píng)。