陳於學， 桂領航， 張雨萍， 駱玉智

（1.華中科技大學 機械學院儀器系，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到設計要求.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]。目前國內(nèi)錨板精鉸都采用手工操作搖臂鉆床，勞動強度大，需要很長時間的操作經(jīng)驗才能保證產(chǎn)品的合格率。由于長時間人工操作之后，注意力下降，會導致加工精度不高、加工偏心等問題。為了提高加工精度、效率和節(jié)約勞動力，本文提出了用數(shù)控鉆床對錨板錐孔進行二次加工，基于機器視覺的多孔自動定位技術(shù)進行研究，并且實現(xiàn)錨板全自動數(shù)控二次鉆孔[2]。

1 錨板數(shù)控二次鉆孔自動定位原理

測量方法示意圖如圖1所示，在機床移動平臺上固定四個基準柱，用數(shù)控機床在基準柱上加工四個基準孔，四個基準孔中心連線構(gòu)成一個矩形，且在機床中的位置已知。以這四個基準孔作為測量基準，移動機床移動平臺使基準孔和工件錐孔分別位于粗、精定位相機視場范圍內(nèi)，通過粗定位相機測量可得到錨板錐孔中心在機床中的不精確位置，精定位相機測量可以補償粗定位相機測量錨板錐孔的位置偏差，通過粗精定位相機測量可得到錨板錐孔中心在機床中的精確位置，高度傳感器測量錨板高度可補償錨板加工高度方向的偏差，錨板錐孔最后移到機床主軸下進行加工。

圖1 錨板多孔定位原理示意圖

1.1 世界坐標系下各坐標系位置關(guān)系

1.1.1 坐標系的創(chuàng)建

根據(jù)測量方法，為了方便描述相機和高度傳感器測量數(shù)據(jù)到機床加工數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，如圖2所示，創(chuàng)建如下四個測量坐標系：

1）機床坐標系(Xg,Yg,Zg)T機床坐標系在機床裝配、調(diào)試時已經(jīng)確定下來。

2）工件坐標系(Xw,Yw,Zw)T工件坐標系的原點Ow為基準孔ABCD中心連線構(gòu)成的矩形中心，坐標軸的方向與機床坐標系一致，由于基準孔ABCD在機床坐標系下的位置已知，可知Ow在機床坐標系下的坐標設為（x1,y1,z1），矩形ABCD邊長AB=a，AC=b。

3）粗定位相機坐標系(Xc,Yc,Zc)T粗定位相機坐標系原點為粗定位相機視場左后方頂點，坐標系X及Y軸與視場邊界平行，Z軸與機床坐標系Z軸平行。

4）精定位相機坐標系(Xj,Yj,Zj)T精定位相機坐標系原點為精定位相機視場左后方頂點，坐標系X及Y軸與視場邊界平行，Z軸與機床坐標系Z軸平行。

機床移動平臺可沿Xg和Yg方向移動，相對于世界坐標系(X,Y,Z)T，工件坐標系和機床坐標系的原點是運動的，而粗、精定位相機坐標系原點固定不變。

1.1.2 世界坐標系下各坐標系位置關(guān)系

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

圖2 世界坐標系下各坐標系位置關(guān)系示意圖

1）工件坐標系與機床坐標系位置關(guān)系。

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

2）粗定位相機坐標系與工件坐標系位置關(guān)系。

粗定位相機測量時，工件坐標系原點移動到Ow′，接近粗定位相機視場中心位置，粗定位相機坐標系與工件坐標系存在旋轉(zhuǎn)和平移變換，旋轉(zhuǎn)矩陣為cw，平移向量為cw。

粗定位相機坐標系與工件坐標系在XY平面的位置關(guān)系如圖3所示，設基 準 孔ABCD中心在粗定位相機坐標系下測得的坐標分別為（xc1,yc1）、(xc2,yc2)、(xc3,yc3)、(xc4,yc4)。

圖3 粗定位相機坐標系-工件坐標系位置關(guān)系示意圖

則矩形ABCD四條邊分別與坐標軸的夾角的正切值為：

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

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

平移向量為

3）精定位相機坐標系與工件坐標系位置關(guān)系。

精定位相機測量時，工件坐標系原點移動到O''w，接近精定位相機視場中心位置，精定位相機坐標系與工件坐標系存在旋轉(zhuǎn)和平移變換，旋轉(zhuǎn)矩陣為cw，平移向量為cw，由于精定位相機測量只是用于補償粗定位相機測量的偏差，可不求解cw。

圖4 精定位相機坐標系-工件坐標系位置關(guān)系示意圖

機床移動平臺沿坐標軸Xw和Yw移動（a/2,-b/2），如圖4所示，精定位相機測量基準孔A的中心坐標為（xj0,yj0），機床移動平臺再沿坐標軸Xw移動一定距離到A′，坐標為（xj0′,yj0′），則旋轉(zhuǎn)角度為

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

1.2 錨板數(shù)控二次鉆孔自動定位原理

1.2.1 高度測量原理

機床坐標系下錨板錐孔加工Z坐標通過試加工方式得到，先試加工基準錨板錐孔到合格尺寸，記下機床坐標系Z坐標為z0作為基準。高度測量用于補償由于錨板高度偏差造成的Z坐標偏差，高度測量原理如圖5所示，高度傳感器測量基準錨板和加工錨板的高度差為Δz，則加工錨板機床坐標系Z坐標為z0+Δz。視覺測量得到的是機床坐標系下錨板錐孔加工X和Y坐標，數(shù)據(jù)處理過程中Z坐標均取0。

圖5 高度測量原理示意圖

1.2.2 粗定位相機測量原理

粗定位相機測量時，移動機床移動平臺，使基準孔和工件盡可能位于視場中間，記下此時機床坐標系的坐標為（x2,y2,z2），之后粗定位相機測量時機床自動移至該坐標。粗定位相機測量原理如圖6所示，對于錨板任意錐孔中心Oi，測得Oi在粗定位相機坐標系下的坐標為（xci,yci,0），則其在工件坐標系下的坐標為

圖6 粗定位相機測量原理圖

1.2.3 精定位相機測量原理

移動機床移動平臺使基準孔A盡可能位于視場中間，機床移動平臺再沿坐標軸Xw和Yw移動（-a/2,-b/2），此時精定位相機視場中心接近于矩形ABCD的中心，記下此時機床坐標系的坐標為（x3,y3,z3），之后粗定位相機測量開始時機床自動移至該坐標。

精定位相機測量原理如圖7所示，機床移動平臺沿坐標軸Xw和Yw分別移動（a/2,-b/2）、（-a/2,-b/2）、（a/2,b/2）、（-a/2,b/2），測量基準孔ABCD中心在精定位相機坐標系XY平面下的坐標為（xj1,yj1）、（xj2,yj2）、（xj3,yj3）、（xj4,yj4），基準孔ABCD中心在工件坐標系下的坐標準確，取平均值作為精定位相機測量的基準值，即：

圖7 粗定位相機測量原理示意圖

測量錨板任意錐孔中心Oi時，機床坐標系的坐標為

測得Oi在精定位相機坐標系下的坐標為（xji,yji,0），則測量偏差為

可得對任一錨板錐孔Oi在機床坐標系下加工完成的坐標為

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 機械部分

機械系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示，主要由視覺檢測裝置、高度測量裝置、基準及夾持裝置等組成。其中視覺檢測裝置和高度測量裝置通過連接板固定在機床框架上，基準及夾持裝置固定在機床移動平臺上。

視覺檢測裝置主要完成粗、精定位相機和光源的固定及其位置微調(diào)；高度測量裝置主要完成高度測量時水平和豎直運動，使高度傳感器的測頭接觸到工件被測面；基準及夾持裝置可把工件固定在機床移動平臺，使工件移動和加工過程中位置不發(fā)生偏移，同時為視覺檢測提供基準。

圖8 機械系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 電氣部分

2.2.1 系統(tǒng)硬件設計

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。各部分功能簡介如下：1）自動定位及控制系統(tǒng)。通過相機控制器、CCD相機和碗型光源完成定位圖像數(shù)據(jù)的獲取，通過容柵傳感器測量工件的高度，獲得的數(shù)據(jù)通過RS232接口傳給工業(yè)平板電腦，電腦進行分析與處理后生成控制數(shù)控機床動作的G代碼通過以太網(wǎng)接口傳給數(shù)控系統(tǒng)。2）動作執(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、氣缸動作等。

2.2.2 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)錨板數(shù)控二次鉆孔自動定位系統(tǒng)的功能要求，設計了軟件實現(xiàn)的流程和思路，測量及控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖10所示，工作模式分為手動和自動兩種。手動模式用于工件試加工，可確定機床加工Z坐標，調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速及Z向進給速度等加工參數(shù)，亦可校準錨板高度、視覺檢測、單獨加工任意孔等；自動模式用于系統(tǒng)調(diào)整好后進行工件自動化檢測與加工。編寫好的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 實驗結(jié)果

完成錨板數(shù)控二次鉆孔自動定位系統(tǒng)機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)各部分的安裝調(diào)試后，先用測量及控制系統(tǒng)軟件手動模式進行相機標定和高度傳感器標定，標定好之后測量觀察錨板錐孔在機床坐標系下的坐標是準確的。

錨板錐孔圓心偏差手動測量方法如下：錨板錐孔移動到測量的機床坐標系下對應的坐標，百分表測頭與錐孔內(nèi)表面接觸，旋轉(zhuǎn)機床主軸一周，讀取百分表最大值dmax和最小值dmin，則錐孔中心測量偏差為

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

表1 QVM15-9TB錨板錐孔中心坐標及偏差 mm

實驗結(jié)果評定的最直觀方法就是用粗、精定位測量的錨板錐孔機床坐標系下的坐標進行現(xiàn)場加工，由加工效果評定實驗結(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?？梢姶侄ㄎ粶y量不能滿足錨板錐孔加工要求，粗、精定位二次測量才能滿足錨板錐孔加工要求。

圖12 錨板加工效果圖

3 結(jié) 論

本文利用視覺檢測技術(shù)，提出了一種錨板多孔自動定位方法。首先，采用大視場小焦距鏡頭相機對錨板多孔進行粗定位；然后，采用小視場大焦距鏡頭相機對錨板單孔逐一進行精定位。并設計開發(fā)了一種錨板數(shù)控二次鉆孔自動定位測量系統(tǒng)。最終進行實驗，結(jié)果表明系統(tǒng)錨板錐孔中心位置測量偏差0.06 mm，且提高了加工效率，達到了現(xiàn)場加工的要求。