摘要：本（běn）文是對五（wǔ）軸數控刀片周（zhōu）邊磨床的調試工作的一（yī）個小結，通過對機械手附加第五軸的各偏移參數的測量方法的描述，對機械手從料盤中自動（dòng）獲取刀片的程序流程的簡（jiǎn）要說明，進一步說明了C C D攝像頭在實際中（zhōng）的巧妙應用。將複雜問題進一步的簡單化，解（jiě）決（jué）現場不易解決的問題，為機床的其他調試和試切試驗贏得了寶貴的時間。

      在五（wǔ）軸數控刀片磨床上（shàng）， 為了從料盤（pán）中取出（chū）刀片，並準確裝夾到數控機床上進行磨削加工；另外將機床上已經加工好的刀片完整地放回到料（liào）盤的原始位置，采用了三菱R H － 1 2 S D H8535四軸水平關節式機器人（機械手），附加第五軸驅動氣爪及吸盤來進行刀片的自動上、下料過程的傳送工作。由（yóu）於小刀片在料盤中的放置是隨機（jī）的，因此在用機械手從料盤中取刀片的過程中，需要準（zhǔn）確（què）知道刀片在料盤中的放置位置和角度。為了解決這個問題，采用了邦納C C D攝像頭來完成。三菱機械手控製器，邦納C C D和數控機（jī）床(采用Fa g o r8070數控係（xì）統)通過（guò）一個路由器組成一個局域控製網絡，以機械手控製器作為服務器，其他作為（wéi）客戶機來完成各種數據的交換。
 

     1. 局域（yù）網絡的連（lián）接和通訊設定

     （1）局域網絡的連接：該局域網絡采用了路由器（qì）掛接三菱機械手（shǒu）控製器、邦納C C D相（xiàng）機控製（zhì）器（qì）、發格（Fagor）數控係統，甚至也（yě）可以連接多台觸摸（mō）屏和多（duō）台電腦共同組成。連接示意圖如（rú）圖1所示。

          圖1 局域網絡的連接

     （2）通信地址的設定（dìng）：設定（dìng）各控製器（qì）的網絡IP地址（zhǐ）（見表（biǎo）1）。

     2. 第五軸的結構

     三菱機械（xiè）手上附加第五軸由C C D相機、兩個爪（氣爪）、一個（gè）電磁（cí）吸盤、內裝鬆下伺服電動（dòng）機及箱（xiāng）體組成（chéng）（見圖2）。附加第五軸（附加軸L1軸）通過聯軸器和三菱機械手的第四（sì）軸Z/C軸連接（Z軸相（xiàng）機上下、C軸相機旋轉）。伺服電動機內裝絕對值編碼器，控製爪（zhǎo）1、爪2及電磁吸盤的旋轉，由機械手控製器內程序控製，可編程。設置為旋轉－90°、0°、90°。在 CCD照相之時，電磁吸盤旋轉到向下的（de）位置，保證相機（jī）不被阻擋，並能對料盤上（shàng）的刀片取得清晰的影像，便於對影像（xiàng）進行數字化處理 。

      圖2 第五軸的結（jié）構
     1.氣爪爪2 2.氣爪爪1 3.CCD相機4.第四軸C軸 5.聯軸器6.第五軸箱體（內裝伺（sì）服電動機）7.電磁（cí）吸盤（pán）

      3. 用CCD相機的照相（xiàng）數字化

   
     結果來校正CCD相機（jī）的安裝角度實際上就是要調整好C C D的坐標係和機械手坐標係之間的關係。具體（tǐ）的調整（zhěng）步驟如下：
 
    （1）將第五軸大概調整，使得照相機坐（zuò）標係和機械手坐標係在感覺上（shàng）差不多平行（相機位置粗調）。
    （2）在機械（xiè）手下方的料盤上放置一個標準量塊，長度300m m。再在機械手（shǒu）的第五軸上固定一個（gè）百（bǎi）分（fèn）表，移動機械手的Y軸，移動長度盡可能的接近標準量塊的（de）長度；首先從左向（xiàng）右移動，在移動的過程中根據百分表指示，微量調整量塊的位置（zhì）；通過機（jī）械手多次往複的移動和微量調整量塊（kuài）位置，使得達到標（biāo）準量（liàng）塊麵和機械手坐標係平行度在0.02/300 m m之內。注意（yì），現在量塊的位置很重（chóng）要，不（bú）得觸（chù）動和碰撞、移動。
     （3）用安裝在第（dì）五軸上（shàng）的邦納C C D攝像頭對著標準量塊（kuài）照相（xiàng）。打開電腦上安裝的C C D 專用軟（ruǎn）件後，用機械手的手持單元移動機械手Z軸，調整好照相（xiàng）機的高度；移動X、Y軸，調整好相機位置，使得在電腦（nǎo）屏幕上可以清晰看到標準量塊的影（yǐng）像；按下C C D的專用軟件的（de）軟快門，對量塊進行照相。對剛照相的照（zhào）片進行數字化處理後，可（kě）以得（dé）到照相機坐標係和量塊之間的夾角值。將機械手操作設置（zhì）為手（shǒu）動方式，用手持單元操作第四軸C軸，使得C軸旋轉一個角度，剛好等於或者接近上麵找到的照相機坐標（biāo）係（xì）和量塊之間的夾角。請注意，轉（zhuǎn）動旋轉軸C軸（zhóu）時要確認旋轉方向（xiàng）不要搞錯。
    （4）這時，機（jī）械手坐標係和相機坐標係之間已經基（jī）本平行。記錄這時的機械手（shǒu）的第四軸的當前C坐標值。（這個值在後麵要用到，而且極為重要。）我（wǒ）調整的結果是（shì）C=103.72°，此時照（zhào）相機坐標係和（hé）量塊之間的夾角值等於0.1°。

     4. 通過CCD來測定第（dì）五軸安裝偏移尺寸

     第五軸裝配完成之後，由於製造和裝配原因，不可能使得（dé）C C D相機的鏡頭中心、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（jù）離偏差（chà）由（yóu）於第五軸（zhóu）的箱體結構不（bú）規則無法準確測量。為了這幾個尺寸（很（hěn）重要，後麵算法中要用（yòng）到），曾測量過多次（見圖3），但獲得的值都不同，
測量誤差很大（dà）；用多次（cì）測量求平均（jun1）值法，效果也不理想。

     圖3 第五軸相關尺（chǐ）寸的測量
     電磁（cí）吸盤向下，仰視圖）

      
     圖4 吸盤中心到（dào）C軸中心偏移值測量模型
   1.旋轉前電磁吸盤中心位置2.旋轉後電磁吸盤（pán）中心位置3.平移前C軸中心位置 4.平移後C軸中心位置5.機（jī）械手坐標係原點
 
 

    （1）利用坐標旋轉，測量和計算電磁吸盤中心（xīn）到Z/C軸中心的坐（zuò）標偏移值。測量（liàng）原理和測量計算過程：在料盤上放置一個和電磁吸盤（pán）直徑等大的標準圓形量塊，移動機械手坐標，將電磁吸盤精確對準測量塊，（C軸位置（zhì）3，電磁吸盤位（wèi）置1），記（jì）錄此時的X0、Y0、Z0及（jí）C0坐標值。然後將機械手Z軸稍高一些，任意方向旋轉C軸後（C軸位置3，電磁吸盤位置2），再將（jiāng）電磁吸盤精確對準測量塊（C軸位置4，電磁吸盤位置1），記錄此時的X1、Y1、Z1及C1坐標值（zhí）。測量和算法模型如圖4所示：吸盤中心到C軸中心偏移值測量模型（模型以機械手坐標係定義為準）。通過下麵的計算得到電磁吸盤中心到C軸中心的偏移（yí）值X、Y。首先計算電（diàn）磁吸盤中心到C軸中心距離（lí）r(旋轉半徑)：

    其次計算磁吸盤中心到C軸中心（xīn）的偏移（yí）值X、Y

    計算結果就是（shì）圖3中的c、d尺寸。機械手的旋轉中心是C 軸中心。在測量中（zhōng）， 電磁吸盤直徑d=25 m m，采用標準圓形量塊直徑d '=24.78 m m。將標（biāo）準測量塊（kuài）放置到料盤中（zhōng），移動機械手的C=103.72（上麵的測（cè）量值（zhí）），然後移動並精確定位X、Y、Z、C坐（zuò）標，使得電（diàn）磁吸盤和標準量塊外（wài）圓周邊等（děng）距（jù），有經驗的（de）操作工或者裝配工可以做的很精確，大約0.02 m m之內。從手持單元麵板上可以直接得到當前的X、Y、Z及C的坐標值。

    （2）利（lì）用C C D測量電磁吸盤中心到C C D相機鏡頭中心的偏（piān）移值。在料盤中放置標準圓形量塊，調整C軸角度C=103.72，確（què）保相機（jī）坐標係和機械手坐標係平行（háng）。移動機械手坐標軸X、Y、Z，使得電磁吸盤和標準圓形量塊幾乎重合（越精確越好），讀（dú）取此時的X0、Y0、Z0及C0坐標值，並記錄備用。啟動C C D相機專用軟件後（hòu），移動機械手使得在（zài）筆記（jì）本電腦的屏（píng）幕上可以清晰地看到刀片的影像後（hòu），按動相機（jī）軟件中的軟快門進行照相。通過影像的數字（zì）化處理，可以得到量塊中心到影像中心（xīn）的坐標偏差值d x、d y(相機坐標係和機（jī）械手坐標係不同，需要（yào）將d x、d y值互換，請注（zhù）意)。讀取當前的機械手的坐標X1、Y1、Z1及C1值（zhí），計算得到電磁吸盤中心到CCD相機鏡頭中心的偏移值
 

   （3）計算照相中心（xīn）到C軸中（zhōng）心的坐標偏移值。由於上麵已經得到了相機中心到電磁吸盤中心的坐（zuò）標偏移值，因此很容易得（dé）到照相中心到C軸（zhóu）中心的坐標偏移值。也就是
圖3中的a、b尺寸

     5. 用CCD相機處理料盤（pán）中刀片的位（wèi）置和方向

     通過C C D照相並數字化處理，將料盤中的刀片（piàn）位（wèi）置和放置方向數據提交到機械手控製器，通過機械手控製器中運（yùn）行的程序進行數據處理、坐標（biāo）變換後，轉換為機械手的
坐標值（zhí），以便機械手能準確移動到刀片位置進行精確抓取（qǔ）。C C D 照相機對影像進行數（shù）值化處理，輸（shū）出刀片中（zhōng）心到（dào）料盤碼垛（duǒ）坐標的中心（xīn）偏移值dx、dy，同時輸出在（zài）料盤中的刀片放置時的最大影像半徑（jìng）處的刀片頂（dǐng）點（diǎn）坐標值（x，y），照相並影像數字化處理成（chéng）功（gōng）/失敗的標誌，如果照相失敗則重新照相。通過網絡數據輸入，將數據傳送到機械手控製器中運行程（chéng）
序（xù）中，通過計算可得到刀片放置角度α。首先將C軸旋轉一個角度α，並計算出C軸旋（xuán）轉角（jiǎo）度α後吸盤中心到C軸中（zhōng）心的偏移值（zhí）（m d d x、m d d y），所有的計（jì）算都是矢量計算，包含有（yǒu）坐標方向。其次機械手移動一個偏移值，即

     這樣處理以後，電磁吸盤在從料盤碼垛位置取刀片時，就能精確吸取刀片。這種算法適合國標G BT2076－1987中規定（dìng）的全部刀片的（de）抓（zhuā）取以及部分非標刀片的抓取。通過機床實（shí）際試驗，電磁吸盤從料盤上取得刀片的實際偏差在0.1 m m之（zhī）內（nèi），基本上能保證正常的自動上、下料要求。

  
    6. 機械手自動從料盤中取刀片的程序流程

    機械手控（kòng）製程序流程（chéng）如下：
 
   （1）設定當前的刀（dāo）片的碼垛位坐標，並計算出相（xiàng）應的照相位坐標。
   （2）機械（xiè）手移動到（dào）當前碼垛（duǒ）的照相位（wèi），進行照相。
   （3）照相影像數字化處理，輸出（chū）結果，並（bìng）通過局域網絡發送（sòng）到（dào）機械手控製器。
   （4）程序接收照相二值化處理結果（guǒ）數據，計算（suàn）當前（qián）碼垛位上的刀片中心坐標和刀片的放置方向(角（jiǎo）度α)。
   （5）計算機械手C軸旋轉之後吸盤的偏移值。
   （6）機械手旋轉C軸，並移動X、Y坐標（biāo），電磁吸盤移動到刀片中心抓（zhuā）取刀片。

     機械手從料（liào）盤中抓取刀片的實例：在機械手控製（zhì）器上，選擇自動工作方式，選擇測試程序，按程序執行鍵（當然料盤上碼垛定義點已經手動（dòng）采集（jí），具體采集方法（fǎ）參看三
菱（líng）機械手相關資（zī）料），查看電磁吸（xī）盤抓取刀片的情況。下（xià）麵圖5、圖6及圖7是（shì）機械手從料盤（pán）中抓（zhuā）取刀片的實例。

          
        圖5 機械手（shǒu）向刀片中心位（wèi）置移動

     
      圖6 電（diàn）磁吸盤正在吸取刀片

        
       圖7 電磁吸盤吸取（qǔ）刀片的效果
 
 
     7. 結語

     在對機械手調試過（guò）程（chéng）中，通過C C D攝像頭照相/影（yǐng）像處理，巧妙地解決了人工（gōng）無法測量的幾（jǐ）個關鍵尺寸，解（jiě）決了刀（dāo）片抓取的精度問題。在試驗（yàn）的過程中（zhōng），隨機（jī）放置三刀片、正方形（xíng）刀片及菱形刀片等，均能準確找到（dào）刀片的放置角度和中心點，測（cè）試效果備受鼓舞，為機（jī）床（chuáng）的全麵調（diào）試和（hé）試切（磨削）贏得寶貴時間，獲（huò）得領導和同仁的一致好評。