為了滿足對(duì)大尺寸，多型號(hào)齒輪的自動(dòng)化倒角加工要求，設(shè)計(jì)一套基于機(jī)器人視覺的齒輪倒角檢測(cè)定位和加工系統(tǒng)。

      本論文主要研究?jī)?nèi)容有：提出一種高精密協(xié)同測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪輪廓的精準(zhǔn)測(cè)量，解決了齒輪輪廓在視覺系統(tǒng)中的定位問題;

      為應(yīng)對(duì)不同型號(hào)的齒輪加工，提出一種手眼協(xié)動(dòng)的標(biāo)定方法，標(biāo)定出視覺系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)的位置關(guān)系;

      推導(dǎo)出在實(shí)際齒輪倒角加工過程中偏心現(xiàn)象和端跳震蕩現(xiàn)象的誤差模型，在機(jī)器人坐標(biāo)系中進(jìn)行糾正，實(shí)現(xiàn)視覺引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行齒輪倒角自動(dòng)化加工進(jìn)程。

      根據(jù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)的倒角加工精度優(yōu)于0.3mm，滿足齒輪倒角行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)要求，對(duì)傳統(tǒng)的齒輪倒角行業(yè)有著重要意義。

      倒角齒輪是傳統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)中最關(guān)鍵部件之一，齒輪在成型工藝中，齒輪的上下端面會(huì)形成許多毛刺，這些毛刺的存在會(huì)影響 后面的齒輪組倒角裝配工藝，直接影響著變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度，傳統(tǒng)的齒輪倒角方式主要還是人工手持著角磨機(jī)對(duì)齒輪進(jìn)行倒角，這樣的加工方式存在著很多弊端。

      比如生產(chǎn)效率低，危險(xiǎn)性高，在加工過程中產(chǎn)生的噪音和有害氣體對(duì)人體的危害也比較大，因此在齒輪倒角的行業(yè)中，實(shí)現(xiàn)齒輪倒角自動(dòng)化的需求越來越高。

      為了滿足齒輪倒角自動(dòng)加工的需求，這里設(shè)計(jì)一套基于機(jī)器人視覺的齒輪倒角檢測(cè)定位和加工系統(tǒng)，利用視覺系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)倒角加工，對(duì)傳統(tǒng)的倒角加工行業(yè)有著重要的意義。




      總體系統(tǒng)組成：齒輪倒角檢測(cè)定位和加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型為四工位環(huán)形輸送系統(tǒng)，如圖3所示。四工位的環(huán)形輸送系統(tǒng)可以分為齒輪上料工位，2個(gè)齒輪輸送工位和齒輪加工工位。


      本系統(tǒng)的總體系統(tǒng)組成可以分為四工位環(huán)形輸送系統(tǒng)，機(jī)器人倒角系統(tǒng)和視覺定位系統(tǒng)，如圖4所示。


      其中，機(jī)器人倒角系統(tǒng)可以分為機(jī)器人本體，旋轉(zhuǎn)電主軸和加工刀具，加工刀具固定在旋轉(zhuǎn)電主軸上，可以隨著不同的齒輪類型進(jìn)行改變，視覺定位系統(tǒng)分為相機(jī)和鏡頭，激光位移傳感器和桁架機(jī)器人。

      其中相機(jī)，鏡頭和激光位移傳感器組成協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)，協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)固定在桁架機(jī)器人上，可以對(duì)待加工齒輪進(jìn)行XYZ三個(gè)方向的立體測(cè)量，加工工位現(xiàn)場(chǎng)裝配圖，如圖5所示。


      加工工位運(yùn)行流程圖：本系統(tǒng)的加工工位流程圖，如圖6所示。首先齒輪從輸送工位進(jìn)行上料，加工工位判斷是否有待加工工件，沒有就等待工件到位信號(hào)，接收到工件到位信號(hào)后，協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)會(huì)對(duì)齒輪工件進(jìn)行誤差圓和端跳的測(cè)量。

      通過測(cè)量的數(shù)據(jù)判斷工件是否滿足安裝的要求，不滿足的工件需要重新進(jìn)行安裝，滿足的條件下，控制系統(tǒng)獲得齒輪輪廓數(shù)據(jù)，再判斷機(jī)器人是否處于待加工狀態(tài)。

      等機(jī)器人進(jìn)入待加工狀態(tài)后，機(jī)器人將進(jìn)行加工，加工完成后，工件流出，等待下一工件，下一個(gè)工件上料后會(huì)再次觸發(fā)工件到位信號(hào)，如此循環(huán)這一流程實(shí)現(xiàn)視覺系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)器人加工的自動(dòng)化進(jìn)程。



      協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)的組成和工作原理：為了滿足對(duì)大尺寸，多型號(hào)的齒輪輪廓進(jìn)行測(cè)量，采用一種協(xié)同測(cè)量的方法進(jìn)行測(cè)量，協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)由相機(jī)，激光位移傳感器和光源組成，如圖7所示。


      協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)工作原理：相機(jī)和光源組成單目視覺系統(tǒng)，單目系統(tǒng)的成像方式是三角投影，可以將待測(cè)齒輪平面的信息轉(zhuǎn)化到像素坐標(biāo)系中。

      這種測(cè)量方式的精度很高，弊端在于缺乏對(duì)深度信息的測(cè)量，此時(shí)添加一個(gè)激光位移傳感器可以實(shí)現(xiàn)和單目系統(tǒng)的協(xié)同測(cè)量，協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)固定在桁架機(jī)器人上，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大尺寸，多型號(hào)齒輪輪廓三維模型的高精度測(cè)量。

      齒輪邊緣輪廓提取：以M19Z35齒輪型號(hào)為例，對(duì)齒輪輪廓邊緣處理，首先對(duì)原始圖像采用高斯濾波器進(jìn)行平滑處理，消除圖像的噪聲。

      然后利用Canny邊緣檢測(cè)算子，對(duì)圖像進(jìn)行邊緣提取的處理，將檢測(cè)出的邊緣進(jìn)行分割，獲得各段在像素坐標(biāo)系下的齒輪輪廓坐標(biāo)，邊緣輪廓提取效果圖，如圖8所示。



      手眼標(biāo)定方法分為眼在手上和眼在手外，本次采用的方法是眼在手外，傳統(tǒng)的眼在手外的標(biāo)定，相機(jī)是固定不動(dòng)，本系統(tǒng)為了滿足多種型號(hào)齒輪的加工，借助著兩個(gè)機(jī)器人(桁架機(jī)器人和ABB機(jī)器人)，相機(jī)可以自由移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)相機(jī)和機(jī)器人在空間多個(gè)位置的協(xié)動(dòng)標(biāo)定。

      以M19Z35齒輪型號(hào)為例，手眼標(biāo)定就是標(biāo)定相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系的位置關(guān)系camHbase，手眼標(biāo)定的工作原理模型，如圖9所示。


      基于視覺機(jī)器人手眼標(biāo)定的閉環(huán)運(yùn)算，得出下式：


      式中：camHcalZ—標(biāo)定板坐標(biāo)系相對(duì)于相機(jī)坐標(biāo)系的位置;

      calHbase—基坐標(biāo)系相對(duì)于標(biāo)定板坐標(biāo)系下的位置。

      采用的標(biāo)定方法是九點(diǎn)標(biāo)定法，選取9個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)，分別建立在像素坐標(biāo)系，標(biāo)定板坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系中，利用最小二乘法來求解它們之間的映射關(guān)系，標(biāo)定出相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系的位姿關(guān)系camHbase。

      九點(diǎn)標(biāo)定法的操作步驟：

      (1)首先對(duì)相機(jī)進(jìn)行內(nèi)外參的標(biāo)定，獲得相機(jī)的內(nèi)參和外參， 標(biāo)定結(jié)果，如表1、表2所示。


      (2)在特制的標(biāo)定板上根據(jù)右手螺旋定則建立標(biāo)定板坐標(biāo)系，如圖10所示。選用特征圓孔的圓心作為特征點(diǎn)，獲得在標(biāo)定板坐標(biāo)系中9組特征點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。


      (3)相機(jī)對(duì)特制標(biāo)定板進(jìn)行拍照，獲得在像素坐標(biāo)系中9組特征點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，兩組坐標(biāo)數(shù)據(jù)一一映射，標(biāo)定出相機(jī)坐標(biāo)系和特制標(biāo)定板坐標(biāo)系的位置關(guān)系camHcal;

      (4)相機(jī)離開，持有機(jī)器人標(biāo)定探針的末端執(zhí)行器在對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定板上面的孔位，利用高清設(shè)備使得探針邊緣和孔位邊緣完全重合，記錄當(dāng)前9個(gè)點(diǎn)在機(jī)器坐標(biāo)系中位置信息，如圖11、圖12所示。



      (5)利用上一步得到9組機(jī)器人的位置數(shù)據(jù)和標(biāo)定板坐標(biāo)系中9組特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一一映射，得出機(jī)器人坐標(biāo)系和特制標(biāo)定板坐標(biāo)系的位置關(guān)系calHbase;

      (6)再根據(jù)上式(1)，閉環(huán)矩陣相乘就可以得出相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人的坐標(biāo)系的位姿關(guān)系camHbase。

      標(biāo)定結(jié)果，如表3所示。用歐拉角表示出相機(jī)和機(jī)器人的位置信息。



      偏心現(xiàn)象誤差模型推導(dǎo)：實(shí)際的齒輪倒角加工過程中，齒輪并不是理想的隨著齒輪中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，而是存在齒輪中心和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心不重合的現(xiàn)象，也就是偏心現(xiàn)象，偏心現(xiàn)象模型原理圖，如圖13所示。其中，O點(diǎn)表示旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中心，O’點(diǎn)表示實(shí)際齒輪中心的位置。


      齒輪偏心現(xiàn)象的糾正方法：以M19Z35齒輪型號(hào)為例，在齒輪輪廓的位置拍攝齒輪輪廓誤差圓的圖像，將齒輪旋轉(zhuǎn)一周，獲得一組誤差圓的圖像。

      誤差圓圖像的個(gè)數(shù)是齒輪的個(gè)數(shù)，取齒輪輪廓齒根圓的圓心坐標(biāo)作為特征點(diǎn)，取像素坐標(biāo)，將齒輪位置對(duì)應(yīng)到當(dāng)前旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)的角度，就可以獲得在像素坐標(biāo)系下的誤差圓數(shù)據(jù)，曲線呈正弦分布，如圖14所示。


      通過圖中反應(yīng)出來的數(shù)據(jù)可以得知，誤差圓數(shù)據(jù)中極值表示誤差圓的直徑R_error，計(jì)算時(shí)需要將像素值轉(zhuǎn)為實(shí)際測(cè)量值。

      根據(jù)誤差圓波谷所在的角度θj和當(dāng)前旋轉(zhuǎn)平臺(tái)所處于的角度θm，就可以獲得當(dāng)前齒輪處于偏心現(xiàn)象的哪一個(gè)位置，通過下式，就可以獲得實(shí)際齒輪中心在機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置。


      式中：cx_0，cy_0—初始的齒輪中心坐標(biāo);x，y—修正后的齒輪中心坐標(biāo)。

      端跳震蕩現(xiàn)象誤差模型推導(dǎo)：在實(shí)際的齒輪加工中，齒輪在旋轉(zhuǎn)過程中，齒輪也不是始終在同一水平面上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，也會(huì)出現(xiàn)端跳震蕩現(xiàn)象，端跳震蕩現(xiàn)象會(huì)對(duì)上下齒輪輪廓的坐標(biāo)位置發(fā)生空間位置的偏移，端跳震蕩現(xiàn)象誤差模型，如圖15所示。

      齒輪端跳震蕩現(xiàn)象的糾正方法：在齒輪邊緣位置處進(jìn)行點(diǎn)激光的端跳測(cè)量，獲得端跳數(shù)據(jù)，如圖16所示。

      上下端面在垂直方向的誤差可以直接通過端跳的實(shí)際差值進(jìn)行補(bǔ)償，主要影響是下端面在水平方向上的差值。


      通過端跳震蕩現(xiàn)象的幾何模型可以得出下端面水平方向的最大偏差error_ max和端跳極值endface存在下式的一個(gè)比例關(guān)系：


      因?yàn)閳D15中ΔOAA’和ΔA’B’B呈相似三角形，從誤差圓數(shù)據(jù)中可以獲得端跳的極值endface，通過端跳數(shù)據(jù)中波谷所在的角度 θk和當(dāng)前旋轉(zhuǎn)平臺(tái)所在的角度θm。

      就可以獲得當(dāng)前齒輪處于端跳震蕩現(xiàn)象的哪一個(gè)位置，根據(jù)下式就可以獲得下端面在水平方向上的偏移量，實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪模型在機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置糾正。


      式中：x_0，y_0—初始的齒輪輪廓坐標(biāo);x，y—修正后的齒輪輪廓坐標(biāo)。


      協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)和手眼標(biāo)定的精度分析：對(duì)高精度協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)和手眼標(biāo)定的精度進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證的方法是在視野中的任意位置放置特制的標(biāo)定板，協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)對(duì)特征點(diǎn)的位置進(jìn)行測(cè)量，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得特征點(diǎn)的距離和實(shí)際的距離驗(yàn)證協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度;

      再將特征點(diǎn)的位置轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系下，帶有標(biāo)定探針的機(jī)器人進(jìn)行探孔，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量的特征點(diǎn)位置和實(shí)際特征點(diǎn)位置對(duì)比，驗(yàn)證手眼標(biāo)定的精度，各取20組數(shù)據(jù)，驗(yàn)證精度，如圖17所示。

      從數(shù)據(jù)中可以得出的結(jié)論，高精密協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度優(yōu)于0.1mm，手眼標(biāo)定的精度優(yōu)于0.2mm，滿足工況條件下的使用條件，對(duì)后續(xù)的齒輪倒角加工有著十分重要的意義。

      齒輪倒角加工效果分析：驗(yàn)證齒輪倒角加工效果是通過取3種不同型號(hào)齒輪進(jìn)行加工，每種齒輪型號(hào)選定20組進(jìn)行加工，將理論倒角大小和實(shí)際平均倒角大小進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，獲得數(shù)據(jù)，如表4所示。


      通過表4的數(shù)據(jù)表明齒輪的實(shí)際加工效果的精度在0.3mm以內(nèi)，滿足實(shí)際的生產(chǎn)工藝要求，現(xiàn)場(chǎng)加工圖和實(shí)際齒輪倒角效果，如圖18、圖19所示。


      (1)提出一種高精密協(xié)同測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪輪廓的精準(zhǔn)測(cè)量，解決了齒輪輪廓在視覺系統(tǒng)中的定位問題;

      (2)為應(yīng)對(duì)不同型號(hào)的齒輪加工，提出一種手眼協(xié)動(dòng)的標(biāo)定方法，標(biāo)定出視覺系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)的位置關(guān)系;

      (3)推導(dǎo)出在實(shí)際齒輪倒角加工過程中偏心現(xiàn)象和端跳震蕩現(xiàn)象的誤差模型，在機(jī)器人坐標(biāo)系中進(jìn)行糾正，實(shí)驗(yàn)表明，加工精度可以達(dá)到0.3mm，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，對(duì)傳統(tǒng)的齒輪倒角行業(yè)有著重要意義。

      參考文獻(xiàn)：略。

      作者簡(jiǎn)介：畢德學(xué)，(1969-)，男，山東濟(jì)南人，博士研究生，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：機(jī)器人與機(jī)器視覺研究;