刀具編碼的激光自適應標刻技術

徐瑯，何衛平，萬敏*，李衛東，雷蕾

(1.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191;2.西北工業大學 機電學院，西安710072)

刀具是制造企業生產中的核心資源，對刀具的追蹤管理是企業信息化管理的重要環節.為了實現刀具信息能自動準確進行采集，提高刀具管理效率，越來越多企業開始采用激光標刻的編碼對刀具進行管理［1-2］.具體做法是，使用激光標刻機對每把刀具的端面和柱面分別標刻包含該刀具身份信息的二維碼和明碼，通過識讀設備自動獲取刀具二維碼信息，并以明碼信息輔助進而形成雙保險，實現對刀具的全生命周期追蹤管理［3-4］.

然而傳統激光標刻方式存在諸多缺陷.其過多的人為操作過程極大影響了刀具標刻效率，尤其在對焦階段，工人必須不斷調整刀具位置來進行打標試驗以選擇標刻時產生火花最大時的刀具位置作為刀具標刻面對焦位置，該過程需花費大量時間.同時，由于是否對焦全憑人眼判斷，對焦的不準確帶來了標刻質量不穩定的問題.此外，操作工人的身體特別是眼睛不可避免地受到了激光輻射傷害.

近年來，國內外學者在激光標刻機控制系統改進和標刻參數優化方面有很多研究成果［5-13］.其中，秦應雄等［5］和楊澤光［6］通過優化控制算法對激光標刻機的控制系統進行了改進，提高了激光標刻機的標刻效率.邱化冬等［11］、郭永強等［12］和Shidida等［13］通過試驗研究的方法得到了一些材料激光標刻時的優化標刻參量.這些研究對提高激光標刻機的標刻效率及標刻質量有一定幫助，但是它們都未考慮人為操作對標刻過程產生的負面影響，工人身體受到的激光輻射傷害也一直被忽視.

為克服人為操作對標刻過程的負面作用，保護工人身體，有研究者開發出了一種激光飛動標刻系統并開展了相關研究［14-15］.激光飛動標刻與激光靜止標刻不同之處是工作臺由原來的固定工作臺變成了循環運動的傳送帶，多了一個用于檢測工件運動的光電探測器.當工件隨著傳送帶傳送到激光頭下方時，探測器能夠檢測到工件并發送信號指示激光器進行標刻.激光飛動標刻可實現對批量工件的自動標刻，效率較高，但是它無法自適應對焦，所以每次只能對同一型號的批量工件進行標刻.此外，它只能對工件的一個工位進行標刻.對需要進行刀具管理的企業而言，它們要標刻的刀具往往具有不同規格，且需要在刀具2個工位上進行標刻，所以激光飛動標刻還不能解決目前企業在刀具標刻中存在的問題.

針對以上情況，本文提出了一種刀具編碼的激光自適應標刻技術，以實現對批量不同規格刀具2個工位編碼的高效、高質量、無人化標刻.

1 基本裝置及工作原理

為了提高標刻效率并實現無人化，首先確定使用機械手代替人手功能.機械手可以夾持刀具到指定位置進行標刻，通過其手爪的轉動，還能實現刀具端面和柱面2個標刻面的快速切換，所以機械手可以看作是一個智能夾具.相對于傳統標刻方式的兩次裝刀，機械手只需要一次裝刀即可.而對于對焦過程，考慮選用限位裝置來輔助實現刀具標刻面的快速精確對焦.

企業中需要標刻的刀具往往是批量的，標刻時必須逐把標刻，如果刀具被擺放在不同位置等待機械手抓取，復雜性將很高.因此，可將待標刻刀具依次運送到同一位置等待抓取.

最終，綜合使用輸送機、V型塊、光電開關、機械手和收刀箱等裝置(裝置示意圖見圖1)來實現對刀具的自動傳送、自動抓取、自動標刻和自動收集這一整套過程.

圖1 裝置示意圖Fig.1 Schematic of device

整個系統的工作原理如下:首先由輸送機向V型塊傳送刀具，當刀具傳送至V型塊上后，觸發圖1中靠下的光電開關發出信號，令輸送機停止運動，同時指示空載的機械手進行取刀.機械手取走刀具后，會再次觸發該光電開關發出信號使輸送機運動，將下一把刀具傳送至V型塊上.取走刀具的機械手將運動到激光頭正下方，接著向上運動直至觸發圖1中靠上的輔助對焦的光電開關.該光電開關發出信號指示機械手停止運動，同時激光器開啟標刻，標刻結束后激光器發出標刻結束信號令機械手夾持刀具轉動到另一個工位，隨后機械手再次向上運動觸發光電開關，和之前一樣，機械手停止運動，激光器再次進行標刻.第2次標刻結束后，標刻結束信號指示機械手開始下一步運動，即移動到收刀箱上方，并松開手爪將刀具放入收刀箱中，之后機械手沿固定路徑返回初始位置.此時，由于下一把刀具已裝載，而機械手屬于空載，光電開關的取刀信號將使機械手又重復取刀等一系列過程，直至將所有刀具標刻完為止.

2 關鍵技術

激光自適應標刻技術針對的刀具是制造企業中最常見的刀具，這類刀具的規格如下:直徑6～25 mm，長度50～250 mm，質量17～1400 g.

激光自適應標刻技術由多項子技術組成，其中自適應送刀技術、刀具端面快速定位技術和刀具標刻面快速精確對焦技術最為關鍵.

2.1 自適應送刀技術

自適應送刀技術是指將刀具逐把自動傳送到指定位置以等待機械手抓取的技術.

考慮到刀具需在指定位置處放置平穩且便于抓取，選取了V型塊作為裝載裝置，并在其一側設計了方形槽，使機械手能方便地伸入槽中抓取刀具.根據刀具的大小規格，設計了V型塊的尺寸，如圖2所示.所設計的V型塊一方面保證了不同直徑、不同長度的刀具均能平穩裝載，另一方面確保了機械手具有足夠的取刀空間.

圖2 V型塊尺寸Fig.2 Dimension of V-block

為了讓刀具能自動裝載到V型塊上，需選用一定的傳送裝置.往傳送裝置上放置刀具時，單次可放置量越大，需要工人往其上放置刀具的次數就越少，整個系統效果就越好.同時，刀具傳送到V型塊上的過程需足夠平穩.基于以上考慮，采用了輸送機作為傳送裝置，并對其上的傳送帶設計了擋板結構以分離開各刀具.刀具傳送原理如圖3所示，隨著傳送帶的運動，刀具將順著傳送帶上的擋板平穩地滾落到V型塊上.

圖3 刀具傳送原理Fig.3 Principle of tool delivery

根據刀具的規格，完成了對輸送機機架、傳送帶和傳動滾筒的尺寸設計，以及輸送機驅動電機的選型.在完成裝置機械部分的設計后，需要使裝置滿足一定控制功能.

由于每次標刻都是針對一把刀具，輸送機向V型塊傳送刀具時必須是單把傳送.這就要求輸送機具有一定自適應性，即當V型塊上有刀具時，輸送機停止，而V型塊上沒有刀具時，輸送機運動.根據以上分析，V型塊上有無刀具這一信息必須進行檢測并反饋給輸送機.同時，該信息還需反饋給機械手，以指示其是否可以進行取刀.

對固定位置處物體進行檢測常用的方法有接觸式行程開關檢測法和光電開關檢測法［16］.相比之下，光電開關檢測是無接觸檢測，不會影響機械手取刀，故選用了光電開關檢測法.光電開關能根據其發射頭前方有無物體，輸出高、低2種不同電平信號.根據該特點，安裝時將光電開關發射頭正對方形槽中刀具位置放置(如圖1所示)，以實現刀具檢測.

光電開關產生輸出信號后，需要控制器接收并由它根據信號對輸送機和機械手進行控制.該控制需求簡單，本文選用了單片機作為控制器.

自適應送刀工作流程如圖4所示.

圖4 自適應送刀工作流程Fig.4 Workflow of self-adaptive tool delivery

2.2 刀具端面快速定位技術

由于激光標刻機的激光頭標刻區域固定，所以機械手在V型塊上取走刀具后，必須首先保證刀具標刻面能快速定位到激光頭的標刻區域.相對柱面而言，刀具端面面積更小，實現其快速定位尤為關鍵.

考慮到激光頭標刻區域的中心始終處在激光頭的中心線上.刀具端面快速定位原理如圖5所示，所以只要使不同大小刀具的軸線都能快速定位到與激光頭中心線共線的位置，就保證了刀具端面快速定位到激光頭標刻范圍內.

圖5 刀具端面快速定位原理Fig.5 Principle of tool end quick positioning

根據以上分析，只要保證機械手夾持不同刀具時刀具的軸線位置相對機械手保持固定，機械手便可以通過點到點的運動沿統一的路徑將不同刀具快速移動到刀具軸線與激光頭中心線共線位置.刀具被抓取后，其軸線與機械手的相對位置是由機械手的手爪結構決定的.傳統的機械手爪結構如圖6(a)所示，手爪的張合是靠左右兩爪分別繞固定點A和A'的轉動實現，分析可知這類手爪夾持不同大小刀具時刀具軸心O點位置是在直線PQ上浮動的，對機械手而言并不是固定位置［17］.為使不同刀具軸心O點相對機械手固定，必須將O點約束在直線PQ上某一固定點處.

為此，設計了圖6(b)所示機構形式的手爪.其中，手爪的左右兩爪均關于直線BB'上下對稱，手爪的張合靠左右兩爪做相離或相向直線運動實現.只要保證兩爪運動時速率相等，不同刀具的軸心O點都將處在直線BB'與PQ的交點上，而該點相對機械手固定.

圖6 機械手爪對刀具軸心的定位原理Fig.6 Positioning principle of tool axis using mechanical gripper

為實現左右兩爪以相同速率相向相離運動，采用了一種對稱的曲柄滑塊機構，圖7所示為機械手爪運動機構.圖7中的圓代表圓輪，線段CD和C'D'分別代表長度相等的左右連桿，兩連桿分別通過D點和D'點與圓輪相連.設計時，使C點、C'點與圓輪圓心O'點處于同一直線EF上.此外，使線段DD'的中點與O'點重合.這樣，只要約束C點、C'點只能在直線EF上運動，隨著圓輪的轉動，由于兩連桿的對稱關系，C點和C'點將以相等的速率相向或相離運動，圖中V1和V2分別為C點和C'點的速度.

圖7 機械手爪運動機構Fig.7 Motion structure of gripper

根據以上考慮，設計了如圖8所示的機械手爪結構，它由左右V型爪口、左右連桿、圓輪和平面導軌組成.其中，平面導軌起著對連桿端點C點、C'點的約束作用.

圖8 機械手爪結構Fig.8 Structure of mechanical gripper

2.3 刀具標刻面快速精確對焦技術

刀具標刻面在快速定位到標刻區域后，需在豎直方向向上移動去尋找對焦位置.而標刻面的快速精確對焦一直是激光標刻技術中的難點問題.采用機械手夾持刀具進行標刻的方式，在標刻前，利用機械手可使刀具在豎直方向上快速移動去尋找刀具標刻面的對焦位置，這種方式比傳統的工人通過搖動工作臺控制刀具升降去尋找對焦點的方式要高效得多.在刀具的這種快速移動中，使其能快速準確地找到對焦位置非常關鍵.

考慮到激光頭的位置固定不變，距離激光頭一倍焦距的對焦平面也是不變的.根據這個特點，只需在對焦平面的高度方向上設置限位裝置，保證刀具標刻面觸發限位裝置后能立即停止，就能實現其快速精確對焦.

常見的限位裝置包括限位開關和機械擋塊.限位開關分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式限位開關與機械擋塊一樣，需與物體接觸才能對物體限位，非接觸式限位開關則是利用各種不同效應達到非接觸式信號，觸發控制物體限位.采用接觸式限位方式的限位精度很高，但必須占用刀具標刻面的一定區域與限位裝置進行接觸.對刀具端面而言，由于其本身面積較小，若使用接觸式的限位方式，很可能導致其標刻區域的面積不足.為此，在保證限位精度的前提下，優先選用非接觸式限位方式對刀具進行限位.

激光標刻所要求的對焦精度一般要達到0.5 mm.在非接觸式限位開關中，光電開關精度高且響應速度快、抗干擾能力強，理論上和機械手配合后能夠保證刀具標刻面的對焦精度，最后選用了光電開關作為限位裝置.按照要求，光電開關被安裝在距激光頭一倍焦距的位置(見圖1).

光電開關被觸發產生輸出信號后，選用單片機對光電開關信號進行接收，當檢測到信號變化時，單片機便控制機械手停止運動，這樣刀具標刻面便停止在距激光頭一倍焦距的位置，從而實現對焦.圖9所示為刀具端面的對焦原理.同理，刀具柱面也采用該方式實現對焦.

3 樣機的試驗測試

依照設計方案制作了如圖1所示的樣機，以對激光自適應標刻方式的效果進行試驗測試.

隨機選取直徑分別為 7，10，12，8，14 mm 的 5把刀具作為一批，共6批同樣的刀具進行了測試.測試時，使用傳統標刻方式和自適應標刻方式分別對其中一批刀具按 φ7，φ10，φ12，φ8，φ14 mm的順序進行標刻，并對整個標刻過程花費的時間進行計時.為了減小隨機誤差，試驗重復進行了3組.測試結果首先表明，自適應標刻方式穩定可靠，實現了無人化智能標刻的目標.同時，2種標刻方式所使用的時間被記錄在表1中.

表1 標刻使用時間Table1 Time taken by marking s

對比可知，自適應標刻方式在整個標刻過程中花費的時間只相當于傳統標刻方式所花費時間的18%左右，標刻效率比傳統標刻方式的效率提升了4倍多，實現了高效標刻.

此外，由于對焦的精度直接影響著標刻編碼的質量，試驗時還對2種方式下的對焦精度進行了測量和對比.通過對1組試驗中2種方式下各自對5把刀具對焦時的焦距進行測量，得到了如圖10所示的對焦測試結果.由于激光標刻機焦距為182.0 mm，而理論上，對焦精度須保證在±0.5 mm以內，所以圖中繪制的焦距上限和焦距下限分別為182.5 mm和181.5 mm.

圖10 對焦測試結果Fig.10 Results of focusing test

分析可知，傳統的人眼對焦方式穩定性差，且產生的誤差較大，在隨機選取的5次測試中就有3次沒有達到理論對焦精度.而自適應標刻方式的5次對焦穩定性良好，均能滿足精度要求，這從一方面反映出自適應標刻方式標刻編碼的質量會比傳統標刻方式標刻編碼的質量要好.

如圖11所示為2種標刻方式標刻的二維碼效果對比，所列樣本為隨機選取.可以看出，自適應標刻方式所標刻二維碼的質量更加穩定，且對比度更高.

圖11 2種標刻方式標刻的二維碼效果對比Fig.11 Comparison of 2D barcode effects marked by two different marking methods

進一步，對2種方式下標刻的全部二維碼進行了條碼校驗.校驗的結果表明:傳統標刻方式標刻的15個二維條碼中有2個條碼的質量等級為不合格，而自適應標刻方式標刻的條碼質量等級均為合格.這證明了自適應標刻方式確實能有效地提高標刻編碼的質量.

4 結論

1)本文提出的刀具編碼的激光自適應標刻技術在理論上能夠很好地克服傳統激光標刻方式下人為操作造成的負面影響，所制作樣機的測試結果驗證了該技術的可行性和優越性.

2)該技術實現了激光對刀具的高效、高質量、無人化標刻，其應用推廣將大幅提高制造企業的刀具激光標刻效率和標刻質量，有效地保護工人身體.

隨著刀具直接激光標識技術在中國的進一步推廣，本技術將具有更加廣泛的應用前景.

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