基于機器視覺的五軸坡口切割機器人控制系統設計

張雪健，毛業兵，楊芳, 胡曉兵

(1. 四川大學，成都 610065; 2. 宜賓四川大學產業技術研究院，四川 宜賓 644600；3. 中國水電建設集團夾江水工機械有限公司，四川 樂山 614100)

0 前言

目前，大型工業設備的加工制造過程，如大型起重機、船舶、大壩主體等，一定會涉及到平板鋼材的焊接加工，而焊接加工最重要的前置工序就是切割。為保證焊接質量，焊接零件邊緣必須切出形狀合適的坡口[1]。目前國內大部分企業的坡口切割仍然處于手工切割或者半自動切割。坡口切割過程的自動化改造，是車間自動化、智能化的重要部分[2]。為了研究坡口切割的智能化改造，該文設計了一種基于機器視覺的五軸坡口切割機器人[3]。這種機器人使用工業相機進行拍照，獲取零件尺寸，依據工程圖紙生成坡口切割要求參數和規劃坡口切割路線，并將獲取的2個零件輪廓進行配準，最終生成加工零件的切割路線[4]。這種坡口切割方式可以保證高效率、高精度、高質量的完成切割作業。

近年來，隨著國內數控技術的發展，五軸數控技術逐漸應用到了坡口切割領域，此外一些新鮮技術，如計算機視覺技術，激光測距技術等，讓坡口切割更加智能化。但是由于機床研究一般屬于涉密項目，國外的研究資料尚未開源，因此國內尚無成熟的自主研發的坡口切割機器人，高自由度坡口切割機器人的開發在國內仍處于起步階段。為了解決這一技術難題，國內有一些高校或企業在進行技術開發，例如哈爾濱工程大學研發出了一臺基于工業CCD和工業結構光的五軸坡口切割機床[5]。該方案利用攝像機捕捉零件邊緣點進行零件輪廓提取，并將輪廓規劃為切割槍頭運動軌跡。此方法在零件輪廓形狀復雜的情況下效率較低。

該文設計的五軸坡口切割機器人的控制系統[6]以3個移動關節和2個回轉關節實現機器人在工作空間內部的任意切割姿態。該文設計的控制系統上位機以C++的MFC模塊和OPENCV視覺庫為基礎[7]，下位機則以PLC控制單位為核心。通過設計上下位機各個功能模塊，進而設計出一個完整的坡口切割控制系統。

該文設計的五軸坡口切割機器人的優勢創新點主要體現在3個方面：①機械結構設計的優勢。目前已有的五軸坡口切割機器人設計方案，大多為極坐標型，機器人關節為全回轉關節，設計實現起來較為復雜。該文設計的機器人結構為直角坐標型，其有2個優勢。首先，采用移動關節+回轉關節的設計方案，可以簡化機器人控制方案的設計。例如機器人移動和坡口切割定位傳統的五軸回轉機器人需要以5個回轉關節同時進行旋轉運動，而該文設計的機器人以簡單的三維直角坐標移動確定，只需要3個移動關節即可。其次，在進行大型零件切割的過程中，坡口切割工作點距離機器人基坐標遠點較遠時，如采用傳統的極坐標型機器人，在坡口切割機器人工作過程中，這個機器人的結構近似為“懸臂梁”，結構不穩定，造成精度的損失。而該文設計的機器人，以直角框架型結構定位零件坡口工作點，避免了“懸臂梁”結構的形成。②零件輪廓提取及修正方式的創新。傳統的零件輪廓提取方式，如圖割法、分水嶺法，一般可以將人類肉眼可識別的目標前景提取，但是在選取過程中需要人工選取部分提取區域，因此無法快速、大量、自動的提取輪廓。哈爾濱工程大學研制出的基于機器視覺的坡口切割機床能夠通過FREE鏈碼進行輪廓跟蹤，去掉部分毛刺、斷點但對于面積過大的異常區域無法識別出。該文針對目前傳統零件輪廓提取方案中存在的問題，提出了一種基于圖像配準的高精度零件輪廓修正方法。首先，從零件工程圖與真實圖像當中提取出零件模板特征點集與待匹配特征點集；其次，對仿射變換模型中的參數進行分解分析，并利用兩圖特征點集中的面積特征與邊緣結構特征構建準則函數；然后，使用改進的遺傳算法搜索2個圖像全局最高相似度所對應的仿射變換參數，在圖像配準之后，再通過計算最優遷移后的模板輪廓點集與待匹配輪廓點集的分段Hausdorff距離來檢測并替換待匹配輪廓中的異常輪廓段。試驗結果表明，該方法能精確、穩定地檢測出待匹配輪廓點集中的異常輪廓段。③運動控制方式的優勢。該文通過深入分析和研究，將復雜的上位機運動控制指令進行簡化編輯，保證運動信息合理分配在報文的數據區內。該文將運動控制信息進行編輯，設計成儲存在一系列連續寄存器內的數字信息，例如將末端切割火焰槍的運動方式設置為01號寄存器，各軸運動方向設計為02寄存器等，并在寄存器內儲存具體的運動信息，然后將所有的寄存器信息進行按照順序的統一發送。這種方式不僅可以節約指令發送時間，縮短控制響應時間，也可以對下位機進行更加準確的控制。此外通過縮短下位機PLC的程序運行時間周期，確保運動指令的時效性。因此通過該文的運動控制方式，可實現機器人較為準確的運動控制。

1 設計方案

對于五軸坡口切割機器人系統的設計包括機械本體設計和控制系統設計兩部分組成。該文五軸坡口切割機器人一般用于大型平板類零件的對接坡口切割，可以用來開V形和X形坡口，如圖1所示。

圖1 坡口形狀

考慮到坡口切割的工作需求，計劃使用五軸四聯動的機械結構方式，由框架式的三移動關節與一個控制末端火焰槍位置的旋轉關節組成四聯動，然后再單獨使用1個旋轉關節控制末端火焰槍槍[8]。末端火焰槍由2個回轉關節控制，一個回轉關節用于固定火焰槍位置，另一個回轉關節則依據坡口切割角度控制焊槍姿態。該文設計的機器人專門采用1個旋轉關節去滿足不同的坡口加工需求，根據機械結構可知，V軸可以實現0°～90°的旋轉，即機器人可實現0°～90°內所有角度的V形坡口切割。此外通過翻轉零件，同理與開V形坡口，機器人也可以實現0°～90°內所有角度的X形坡口切割，如圖2所示。

圖2 開坡口示意

2 機械結構設計

機器人機械本體具有5個自由度，可以在機器人作業空間內實現任意姿態的坡口切割作業，如圖3所示。其中：X,Y,Z為3個作直線運動的移動關節，U,V為做旋轉運動的回轉關節。各個關節由關節電機驅動。

圖3 五軸坡口切割機器人機械本體

3 控制系統整體設計

五軸坡口切割機器人的控制系統方案如圖4所示[5]。控制系統包括上位機、下位機和工業相機3部分。其中上位機主要是PC端[9]的軟件部分，包括圖像采集模塊、工程圖讀取模塊、圖像處理模塊、軌跡計算模塊、通訊模塊和運動控制模塊。上位機主要是進行數據的采集、收集、處理、發送及通過界面進行人機交互。下位機主要是由PLC控制單元和電路模塊構成的硬件部分。下位機主要負責執行上位機發送的指令信息，對機器人機械本體各關節電機發送相關運動指令。工業相機主要是用來對加工零件的拍照，然后進行圖像采集和處理，進而生成可以進行輪廓提取與匹配的零件圖像信息。

圖4 五軸坡口切割機器人控制系統方案

4 控制系統具體設計

4.1 控制系統上位機

4.1.1圖像采集與處理部分設計

五軸坡口切割機器人的圖像采集與處理部分主要由圖像采集模塊、工程圖讀取模塊和圖像處理模塊3個模塊組成。

圖像采集模塊主要是要獲取待加工零件的形狀尺寸，生成可以與工程圖進行匹配的誤差小于+/-0.5 mm的照片。圖像采集主要分為2部分，一部分是多次拍照，另一部分就是對這些照片進行整合和拼接，形成完整的代加工零件照片。使用海康工業相機進行拍照，由于坡口切割作業過程中坡口切割車間和坡口切割零件的光線不可控，而且在坡口切割作業過程中已出現影響拍照質量的雜質，因此進行一次拍照可能無法獲取完成的圖像信息，因此需要進行多次拍照，獲取不同相機位置的零件信息。圖像拼接(圖5)采用基于surf特征的圖像拼接技術[10]。基于surf的圖像拼接技術主要是對每幅圖像進行surf的特征點的提取，然后對于特征點進行匹配，匹配完成后計算透視變換矩陣，然后將圖像拷貝到另一幅圖像的指定位置。

圖5 圖像拼接流程圖

工程圖讀取模塊主要是由設計人員設計繪制的加工零件標準圖紙。加工圖紙一般由Solidworks或者Auto CAD繪制[11]，該文選擇的是無加密的DXF文件格式。對于待加工的DXF文件，首先有按照圖6流程進行讀取。讀取完成后，由于圖像本身激素二值化圖像，因此無需圖像預處理和邊緣提取。只需要通過邊界跟蹤算法和輪廓拓撲結構分析即可挑選出目標輪廓。

圖6 DXF文件讀取流程圖

圖像處理模塊主要是由2部分組成，第1部分是針對于由圖像拼接生成的零件全景照片進行預處理、圖像形態學處理、邊緣提取、輪廓提取[12]，第2部分是針對于由零件全景照片提取出來的輪廓和由DXF文件獲取的零件輪廓進行圖像配準(圖7)[13]，進而生成代加工零件的坡口切割路線，具體的操作流程如下圖所示。在圖像處理模塊中，圖像配準是最為重要的部分。

圖7 圖像配準流程圖

4.1.2上位機、下位機通訊部分設計

通訊模塊設計主要是對上位機PC端和下位機PLC端的信息傳遞方式進行設計規劃。機器人通過上位機PC端進行數據的計算，然后下位機執行命令。該文下位機采用西門子S7-200 SMART PLC，其具有多種通訊方式并內置多種通訊協議。綜合考慮研發和生產成本，采用其內置的RS485串行通訊結構，并采用工業領域較為成熟的MODBUS協議完成信息交換[14]。PLC1作為主站、PC機和PLC2作為從站，由主站PLC按照20 ms控制周期定時讀寫從機，PC機作為從機主要功能為計算數據將數據放入保持寄存器內等待主站PLC的訪問，再整理為Modbus報文格式應答主站PLC，完成信息的交換。

4.1.3軌跡計算與運動控制部分設計

軌跡計算模塊主要是講圖像處理后生成的零件輪廓點集轉換為三維位姿點集，用于描述機器人末端位姿軌跡。由機器人正、逆運動學，通過機器人末端位姿點集逆推出機器人各關節的關節變量[15]。

運動控制模塊主要是對由軌跡計算模塊計算生成的機器人各關節變量進行運動指令編輯，進而生成可以進行上下位機間通訊的指令信息。機器人在完成一整套切割流程時機器人需要配合多個模塊穩定完成多個功能動作，這個過程中上位機的命令編輯就發揮了巨大作用，對于不同功能，上位機都設定有不同編碼，不同的數據存放類型，保證切割過程有序進行，指令整理之后還需要放入Modbus報文中的聚居區整合為標準Modbus協議格式發送，即可完成指令發送過程。該文設計的運動控制指令基于Modbus報文的格式，具體的運動指令保存方式見表1。

表1 運動指令保存方式

寄存器01中的指令碼是該文滿足機器人功能需求，模仿Modbus報文格式設定的一個數據位，不同的指令碼對應不同的機器人功能表2描述了各功能碼對應的意義。

表2 指令碼對應操作

當識別到同功能碼上位機就會進入不同的工作狀態，對后續指令的處理和通信時序都會發生改變。這在后文將詳細介紹。X,Y,Z點動與U,V軸點動功能碼不同，這是因為下位機處理XYZ與UV軸點動信號的方法不同，XYZ軸由主站PLC控制而UV軸由從站PLC控制。

4.2 控制系統下位機設計

4.2.1PLC控制單元設計

五軸坡口切割機器人的PLC模塊選用西門子S7-200SMART PLC控制器進行邏輯控制。該控制器具有控制穩定，邏輯簡單，運動控制實現方便的優點[16]。單個PLC可進行三軸的運動控制，故選用2個PLC以主站加從站的形式進行布置。PLC的通訊是基于MODBUS協議的。在整個機器人的工作過程中，全局圖像的采集是由PLC主站完成，其余所有的功能都是由PLC主站和從站共同完成。主站PLC承擔著全部控制系統的信息傳遞，其不但要和上位機PC端進行通訊，還要與從站PLC進行通訊，而且三者的硬件是互通的，如圖8所示。

圖8 PLC控制單元控制方案

4.2.2機器人電路模塊設計

五軸坡口切割機器人為了保證零件切割的精度，除圖像采集與處理模塊生成的輪廓點集的準確之外，控制系統精確的位置控制也是關鍵。交流伺服電機和直流伺服電機在運動控制方面已經被廣泛使用。伺服系統在啟停特性、加減速特性、振動特性、響應速度等方面具有顯著優勢。故在“滿足控制要求”的原則下，X,Z,U,V軸的關節電機選用直流伺服電機，Y軸由于負載較大，選用交流伺服電機。

4.3 機器人控制系統驗證試驗

根據以上控制系統的上位機、下位機部分的軟、硬件設計方案和相機選型，搭建出五軸坡口切割機器人的試驗系統，驗證該文提出方案的可行性，所以末端用激光代替火焰，當激光照射在零件表面會有直徑2 mm類圓形光斑，在試驗平臺運行過程中，光斑就會沿零件邊緣移動，光斑的軌跡即代表火焰的切割點，為體現該文方案的可行性就將光斑的運行軌跡描繪出，為捕捉光斑的軌跡該文使用延時拍攝的方法，其效果如圖9所示，紅色的軌跡便是激光走過的路徑，可以從圖中看出光斑軌跡與零件的邊緣輪廓大致重合，即證明該文提出的運動控制方案可行有效。此外通過試驗系統驗證可得，試驗過程中，控制激光(模擬控制火焰槍)進行切割的V軸始終保持著一定的角度并與待加工零件的坡口切割工作面垂直，如圖10所示。因此可以說明在工作條件一定的情況下，可以通過設定具體的切割角度去滿足不同需求下的坡口切割作業要求。由于該文的研究只進行到試驗室試驗臺系統下的模擬試驗，因此具體的切割達標情況需要在生產現場進行實地試驗進行驗證。

圖9 五軸坡口切割機器人系統試驗圖

圖10 運動過程V軸位置圖

5 結論

從五軸坡口切割機器人控制系統整體結構設計出發，分別從上位機和下位機模塊進行機器人控制系統的設計。該文設計出了以OpenCV和VS2015為基礎框架的上位機模塊和以西門子S7-200smartPLC為核心的下位機模塊。然后通過試驗臺模擬試驗，一定程度上證明了機器人控制系統設計的合理性。