一种刨床加工自动化生产线机械手控制系统及方法

技术领域

本发明涉及自动化控制技术，具体涉及一种刨床加工自动化生产线机械手控制系统及方法。

背景技术

工业智能设备是新型智能制造领域重要的组成部分。在工业自动化生产线中，智能机械手运动灵活，响应速度快，能够手动控制或自动完成对机床零件的快速定位和抓取操作，是新一代智能制造工业领域最为广泛的自动化设备之一。

在龙门刨床生产电梯导轨过程中，为了保证导轨品质，提高生产效率，需要将多根导轨原料同时放置在龙门刨床上并行加工，但是会出现个别导轨原料弯曲度不符合加工要求，以及现有刨床在原料加工完成后不能分类下料，导致加工效率低，且易产出残次品。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种刨床加工自动化生产线机械手控制系统及方法以解决龙门刨床并行加工导轨时弯曲度不合格易出残次品的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

提供一种刨床加工自动化生产线机械手控制系统，所述控制系统包括：

图像传感器，用于获取作业刨床中多个并行轨道的导轨图像；

图像存储模块，用于存储所述导轨图像；

图像边缘检测模块，用于检测处理后的所述导轨图像峰值和弯曲度；

电源模块，用于驱动所述控制系统；

六个舵机，分别用于驱动所述机械手；

程序模块，用于处理及控制所述控制系统；及

数据发送器模块、数据接收器模块、USB转串口下载模块与STM32最小系统；

所述控制系统通过所述数据发送器模块发送指令给所述数据接收器模块，所述数据接收器模块接收数据控制所述舵机的PWM信号的脉宽，驱动不同所述舵机带动所述机械手运动，以抓取刨床轨道上的导轨。

更近一步地，所述电源模块包括5.5V电源稳压模块、5V电源模块及3.3V电源模块；

所述5.5V电源稳压模块通过可充电7.4V锂电池供电口添加一个能将所述7.4V电压调整到所述舵机电压值为5.5V电压的调压稳压电路。

更近一步地，所述PWM信号由所述数据接收器模块的接收通道进入信号解调芯片BA6688L的12脚，输出周期为20ms、脉宽在0.5ms到2.5ms之间的PWM波，所述脉宽占空比设定小于16.66%。

更近一步地，所述数据发送器模块通过无线方式发送指令数据给所述数据接收器模块，所述数据接收器模块与所述STM32最小系统连接；

所述指令数据由DI/DAT口传输给所述STM32最小系统的主控芯片的PB13口，随后由所述主控芯片进行数据处理；DO/CMD接收所述主控芯片应答信号，表示已接收完数据；

所述数据接收器模块接所述STM32最小系统的PB9口，所述PB9口用作输出时钟信号，且与所述数据接收器模块同步数据传输。

更近一步地，所述USB转串口下载模块选用CH341芯片作为转接器，USB到所述CH341芯片的数据传输通过D+和D-信号线实现，经过所述CH341芯片转换后的下载串口通过TXD、RXD分别接所述STM32最小系统的UIRX、UITX引脚，同时分别对应读与写功能；CH341芯片工作时钟由XT12M晶振提供；电路中滤波电容C10的容值为0.1μF。

更近一步地，所述图像存储模块选用W25Q64存储芯片作为机械手初始位置信息存储器，所述W25Q64存储芯片容量为64M，支持2.7～3.6V工作电压，且通过SPI总线接4根信号线到所述主控芯片完成通信。

更近一步地，所述程序模块包括：

数据读取模块，用于接收或发送数据；

PWM波生成模块，用于生成所述PWM信号；

舵机控制模块，用于控制所述舵机；

延时模块，用于实现按键消抖；及

图像处理模块，用于处理所述导轨图像；

所述延时模块程序设置延时时长为300ms，所述舵机控制STM32的I/O口输出所述PWM信号；利用定时器将I/O口电位每隔一段时间便进行翻转，从而输有指定脉宽所述PWM信号；所述舵机控制信号的周期为20ms，在20ms内依次对六个所述舵机输出所述PWM信号。

更近一步地，所述数据读取模块要读取或发送数据时，CS控制电平被拉低，并且在时钟下降沿完成数据发送与接收；接收器通过DI引脚向所述STM32最小系统发送串行数据；

所述舵机控制模块依次对六个所述舵机按照顺序进行控制；首先，判断是否检测到第一个舵机指令；其次，当判断到有第一个舵机接收指令时，改变第一个所述舵机的所述PWM信号脉宽值并进入循环判断，如果脉宽值未达到目标值则继续加或减，满足要求后通过串口发送第一个所述舵机的控制信息；随后，改变第二个所述舵机的所述PWM信号脉宽值并进入循环判断，原理同第一个所述舵机；最后，当所有六个所述舵机信息都发送完，程序返回主程序；六个所述舵机将上述步骤循环操作六次；自动控制程序能够进行循环判断自动控制变量的变化大小。

更近一步地，当所述控制系统检测到对应输入数据，进入选择语句选择要进行控制的对象，即不同舵机所对应的所述PWM信号脉宽数据位；

程序判断所述按键是否被按下及所述按键时值，对应所述时值改变所述PWM信号脉宽值与所述舵机的位置信息，并将所述舵机控制模块的信息通过串口进行发送。

提供一种刨床加工自动化生产线机械手控制方法，所述方法使用如上所述的刨床加工自动化生产线机械手控制系统，所述方法包括以下步骤：

S1图像采集，用图像传感器获取作业刨床中多个并行轨道的所述导轨图像；

S2图像存储与输出，将所述图像传感器连接所述图像存储模块用于用于存储及输出所述导轨图像；

S3图像预处理，用所述程序模块预处理所述导轨图像，包括消除背景噪声及二值化处理两个步骤；

S31消除背景噪声，在图像去噪中，采用全变差滤波器，相比于中值滤波它具有更好的图像平滑性能；

S32二值化处理，为增强检测性能，采用自适应阈值对去噪后图像进行二值化处理，便于消除与所述导轨图像主要信息无关的数据；

S4图像形态处理，为获得所述导轨图像中清晰的导轨边缘直线轮廓，采用相比于Roberts算子性能更好的Canny算子进行图像平滑和噪声抑制，包括区域定位与分割及图像归一化两个步骤；

S41区域定位与分割，对所述导轨图像进行预处理之后，对多个并行加工导轨进行区域定位与分割，这里采用跳变次数法进行区域定位，将二值化处理过的所述导轨图像进行行扫描和列扫描，从而确定所述导轨图像的上下边界；

S42图像归一化处理：为了统一所述导轨图像的大小，提高检测的成功率，对所述导轨图像进行归一化处理；

S5图像边缘检测，用图像边缘检测模块对处理后的所述导轨图像进行检测，包括图像峰值检测及弯曲度计算两个步骤；

S51图像峰值检测，确定峰值点位置，再根据公式(1)计算弯曲度，进而判断是否超过阈值门限，

S52弯曲度计算，假设所获取的图像像素为

S6检测结果输出，根据公式(1)至公式(3)可得各导轨弯曲度，判断与弯曲度阈值比较确定是否需要进行异常处理。

本发明的有益效果是：

本发明的刨床加工自动化生产线机械手控制系统以STM32F103C8T6为最小系统，系统借助数据发送器通过无线方式传输数据到接收器，经过单片机处理后生成不同控制PWM信号的脉冲宽度，驱动舵机带动不同机构进行运动，不仅能够实现机械手抓取刨床自动化生产线对中装置导轨功能，还具备对并行加工导轨原料弯曲度实时监测功能，降低了人工劳动强度，提高了操作安全性和生产率，实现生产过程自动化，可靠性高，工作稳定,具有较好的应用价值和市场前景。

附图说明

图1为本发明的刨床加工自动化生产线机械手控制系统的方框图；

图2为本发明的电源模块5.5V稳压电路图；

图3为本发明的电源模块5V稳压电路图；

图4为本发明的电源模块3.3V稳压电路图；

图5为本发明的舵机驱动模块电路图；

图6为本发明的数据接收器模块电路图；

图7为本发明的USB转串口下载模块电路图；

图8为本发明的存储模块电路图；

图9为本发明的主控模块最小系统电路图；

图10为本发明的程序模块组成框图；

图11为本发明的延时程序流程图；

图12为本发明的PWM波产生程序流程图；

图13为本发明的信号接收器读取无线数据程序流程图；

图14为本发明的舵机控制程序流程图；

图15为本发明的机械手工作平台示意图；

图16为本发明的导轨弯曲度检测模块组成框图；

其中，附图15中，1为舵机；2为导轨弯曲度检测模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。此外，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的应用和/或其它材料的使用场景。

本发明提供了以下优选的实施例：

一种刨床加工自动化生产线机械手控制系统系统，系统包括5.5V电源模块、5V电源模块、3.3V电源模块、舵机驱动模块、存储模块、数据发射与接收器模块、USB转串口下载模块、STM32最小系统。系统通过数据发送器发送指令给数据接收器，接收数据控制PWM信号脉宽，驱动不同舵机带动机械手运动，实现机械手抓取刨床轨道上的导轨。

更近一步地，所述5.5V电源稳压模块通过可充电7.4V锂电池供电口添加一个能将7.4V电压调整到舵机驱动电压值5.5V电压的调压稳压电路。采用输出电压可调XL4015稳压芯片。XL4015稳压芯片具有无级平滑调压特性，且可调输出电压范围从1.25V到32V。电容CIN=220μF，用于避免出现大瞬态电压。电容COUT=330μF/25V，用于减小输出纹波电压。电容CC、C1、C2取值均为1μF，用于滤波或高频去耦合。遏流线圈电感L1=47μH。下拉电阻电阻RF=1KΩ接地，控制电机的稳定性。

更近一步地，所述电源模块提供5V电源稳压模块。采用SPX5205M5-L-5.0芯片，该芯片具有瞬态响应快、输入电压范围宽、静态电流低、噪声低的特点。该芯片具有保护电池的反向放电电子器件，能够防止电池颠倒自保功能，能够限制电流偏大以及温度过高等不良状态，保证系统正常工作的安全性。滤波电容C51、C52取值为0.1μF。

更近一步地，所述电源模块提供3.3V电源稳压模块。该模块采用SPX5205M5-L-3.3V的稳压芯片接线，在输出口接C33电容，实现滤波并清除高次谐波，保证输出电压平稳。滤波电容C31、C32、C33均取值0.1μF。

更近一步地，所述舵机驱动模块的PWM波由接收通道进入信号解调芯片BA6688L的12脚，输出周期为20ms，脉宽在0.5ms到2.5ms之间PWM信号。脉宽占空比设定小于16.66%，由于每20ms周期内需要控制6个舵机，故每个舵机最多占用3.3333ms。而为实现舵机能够旋转到180度，设定单个舵机控制时间内为2.5ms，最终占空比限制在2.5%到12.5%之间。

PWM信号和以5K电位器实际电压为基准脉冲进行比较，得到脉冲信号驱动电机。解调后的直流偏置电压和通过电位器得到反馈电压进行比较得到电压差，解调芯片BA66898根据该电压差通过3脚输送PWM信号给电机驱动芯片BAL6686的5脚，改变6脚和2脚的电位差的正负大小，驱动电机正反转，同时电机转动通过齿轮级联带动电位器转动，导致比较后的电压差发生变化，直到电压差降为0，电机停止。（1）下拉电阻R0、R1、R7取值1KΩ，将引脚电位钳位在稳定低电平，保证芯片正常工作；（2）电阻R2、R3、R4、R5取值1KΩ，电容C1、C2取值0.1μF，用于对输入PWM波进行解析调制；（3）电位器Rw1=5KΩ，增大调节速率，电位器上的电位与调制得到的偏置电压作出比较，比较结果由3脚输出；（4）旁路电阻R6=1KΩ，用于分担大电流，保护直流电机。

更近一步地，所述数据发射器通过无线方式发送指令数据给数据接收器，PS2接收器模块与STM32连接。其中，发送数据由DI/DAT口传输给STM32主控芯片PB13口，随后由STM32芯片进行数据处理；DO/CMD接收主控芯片应答信号，表示已接收完数据。PS2数据接收器接STM32的PB9口。PB9口用作输出时钟信号功能，和PS2接收器同步数据传输。

更近一步地，所述USB转串口下载模块选用CH341芯片作为转接器。USB到CH341芯片的数据传输通过D+和D-信号线实现，经过CH341芯片转换后的下载串口通过TXD、RXD分别接STM32的UIRX(PA10)、UITX(PA9)引脚，同时分别对应读与写功能。CH341芯片工作时钟由XT12M晶振提供。电路中滤波电容C10=0.1μF，用于过滤谐波，防止干扰信号，保证芯片稳定工作。

更近一步地，所述存储模块选用W25Q64存储芯片作为机械手初始位置信息存储器。W25Q64芯片是一个容量为64M，擦写周期多达10万次，支持2.7~3.6V工作电压的存储芯片，通过SPI总线接4根信号线到STM32主控芯片完成通信。

更近一步地，所述主控模块最小系统选用STM32F109ZRT6作为主控芯片。该芯片有32位微处理器、512字节闪存、8个定时器、112个通用I/O端口，支持串口通信。

更近一步地，所述延时模块程序设置延时时长约300ms，保证按键提供足够长反应时间，实现按键消抖。

更近一步地，所述PWM波生成程序。舵机控制需要STM32的I/O口输出PWM波。利用定时器将I/O口电位每隔一段时间便进行翻转，从而输有指定脉宽PWM波。舵机控制信号的周期为20ms，在20ms内需要依次对6个舵机输出PWM波，按照控制6个舵机分，每个舵机最多占用3.333ms，剩余时间交给余下5个舵机分配，故PWM脉宽不能超过3.3ms。为保证机械手能旋转180度，将每个舵机PWM控制时间设定为2.5ms，则输出单个舵机的PWM波占空比在2.5%到12.5%范围内。首先对I/O口初始化，随后将舵机脉宽值赋给定时器，并且拉高I/O口电位，定时结束后，将2.5ms减去舵机的脉宽值赋给定时器，同时拉低I/O口电位。第一次定时结束后，定时器在剩余时间内对剩余的5个舵机进行同样操作。20ms之后重复执行以上操作，使得输出波形为PWM波。

更近一步地，所述PS2无线数据程序设计中，当要读取发送数据时，CS控制电平被拉低，并且在时钟下降沿完成数据发送与接收。接收器通过DI引脚向STM32发送串行数据。

更近一步地，所述舵机控制程序关键在于PWM波脉宽变化的控制。当系统检测到对应输入数据，进入选择语句选择要进行控制的对象，即不同舵机所对应的PWM波脉宽数据位。PWM波脉宽值以μs为单位，为了使PWM波的变化速度不影响舵机动作，需要对PWM波脉宽值的变化速度进行设定。程序判断按钮是否被按下，按下按钮键值是多少，对应这个键值来改变与键值对应的舵机的PWM脉宽值与舵机的位置信息，并将舵机控制信息通过串口进行发送。

更近一步地，控制目标能自动检测并完成对刨床导轨的抓取，需要同时对6个舵机进行控制。为简化设计过程，设计过程中将控制过程拆分成分步自动执行步骤，依次对6个舵机按照顺序进行控制。首先，判断是否检测到第一个舵机指令。其次，当判断到有第一个舵机接收指令时，改变第一个舵机的PWM脉宽值并进入循环判断，如果脉宽值未达到目标值则继续加或减，满足要求后通过串口发送第一个舵机的控制信息。随后，改变第二个舵机的PWM脉宽值并进入循环判断，原理同第一个舵机。最后，当所有六个舵机信息都发送完，程序返回主程序。设计中包括六个舵机，将上述步骤循环操作六次。自动控制程序能够进行循环判断自动控制变量的变化大小。

提供一种刨床加工自动化生产线机械手控制方法，所述方法使用如上所述的刨床加工自动化生产线机械手控制系统，所述方法包括以下步骤：

S1图像采集：首先用图像传感器获取作业刨床中多个并行轨道导轨图像。OV7670是一种2.8英寸的CMOS VGA图像传感器, 该摄像头最高可达到30帧/秒速率，具有体积小、工作电压低等特点。STM32通过SCCB总线对OV7670的FIFO存储器进行图像数据采集与输出，如图16所示。

S2图像存储与输出：由于OV7670时钟频率高,使用STM32直接抓取比较困难,且CPU占用率较高,故将OV7670连接FIFO专用存储芯片AL422B。

S3图像预处理：包括消除背景噪声、二值化处理两部分。在图像去噪中，采用全变差滤波器，相比于中值滤波它具有更好的图像平滑性能。为增强检测性能，采用自适应阈值对去噪后图像进行二值化处理，便于消除与导轨图像主要信息无关的数据。

S4图像形态处理：为获得图像中清晰的导轨边缘直线轮廓，采用相比于Roberts算子性能更好的Canny算子进行图像平滑和噪声抑制。具体包括区域定位与分割，图像归一化两个阶段。

S41区域定位与分割：对图像进行预处理之后，需对多个并行加工导轨进行区域定位与分割。这里采用跳变次数法进行区域定位，将二值化处理过的图像进行行扫描和列扫描，从而确定图像上下边界。

S42图像归一化处理：为了统一图像大小，提高检测的成功率，对图像进行归一化处理。

S5图像边缘检测模块：包括导轨图像峰值检测和弯曲度计算两部分。

S51图像峰值检测：峰值检测需要先确定峰值点位置，再根据公式(1)计算弯曲度，进而判断是否超过阈值门限，

峰值点检测过程：选取图像左上角指定长度和宽度的窗口为坐标系，从窗口中选择一个像素点，找到其所有边缘点位置，然后与窗口内所有点的纵坐标数值进行比较，找到纵坐标方向上最小值点，选定当前点与其坐标，最后剩下的点纵坐标如果仍然大于当前纵坐标，那么这个点就是满足检测的峰值点。

S52弯曲度计算：假设所获取的图像像素为

在所有检测峰值点中选取若干个点(假设为X个点)，则从第i到第j个点之间的相互间隔距离为

S6检测结果输出：根据公式(1)至公式(3)可得各导轨弯曲度，最后判断与弯曲度阈值比较确定是否需要进行异常处理。

实施例原理：

一种刨床加工自动化生产线机械手控制系统中，电源模块为舵机模块提供4.8V～7.2V可调输出电压，为下载模块提供5V电压，为其余模块提供3.3V电压；所述舵机驱动模块选用数字PWM波驱动舵机进行控制执行机构运行；首先将PWM控制信号通过导入舵机并经过信号调制，得到直流偏置电压；直流偏置电压与舵机电位器电压比较，然后将得到的电压差送入电机驱动电路控制驱动电机正反转；当电机转速恒定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，待电压差回零后电机停止旋转；舵机旋转角度的变化则根据PWM波脉宽的宽度不同确定，由脉宽宽度得到一个特定管直流偏置电压，根据比较后得到的电压差不同确定舵机旋转角度；所述运动控制器模块以STM32F103C8T6为最小控制系统数据处理芯片，采用C语言进行程序设计；所述最小系统包括电源、晶振电路、读/写选择开关、复位电路、I/O接口以及指示灯和蜂鸣器等外围电路；晶振电路提供时钟；I/O接口用来控制舵机接口电路、USB转串口下载、数据接收以及读/写模式选择开关电路、上电复位电路、报警指示灯、蜂鸣器等模块的正常工作；所述数据发射与接收器模块为索尼PS2无线控制器，用于指令信号的发射与接收；信号接收器固定在主控板上，与主控芯片通信。

主要工作流程为：首先将PS2控制发射器与与接收器进行无线对接，接着发射器通过无线方式给接收器发送控制指令；接收器将该数据通过STM32的I/O口送给单片机控制单元进行处理，从而控制不同舵机驱动模块驱动相应机械手装置实现指定运动功能；所述USB转串口下载模块采用CH341转接芯片，它将USB总线接口与控制器串口信号进行转换，为USB总线提供异步串口下载。

本发明的有益效果具体体现在以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。