基于視覺和工業(yè)機(jī)器人扇葉自動安裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙翠儉，陳 翔

（1.石家莊學(xué)院 機(jī)電學(xué)院 河北 石家莊 050035；2.河北銀隆汽車有限公司 河北 石家莊 050800）

0 引言

風(fēng)扇與扇葉的鏈接主要靠電機(jī)軸，目前很多企業(yè)生產(chǎn)的電機(jī)軸為D型軸，因此，要想鏈接扇葉與電機(jī)，需要將扇葉的D型孔按照正確的方向插入D型軸上，工業(yè)生產(chǎn)線中目前主要采用人工方式較多，生產(chǎn)效率不高.隨著生產(chǎn)技術(shù)條件的不斷提高，越來越多的企業(yè)開始采用自動化生產(chǎn)線進(jìn)行產(chǎn)品的組裝[1]，目前采用自動化生產(chǎn)線完成扇葉安裝的企業(yè)主要以簡單、單一的生產(chǎn)線來完成，一旦扇葉形狀或型號發(fā)生改變，就要修改整條產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，增加生產(chǎn)成本.近年來，機(jī)器視覺的發(fā)展越來越快[2]，很多生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)采用了視覺系統(tǒng)來進(jìn)行控制，視覺系統(tǒng)可以有效地增大系統(tǒng)的柔性[3].各個視覺傳感器生產(chǎn)廠家和機(jī)器視覺方面的學(xué)者都在視覺傳感器的應(yīng)用研究上做出了巨大貢獻(xiàn)[4].目前的研究主要以減輕后續(xù)圖像處理和分析的壓力為目的[5].視覺傳感器在交通、運(yùn)輸、工業(yè)檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用研究也得到廣泛開展[6].機(jī)器人系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)集成制造生產(chǎn)中起著關(guān)鍵作用，將機(jī)器視覺引入工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)是其關(guān)鍵技術(shù)之一[7].本研究將以視覺處理系統(tǒng)為關(guān)鍵部件，進(jìn)行扇葉自動安裝系統(tǒng)的柔性化設(shè)計(jì).

1 扇葉安裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 扇葉安裝流程設(shè)計(jì)

扇葉安裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)以ABB工業(yè)機(jī)器人和視覺處理系統(tǒng)為主要部件，其工藝流程主要包括機(jī)器人發(fā)送指令、圖像攝取與傳送、坐標(biāo)變換、機(jī)器人運(yùn)動等，如圖1所示.

圖1 扇葉安裝流程圖

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)視覺傳感器選用日本歐姆龍公司生產(chǎn)的型號為FZ-S2M的CMOS攝像機(jī).照明設(shè)備采用歐姆龍型號為LTS-2BR13222-WH的LED光源，機(jī)器人本體及控制柜采用德國ABB公司生產(chǎn)的IRB120型6軸機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人手臂頂端夾具采用AIRTAC公司生產(chǎn)的型號為HFCY32三爪氣缸，各連接、固定件均采用機(jī)加工件.機(jī)器人視覺系統(tǒng)包括圖像輸入、測量處理、顯示、輸出等功能模塊.

圖像輸入模塊由光源、攝像頭以及電源組成，圖像尺寸大小可調(diào).通過專用相機(jī)電纜給攝像頭提供外部電源和信號傳輸.光源是獲取圖像質(zhì)量的保證.攝像頭輸出的是數(shù)字信號，不需要通過圖像采集卡進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，即可輸入主機(jī).

測量處理部分主要實(shí)現(xiàn)了圖像的灰度化、圖像的二值化、圖像輪廓的提取、中心點(diǎn)的生成等功能模塊.視覺采集確定目標(biāo)物體圖像的平面坐標(biāo)（X，Y）和角度（θ），與世界坐標(biāo)系進(jìn)行比較后，通過編寫的公式進(jìn)行計(jì)算，得出與初始模型坐標(biāo)和角度的偏移值.

顯示部分，通過視頻圖形陣列（VGA）信號線，將視覺檢測過程、程序執(zhí)行過程和執(zhí)行結(jié)果顯示在液晶顯示器上.

輸出部分通過無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）端口、TCP/IP（無協(xié)議）把計(jì)算得出的目標(biāo)物體與初始模型平面坐標(biāo)和角度的偏移值，通過ASCII碼輸出給ABB機(jī)器人.

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 通訊設(shè)置

ABB機(jī)器人通訊模塊選用X6、廣域網(wǎng)（WAN）接口，歐姆龍視覺模塊選用以太網(wǎng)協(xié)議（TCP），應(yīng)使兩者位于同一網(wǎng)段內(nèi)，否則無法通訊.機(jī)器人通訊模塊接線如圖2所示.

圖2 ABB機(jī)器人通訊模塊接線圖

1.3.2 坐標(biāo)校準(zhǔn)

由于相機(jī)和機(jī)器人分別有不同的坐標(biāo)系，因此需要有處理項(xiàng)目事先對相機(jī)坐標(biāo)系和外部機(jī)器坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，即“校準(zhǔn)”工作.使用外部機(jī)器，按照規(guī)定的順序重復(fù)執(zhí)行“工件的移動→測量”，由FH/FZ5計(jì)算校準(zhǔn)參數(shù).使用“校準(zhǔn)輔助工具”，可根據(jù)制作的校準(zhǔn)參數(shù)，以圖表的形式顯示相機(jī)坐標(biāo)系和實(shí)際坐標(biāo)系的位置關(guān)系.通過比較顯示的內(nèi)容和實(shí)際裝置的位置關(guān)系，可方便地確認(rèn)校準(zhǔn)參數(shù)的妥當(dāng)性.設(shè)定選擇位置的實(shí)際坐標(biāo)后，會自動計(jì)算出校準(zhǔn)參數(shù).需要注意的是，當(dāng)X方向和Y方向的倍率相同時，選擇兩點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)；當(dāng)X方向和Y方向的倍率不同時，選擇三點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn).

1.3.3 模型建立

機(jī)器人系統(tǒng)需要使用運(yùn)動指令、套接字發(fā)送接收及處理、字符串計(jì)算和截取、字符串轉(zhuǎn)換、工件坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)等模塊.運(yùn)動指令包括MOVEJ、MOVEL、MOVEL OFFS、MOVEL RelTool等，使機(jī)器人點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動、直線運(yùn)動、平移運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.套接字發(fā)送接收及處理用于接收視覺主機(jī)發(fā)送過來的字符串，進(jìn)行篩選后，把有用部分保存進(jìn)字符串變量，用于后面的計(jì)算.套接字處理后存入字符串的變量，計(jì)算后截取有效位字符串，提取平面坐標(biāo)（X，Y）和旋轉(zhuǎn)角度（θ）的偏移量.然后進(jìn)行字符串轉(zhuǎn)換，把計(jì)算后截取的坐標(biāo)值和角度轉(zhuǎn)換成數(shù)字變量，存入機(jī)器人對應(yīng)的偏移坐標(biāo)的數(shù)字變量中.因此需要將待測部分作為模型登錄.在模型的信息中也登錄了登錄時的位置.在將待測對象放在正確位置的狀態(tài)下進(jìn)行模型登錄.通過使用繪圖工具，設(shè)定登錄為模型的范圍，并保存登錄模型時使用的整個圖像.

1.3.4 坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送

將數(shù)據(jù)通過串行接口，利用指令的無序方式輸出至外部設(shè)備.串行數(shù)據(jù)輸出是在流程上的串行數(shù)據(jù)輸出處理結(jié)束后立即開始輸出.根據(jù)通信模塊，選擇與傳感器控制器通信時使用的通信方式.如圖3所示.

圖3 通信方式的選擇

1.3.5 機(jī)器人接收坐標(biāo)值并轉(zhuǎn)換

機(jī)器人通過TCP/IP無協(xié)議網(wǎng)絡(luò)接收到的是16位ASCII碼，通過機(jī)器人自身RAPID編程環(huán)境，把字符串轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)字變量，并按照格式截取，分別存入X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)以及θ旋轉(zhuǎn)角度相對應(yīng)的數(shù)字變量中.ABB機(jī)器人的程序編寫如下：

1.3.6 機(jī)器人根據(jù)坐標(biāo)值進(jìn)行偏移運(yùn)動

機(jī)器人的運(yùn)動由偏移指令RelTool進(jìn)行控制，該指令可將有效工具坐標(biāo)系表達(dá)的位移和（或）旋轉(zhuǎn)增加至機(jī)械臂位置.機(jī)器人的運(yùn)動程序如下：

2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)設(shè)置完成后，將需要安裝的扇葉和電機(jī)軸放置在機(jī)械手工作范圍內(nèi)，然后啟動系統(tǒng)，調(diào)整機(jī)器人程序至識別例行程序.這時在視覺系統(tǒng)顯示界面中會自動識別顯示扇葉的安裝孔和電機(jī)軸，并使用紅色線條進(jìn)行描邊，如圖4（局部放大）所示.識別扇葉安裝孔后，機(jī)器人計(jì)算并記錄角度和位移，使用偏移量使機(jī)械手抓取扇葉并移動到電機(jī)軸上方，進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)，然后將扇葉安裝到電機(jī)軸上.完成扇葉的安裝.

圖4 扇葉和電機(jī)軸的識別效果

3 結(jié)論

使用機(jī)器視覺與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)合，對扇葉安裝過程進(jìn)行了自動化處理，基于視覺的扇葉自動安裝系統(tǒng)大大增加了機(jī)器人系統(tǒng)的柔性化，使得機(jī)器人系統(tǒng)不必因?yàn)楦鼡Q一個作業(yè)目標(biāo)而改變流水線的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在扇葉安裝產(chǎn)線中，當(dāng)更換不同型號的扇葉和電機(jī)時，視覺系統(tǒng)仍然可以自動進(jìn)行識別，并與ABB機(jī)器人協(xié)作完成扇葉的自動化安裝.實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果證明，該系統(tǒng)在光源穩(wěn)定的條件下可靠性較高，極大地提高了企業(yè)生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率，為智能制造生產(chǎn)線提供了有力支持.

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