基于視覺定位技術(shù)的全自動(dòng)掛件項(xiàng)目的研究與應(yīng)用

文/張濤，張偉亮，張芳·格力電器（石家莊）有限公司

噴涂工藝是空調(diào)器生產(chǎn)過程中重要加工工藝之一，包括上料、前處理、烘干、粉末噴涂、固化、冷卻、檢驗(yàn)、下料八大工序。其中，上料工序需要工人將鈑金件吊掛在懸掛鏈上的掛具上，且必須滿足掛具上的掛針與鈑金件上的吊掛孔緊密配合，以確保零件吊掛的穩(wěn)定性，避免因吊掛方式不當(dāng)導(dǎo)致零件掉落等異常。目前，行業(yè)內(nèi)的噴涂上料方式大多數(shù)為人工上料，不僅耗費(fèi)人力多，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，亟需改善。本文重點(diǎn)闡述了我公司研發(fā)的基于視覺精準(zhǔn)定位技術(shù)的噴涂全自動(dòng)掛件工藝的研究與應(yīng)用。

空調(diào)器傳統(tǒng)掛件工藝流程

空調(diào)外殼沖壓工藝

空調(diào)外殼（組件）噴涂前的工序按照生產(chǎn)順序主要分為沖壓工藝、鉚接和點(diǎn)焊工藝。鋼卷在完成定尺分條后，就進(jìn)行沖壓工藝生產(chǎn)，經(jīng)過①外殼壓形工序、②沖孔落料工序、③翻邊工序、④沖孔工序，四道沖壓工序完成空調(diào)外殼的生產(chǎn)；然后再經(jīng)過鉚接、點(diǎn)焊工序依次在外殼上點(diǎn)焊壓縮機(jī)螺栓、鉚接冷凝器固定塊、鉚接基腳部件，完成整個(gè)外殼（組件）的生產(chǎn)；最后外殼（組件）進(jìn)入噴涂工序，完成產(chǎn)品的生產(chǎn)。

空調(diào)外殼噴涂流程

空調(diào)外殼（組件）是由鈑金件經(jīng)過噴涂而成，噴涂的設(shè)備主體為環(huán)形懸掛鏈，以6～7m/min的速度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。在上料工序，需要將鈑金件懸掛在懸掛鏈上的掛具上（圖1），并且需要保證掛具上的掛針穿過鈑金件上的吊掛孔。目前，行業(yè)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)采用人工上料的生產(chǎn)方式（圖2），不僅耗費(fèi)人力，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，員工極易因過度疲勞導(dǎo)致吊掛不到位、空掛等異常情況，不僅造成產(chǎn)能的浪費(fèi)，而且需要額外的人員花費(fèi)額外的時(shí)間去清理掉落在前處理道中的鈑金件，造成不必要的損失。

全自動(dòng)吊掛工藝的研究與應(yīng)用

通過對(duì)空調(diào)器上料工序的系統(tǒng)研究，得到要實(shí)現(xiàn)空調(diào)器鈑金件的全自動(dòng)上料必須攻破以下三個(gè)技術(shù)難題：

圖1 鈑金件懸掛鏈

圖2 人工懸掛空調(diào)器外殼

⑴實(shí)現(xiàn)在懸掛鏈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的掛具掛點(diǎn)精確定位；

⑵噴涂掛具為循環(huán)重復(fù)使用物料，掛具掛點(diǎn)的位置一致性較差，需實(shí)現(xiàn)在該狀況下的掛具掛點(diǎn)精準(zhǔn)定位；

⑶實(shí)現(xiàn)在掛具掛針與鈑金件吊掛孔配合間隙極小條件下的自動(dòng)吊掛作業(yè)。

為解決上述難題，項(xiàng)目組通過多次研究討論和模擬試驗(yàn)，建立全自動(dòng)上料系統(tǒng)，包括噴涂掛具抓取與定位系統(tǒng)、視覺智能定位系統(tǒng)、底盤自動(dòng)上料系統(tǒng)和異常智能識(shí)別系統(tǒng)，具體如圖3所示。

建立掛具自動(dòng)抓取與定位系統(tǒng)

掛具在噴涂懸掛鏈上以6～7m/min的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中不可避免的存在晃動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致掛針位置定位難。為剔除掛具晃動(dòng)對(duì)掛針位置定位的影響，項(xiàng)目組決定將掛具狀態(tài)由動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)，即將掛具摘取下來進(jìn)行掛針位置的靜態(tài)準(zhǔn)確定位，為自動(dòng)上料創(chuàng)造條件，該方案我們稱之為噴涂掛具自動(dòng)抓取與定位系統(tǒng)。

圖3 全自動(dòng)上料系統(tǒng)

圖4 機(jī)器人夾持系統(tǒng)

掛具抓取與定位系統(tǒng)制作過程中，首先要自制掛具導(dǎo)向系統(tǒng)，減少掛具的前后晃動(dòng)，為后續(xù)機(jī)器人抓取掛具提供良好條件。其次，制作傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)當(dāng)掛具到達(dá)指定點(diǎn)位時(shí)，機(jī)器人夾持系統(tǒng)開始對(duì)掛具進(jìn)行摘取作業(yè)，同時(shí)將摘取下來的掛具放置于定位架中，如圖4所示。

建立視覺智能定位系統(tǒng)

掛具自動(dòng)抓取與定位系統(tǒng)將掛具狀態(tài)由動(dòng)態(tài)變?yōu)殪o態(tài)，且掛具最終被放置于定位架中。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料，需要使用機(jī)器人夾取鈑金件并將其懸掛在位于定位架中的掛具上。

然而，掛具在不斷重復(fù)的流轉(zhuǎn)過程中，其掛點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生偏移，在水平及豎直方向上的偏移范圍均為±2.5mm，同時(shí)掛針與底盤吊掛孔之間單邊間隙只有1mm。因此，同一掛具在定位架同一位置，采用同一機(jī)器人進(jìn)行掛件作業(yè)時(shí)，往往懸掛不上。

由此可見，傳統(tǒng)的機(jī)械定位方法無法滿足自動(dòng)掛件需求，機(jī)器人無法根據(jù)掛點(diǎn)位置的變動(dòng)進(jìn)行懸掛動(dòng)作的調(diào)整。

為解決上述問題，項(xiàng)目組研究采用視覺智能定位系統(tǒng)對(duì)掛具掛點(diǎn)進(jìn)行水平和豎直2個(gè)方向的定位（圖5），從而實(shí)現(xiàn)掛點(diǎn)的精確定位（圖6），同樣原理實(shí)現(xiàn)對(duì)零件吊掛孔位置的精確定位（圖7），定位精度能達(dá)到±0.05mm。由視覺軟件系統(tǒng)對(duì)零件吊掛孔位置和掛具掛點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算分析后，將準(zhǔn)確的軌跡信號(hào)傳輸至機(jī)器人上掛系統(tǒng)。

建立機(jī)器人底盤自動(dòng)上掛系統(tǒng)

圖5 視覺定位系統(tǒng)

圖6 掛針視覺定位

圖7 掛孔視覺定位

圖8 掛點(diǎn)視覺位置數(shù)據(jù)

機(jī)器人底盤自動(dòng)上掛系統(tǒng)由2臺(tái)ABB6700組成，每臺(tái)機(jī)器人每次負(fù)責(zé)2個(gè)底盤的自動(dòng)上掛。當(dāng)機(jī)器人接到啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，機(jī)器人從零件傳輸線抓取零件至視覺智能定位系統(tǒng)進(jìn)行拍照。拍照完畢后機(jī)器人接收到視覺軟件系統(tǒng)計(jì)算出來的掛具掛點(diǎn)位置坐標(biāo)（圖8），機(jī)器人按照坐標(biāo)進(jìn)行移動(dòng)并完成零件上掛（圖9）。

建立異常智能識(shí)別系統(tǒng)

在項(xiàng)目運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)零件吊掛孔損壞、掛具損壞等異常，直接影響到零件上掛成功率。為解決該難題，項(xiàng)目組研究設(shè)計(jì)了異常智能識(shí)別系統(tǒng)，即預(yù)先設(shè)定視覺智能定位系統(tǒng)的拍照標(biāo)準(zhǔn)，包括掛具掛點(diǎn)拍照標(biāo)準(zhǔn)及零件吊掛孔拍照標(biāo)準(zhǔn)。然后在項(xiàng)目運(yùn)行過程中將拍到的實(shí)時(shí)照片與標(biāo)準(zhǔn)照片進(jìn)行比對(duì)以確認(rèn)上料是否成功。

通過反復(fù)的測(cè)試及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)時(shí)照片與標(biāo)準(zhǔn)照片的相似度（后續(xù)稱為標(biāo)實(shí)相似度）大于85%時(shí)，上掛成功率為100%?；谠摂?shù)據(jù)，項(xiàng)目組將系統(tǒng)程序設(shè)定為當(dāng)標(biāo)實(shí)相似度小于85%時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)為異常狀態(tài)（圖10）。當(dāng)系統(tǒng)顯示異常時(shí)，機(jī)器人上料系統(tǒng)拒絕執(zhí)行接下來的上料程序，從而實(shí)現(xiàn)了零件上掛成功率達(dá)到100%。

圖9 機(jī)器人自動(dòng)掛料

圖10 視覺智能判定系統(tǒng)

結(jié)束語

本文所述整條自動(dòng)化線體由1臺(tái)ABB 2600機(jī)器人、2臺(tái)ABB4600機(jī)器人、2臺(tái)ABB6700機(jī)器人、2套視覺拍照系統(tǒng)（每套由4個(gè)相機(jī)組成）及2套視覺軟件處理系統(tǒng)組成，通過上述設(shè)備的協(xié)同作業(yè)共同實(shí)現(xiàn)了零件的全流程自動(dòng)上料。該線體投產(chǎn)后實(shí)現(xiàn)直接減員6人，人均生產(chǎn)效率提升300%，不僅經(jīng)濟(jì)效益顯著，而且極大地降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，為行業(yè)內(nèi)全自動(dòng)上料模式的實(shí)現(xiàn)提供了借鑒方法。