基于IPC的涂膠機器人視覺記錄系統(tǒng)設計

摘要：本文闡述了一種涂膠機器人視覺記錄系統(tǒng)的設計目標和原理，結合設計原理分別完成了該系統(tǒng)軟硬件部分的設計。該機器人視覺記錄系統(tǒng)在成熟的涂膠機器人系統(tǒng)中獲得了成功的應用，為涂膠工藝人員提供了良好的用戶體驗，也為整車制造涂膠工藝的更新改善提供了可靠的工具和詳實的數(shù)據(jù)記錄。

關鍵詞：工業(yè)計算機;PLC;涂膠機器人

1 概述

為了保護乘用車身、底盤等關鍵部位，同時提高車身NVH隔震性能，目前國內(nèi)絕大部分乘用車整車制造廠的焊裝車間和涂裝車間都會采用工業(yè)機器人對車身底部、裙邊和車內(nèi)焊縫進行涂膠作業(yè)。一般車身工件作業(yè)的定位方式為固定式，但由于車身載具制造誤差和定位過程誤差的存在，機器人涂膠作業(yè)時必須具有補償上述誤差的功能。引入視覺系統(tǒng)，對車身進行精確的3D定位，能夠有效改善工裝定位的性能。記錄該機器人系統(tǒng)中的3D定位視覺數(shù)據(jù)，可以為分析改善視覺應用參數(shù)和優(yōu)化涂膠工藝流程提供有效的分析樣本空間。如果記錄的視覺數(shù)據(jù)不具備足夠的準確性和有效性，或者數(shù)據(jù)記錄數(shù)量偏少，視覺數(shù)據(jù)樣本空間將產(chǎn)生偏差導致視覺應用參數(shù)和涂膠工藝分析的不準確，從而影響生產(chǎn)質(zhì)量。如何提高數(shù)據(jù)記錄的準確性和有效性，保證樣本空間足夠就成了機器人視覺數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的關鍵問題。

常規(guī)的工業(yè)機器人廠商會提供RAM介質(zhì)或者SD卡等存儲設備用以記錄最原始的機器人視覺數(shù)據(jù)，也就是未經(jīng)處理的機器人視覺照片。隨著車輛產(chǎn)量的大幅提升，這些照片占用大量原本并不寬裕的數(shù)據(jù)存儲空間，另外未經(jīng)過任何數(shù)據(jù)處理的照片也不利于工藝人員的后續(xù)工藝分析。針對上述情況，本文提出一種機器人視覺記錄系統(tǒng)的設計，闡述了該系統(tǒng)設計目標和原理，給出其硬軟件設計的框架，并通過其實際應用展示該機器人視覺記錄系統(tǒng)給涂膠工藝人員帶來的便利。

2 機器人視覺記錄系統(tǒng)設計原理

2.1 視覺記錄系統(tǒng)設計目標

基于工業(yè)機器人產(chǎn)品本身的成本考慮，機器人廠商提供的視覺數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，一般都是容量不大且較為簡易，有些甚至直接使用工業(yè)機器人本身的RAM寄存器作為視覺數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)[3]。這樣的設計短期之內(nèi)能夠滿足少量數(shù)據(jù)記錄的要求，但是逐漸無法滿足當前整車生產(chǎn)涂膠工藝數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)容量需求，更不利于視覺數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定記錄。此外，為了節(jié)省計算資源，廠商提供的視覺數(shù)據(jù)格式一般均為原始的車身視覺照片，單張照片不僅本身數(shù)據(jù)龐大，而且信息內(nèi)容極其單一，并不利于工藝人員直觀獲取所需的定位信息、對應的生產(chǎn)信息等數(shù)據(jù)。

本文所討論的涂膠機器人視覺數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)是對上述系統(tǒng)的改進，它應當擁有以下幾個性能要求：

（1）系統(tǒng)擁有超大的存儲容量，可以存儲海量視覺數(shù)據(jù)，其存儲介質(zhì)運行穩(wěn)定，可靠性極強;

（2）系統(tǒng)所記錄的單項視覺數(shù)據(jù)，存儲空間占用量小;

（3）系統(tǒng)所記錄的視覺數(shù)據(jù)，內(nèi)容完整豐富，便于工藝人員閱讀分析;

（4）系統(tǒng)的軟硬件成本可控。

2.2 視覺記錄系統(tǒng)設計原理

為完成上述的設計目標，本文提供一個視覺記錄系統(tǒng)的模型如圖1所示。

該模型由三個基本單元組成，分別是視覺數(shù)據(jù)處理模塊、生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊。當車身進入涂膠作業(yè)區(qū)域并完成定位拍照工作后，視覺數(shù)據(jù)記錄流程啟動，該流程如下所述：首先視覺數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)設定的視覺應用參數(shù)計算獲取車身的定位偏移信息，同時將參數(shù)和定位偏移信息存放至視覺數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，本文稱之為原始視覺數(shù)據(jù);然后在作業(yè)完成后生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理模塊獲取該車身的生產(chǎn)信息，并將其存放至生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，本文稱之為生產(chǎn)數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)記錄模塊根據(jù)生產(chǎn)結果，分別讀取兩個處理模塊緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)并整合為一條完整的視覺數(shù)據(jù)記錄，然后將其記錄進模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)庫。

3 機器人視覺記錄系統(tǒng)設計的實現(xiàn)

明確了上一節(jié)對于系統(tǒng)設計目標和原理的闡述，本節(jié)將給出相對應的系統(tǒng)硬軟件設計。

3.1 機器人視覺記錄系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)2_2節(jié)提出的系統(tǒng)設計原理中，系統(tǒng)被劃分為三個基本單元，本文分別采用三種不同的硬件設備來對應，如表1所示，三者之間的硬件連接為工業(yè)以太網(wǎng)連接。目前工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)現(xiàn)場最為主流的硬件連接之一，它能保障各硬件設備之間穩(wěn)定而高效的數(shù)據(jù)交互。 機器人視覺處理器一般是工業(yè)機器人控制器的一部分，它能夠?qū)ο鄼C獲取的照片進行計算并獲取涂膠工藝人員最為關注的定位偏移信息，從而精簡了系統(tǒng)記錄的原始視覺數(shù)據(jù)[3]。PLC控制器是整個生產(chǎn)系統(tǒng)的核心，它接收來自車間的車型信息等、根據(jù)車型等信息將對應涂膠作業(yè)指令發(fā)送至涂膠機器人，同時監(jiān)控整個生產(chǎn)過程的所有信息[4]，這些信息中的一部分將作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)提供給最終的數(shù)據(jù)記錄模塊，也就是工業(yè)計算機。以上兩個硬件設備均在原有系統(tǒng)中，并不產(chǎn)生額外的硬件成本，唯一需要新增的硬件設備是用作數(shù)據(jù)記錄模塊的工業(yè)計算機。工業(yè)計算機以其可靠性和穩(wěn)定性著稱，它擁有足夠大的硬盤存儲器可作為視覺記錄的存儲介質(zhì)。作為視覺記錄系統(tǒng)中非常關鍵的一部分，它的增設性價比極高。

3.2 機器人視覺記錄系統(tǒng)軟件設計

確定了系統(tǒng)的硬件設計，本節(jié)將詳細講述三個基本單元內(nèi)的軟件功能及其設計。

3.2.1 視覺數(shù)據(jù)處理模塊

視覺數(shù)據(jù)處理模塊提供每個車身定位的原始視覺數(shù)據(jù)。如圖2所示，它由三個軟件模塊組成，分別是視覺應用參數(shù)模塊、視覺數(shù)據(jù)計算和控制模塊以及視覺數(shù)據(jù)寄存器。當機器人控制器收到PLC控制器的涂膠作業(yè)指令后，它會去執(zhí)行車身拍照。視覺數(shù)據(jù)計算和控制模塊根據(jù)視覺應用參數(shù)模塊中的設置對所拍照片進行計算獲得視覺偏移信息，并將參數(shù)和偏移信息作為原始視覺數(shù)據(jù)存至視覺數(shù)據(jù)寄存器。當上述工作完成后視覺數(shù)據(jù)計算和控制模塊通知生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理模塊也就是PLC控制器，原始視覺數(shù)據(jù)處理己完成，如果涂膠作業(yè)結束，可至視覺數(shù)據(jù)寄存器獲取本次車身的視覺數(shù)據(jù)。需要注意的是，圖2中的實線箭頭是數(shù)據(jù)信息的流向，虛線箭頭是控制信息的流向，其中數(shù)據(jù)信息流向如圖3所示。

3.2.2生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理模塊

PLC控制器作為整個機器人生產(chǎn)系統(tǒng)的核心，它接收來自車間或涂膠上道工序的生產(chǎn)指令數(shù)據(jù)，控制涂膠機器人以及外圍輸送設備的工作啟停。在本文中，除了完成上述基本工作之外，它還將在機器人視覺記錄系統(tǒng)中也扮演重要角色，它將自身所擁有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)完整的分享給視覺記錄系統(tǒng)，并控制整個視覺數(shù)據(jù)的存儲流程。它可以分為四個主要模塊：視覺數(shù)據(jù)傳輸控制模塊、生產(chǎn)控制模塊、視覺數(shù)據(jù)記錄決策模塊以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)寄存器。當視覺數(shù)據(jù)傳輸控制模塊收到來自視覺數(shù)據(jù)處理模塊的通知后，它就等待生產(chǎn)控制模塊完成涂膠作業(yè)并將最終有效的生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳給自己。生產(chǎn)控制模塊傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對象不僅是視覺數(shù)據(jù)傳輸控制模塊，還有視覺數(shù)據(jù)記錄決策模塊。決策模塊是PLC控制器實現(xiàn)視覺數(shù)據(jù)傳輸控制的關鍵，其控制邏輯如圖4所示，它根據(jù)獲得的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來判斷當前的涂膠作業(yè)是否完成且有效，當車型信息、生產(chǎn)模式、相機運行狀態(tài)等生產(chǎn)信息均達到要求的情況下，它允許視覺數(shù)據(jù)傳輸控制模塊進行以下兩項工作：將生產(chǎn)數(shù)據(jù)存至生產(chǎn)數(shù)據(jù)寄存器，通知工業(yè)計算機分別讀取兩個數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。當工業(yè)計算機返回記錄完成信號后，PLC控制器會復位各模塊的工作狀態(tài)，等待下一次的記錄流程啟動。

3.2.3 數(shù)據(jù)記錄模塊

工業(yè)計算機承擔了整個系統(tǒng)最后的記錄工作，它分為三個模塊;視覺數(shù)據(jù)傳輸模塊、視覺數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。結構化的數(shù)據(jù)庫有利于視覺數(shù)據(jù)的存儲和索引，同時也便于將數(shù)據(jù)應用于圖形化界面或工藝報表等[5]，本文系統(tǒng)采用SQL Server數(shù)據(jù)庫作為最終存儲視覺數(shù)據(jù)記錄的數(shù)據(jù)庫。視覺數(shù)據(jù)傳輸模塊獲得兩組數(shù)據(jù)后，通過視覺數(shù)據(jù)存儲模塊將數(shù)據(jù)按要求整合后，存入指定的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。視覺數(shù)據(jù)存儲模塊是工業(yè)計算機軟件中的核心角色，它負責將每一條從視覺數(shù)據(jù)傳輸模塊中獲得的視覺數(shù)據(jù)（包括原始視覺數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)）根據(jù)不同的分類，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中對應的存儲過程存入指定的數(shù)據(jù)庫表格，同時當視覺數(shù)據(jù)存儲整個流程完成之后，通知視覺數(shù)據(jù)傳輸模塊反饋記錄完成信號給到PLC控制器，保證PLC控制器中的系統(tǒng)狀態(tài)復位，確保系統(tǒng)能正常進行下一條視覺數(shù)據(jù)的記錄流程。數(shù)據(jù)庫中最終記錄的單條視覺數(shù)據(jù)記錄的格式，如表2所示。其數(shù)據(jù)記錄所需存儲空間比一張照片大幅降低。

4 機器人視覺記錄系統(tǒng)應用

通過完成上述軟硬件設計，本文為帶有視覺功能的涂膠機器人系統(tǒng)提供了一個可靠穩(wěn)定的視覺數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。一個較為成功的涂膠機器人視覺記錄系統(tǒng)的應用案例是FANUC的機器人系統(tǒng)軟件SMARTworks。SMARTworks是FANUC提供給客戶的機器人系統(tǒng)中運行于工業(yè)計算機上GUI軟件[6]。它主要應用于整車焊裝、涂裝等車間，向終端用戶提供各類數(shù)據(jù)記錄功能。目前SMARTworks軟件的用戶主要有包括一汽大眾、上汽通用和特斯拉等在內(nèi)的眾多中外知名整車制造廠商。

圖5所示是SMARTworks的圖形界面，它展示的是涂裝車間的涂膠機器人視覺記錄的最終報表。該報表中顯示的數(shù)據(jù)包括了車型、生產(chǎn)模式等生產(chǎn)信息以及車身XYZ各方向上的偏移量。涂膠工藝人員可以根據(jù)不同的字段對視覺數(shù)據(jù)進行索引、歸類或者匯總，也可以將數(shù)據(jù)以Excel文件導出用于其他地方，整個視覺記錄系統(tǒng)提供的功能豐富又便捷。

5 總結

本文首先從存儲容量和數(shù)據(jù)內(nèi)容等系統(tǒng)需求出發(fā)，提出了涂膠機器人視覺記錄系統(tǒng)的設計目標，并對其設計原理進行了深入分析。然后給出了整個系統(tǒng)的詳細硬軟件設計方案。該設計方案己成功應用于FANUC的涂膠機器人系統(tǒng)，并給整車廠客戶帶來良好的用戶體驗。隨著整車制造中機器人涂膠工藝的不斷進步，工藝分析所需的數(shù)據(jù)容量和工具要求也不斷提高。本文所述的系統(tǒng)設計，在不過多增加成本的前提下對涂膠機器人視覺記錄系統(tǒng)各方面性能提升有很大幫助。

參考文獻

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作者簡介

謝哲天（1984-），男，江蘇省無錫市人。碩士研究生，畢業(yè)于慕尼黑工業(yè)大學，中級工程師。研究方向為機器人系統(tǒng)的軟件設計開發(fā)。