機(jī)器自動(dòng)化與視覺系統(tǒng)在車燈制造行業(yè)的應(yīng)用

武光澤，袁明月，薛亞峰，朱榮華，蔣敏

(常州星宇車燈股份有限公司,江蘇常州 213000)

0 引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，機(jī)器人在車燈制造行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。除了傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，協(xié)作輔助機(jī)器人也應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)家2025計(jì)劃已經(jīng)把中國(guó)智造推上日程，圍繞汽車、機(jī)械、電子行業(yè)的工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，促進(jìn)了機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，擴(kuò)大了機(jī)器人的市場(chǎng)應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體、減速器、伺服電機(jī)、控制器、視覺系統(tǒng)、傳感器與驅(qū)動(dòng)器等關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)制造[1]。

機(jī)器視覺作為自動(dòng)化界高智能化產(chǎn)品，未來(lái)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。汽車行業(yè)的驅(qū)動(dòng)器和車燈制造廠商過去幾年正在采購(gòu)大量自動(dòng)化設(shè)備取代人工，以應(yīng)對(duì)中國(guó)愈演愈烈的缺工現(xiàn)象，未來(lái)幾年這一現(xiàn)象將達(dá)到高潮。國(guó)內(nèi)一流的車燈制造商紛紛選擇提高自動(dòng)化程度，集成機(jī)器人和機(jī)器視覺的應(yīng)用成為自動(dòng)化生產(chǎn)線不可獲取的主流技術(shù)[2]。

1 機(jī)器視覺系統(tǒng)概述

機(jī)器視覺系統(tǒng)是利用機(jī)器代替人眼作各種測(cè)量和判斷[3]。它是計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)重要分支，綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、信號(hào)處理、光機(jī)電一體化等多個(gè)領(lǐng)域。圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，也大大地推動(dòng)了機(jī)器視覺的發(fā)展。

視覺系統(tǒng)與機(jī)器人集成，完成檢測(cè)、識(shí)別、定位、抓取、測(cè)量等一系列工作，具有穩(wěn)定可靠、長(zhǎng)期工作、速度快、精度高等特點(diǎn)。

2 自動(dòng)化領(lǐng)域中機(jī)器人和機(jī)器視覺的應(yīng)用案例

(1)機(jī)器視覺引導(dǎo)機(jī)器人完成蓋板自動(dòng)上料

該視覺系統(tǒng)用于FE-6驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)線的蓋板上料工位，通過康耐視相機(jī)完成了蓋板的糾正，引導(dǎo)UR機(jī)器人完成自動(dòng)上料，精度達(dá)到±0.1 mm，節(jié)拍20 s。

蓋板放置在料盒工裝內(nèi)，固定在自動(dòng)線工作臺(tái)面。相機(jī)和光源通過工裝固定在拍照點(diǎn)下方的臺(tái)面上，相機(jī)向上拍照，光源向上照射。料盒里面放置70片蓋板，料盒下方有4個(gè)光電傳感器，放料點(diǎn)側(cè)方安裝一個(gè)光電傳感器。UR機(jī)器人通過I/O通信接受傳感器的信號(hào)，按先后順序從有料的儲(chǔ)料盒吸取蓋板。機(jī)器人給PLC發(fā)信號(hào)，PLC觸發(fā)吸盤工裝將蓋板吸起來(lái)，移動(dòng)到光源和相機(jī)上方。機(jī)器人到達(dá)拍照點(diǎn)后，觸發(fā)智能相機(jī)拍照。智能相機(jī)通過照片和標(biāo)準(zhǔn)圖片對(duì)比，計(jì)算出X、Y、角度偏差，把偏差值傳送給UR機(jī)器人。UR機(jī)器人接受智能相機(jī)信號(hào)后移動(dòng)到上料等待點(diǎn)，準(zhǔn)備接受上料信號(hào)。臺(tái)達(dá)機(jī)器人帶動(dòng)鎖付系統(tǒng)完成殼體內(nèi)PCB板的2顆螺釘鎖付，PLC觸發(fā)UR機(jī)器人上蓋板，UR機(jī)器人將上蓋板完成信號(hào)傳給PLC后，臺(tái)達(dá)機(jī)器人鎖最后2個(gè)螺絲，PLC觸發(fā)UR機(jī)器人完成成品下料。圖1為機(jī)器視覺引導(dǎo)機(jī)器人上料。

圖1 機(jī)器視覺引導(dǎo)機(jī)器人上料

圖2為標(biāo)準(zhǔn)圖片和機(jī)器視覺效果對(duì)比。該機(jī)器視覺引導(dǎo)的定位抓取系統(tǒng)，通過相機(jī)抓取的蓋板照片與標(biāo)準(zhǔn)圖片對(duì)比，計(jì)算蓋板X、Y、角度偏差。其中X、Y向差值通過單位換算，對(duì)應(yīng)機(jī)器人坐標(biāo)系中的X、Y向的移動(dòng)補(bǔ)償值；角度值不需要換算，直接對(duì)應(yīng)機(jī)器人坐標(biāo)系中的Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度值。同時(shí)對(duì)蓋板的特征點(diǎn)進(jìn)行判斷，如果蓋板抓取錯(cuò)誤或偏差超出范圍，則給機(jī)器人NG下料信號(hào)。通過以上步驟，即可完成對(duì)來(lái)料蓋板的識(shí)別和糾正。

圖2 視覺效果圖

(2)機(jī)器視覺引導(dǎo)三軸機(jī)械手完成涂膠檢測(cè)

搭載點(diǎn)膠系統(tǒng)的直角坐標(biāo)檢測(cè)平臺(tái)[4]，滿足工廠自動(dòng)化線和手動(dòng)線的點(diǎn)膠工位需求，實(shí)現(xiàn)高速精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制，智能檢測(cè)視覺系統(tǒng)避免涂膠不合格品流出。該平臺(tái)不僅可以用于涂膠、檢測(cè)，還可以用于視覺引導(dǎo)螺絲機(jī)打螺絲。它通用性高、集成簡(jiǎn)單，可以廣泛用于電子工廠生產(chǎn)線。其中三軸控制器采用臺(tái)達(dá)的MH1控制器，可用于與多種模塊通信，也可將涂膠面積、涂膠位置、螺絲扭矩等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給PC端，完成數(shù)據(jù)采集和分析。智能視覺點(diǎn)膠系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 智能視覺點(diǎn)膠系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)精度可以達(dá)到0.01～0.03 mm，在X軸、Y軸、Z軸的運(yùn)動(dòng)最遠(yuǎn)可分別達(dá)到500、400、300 mm，視覺檢測(cè)精度可以達(dá)到15像素。

該平臺(tái)以X、Y、Z三軸直角坐標(biāo)系統(tǒng)為基本模型，以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單軸機(jī)械臂為基本運(yùn)動(dòng)單元，通過相機(jī)對(duì)涂膠結(jié)果做視覺檢測(cè)：

①X、Y、Z三軸。三軸采用KK86系列模組，設(shè)計(jì)及安裝容易，絲桿和線性滑軌結(jié)合在一起，精度高、安裝快、鋼性高、節(jié)省空間。

②電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。采用ECMA系列電機(jī)搭配ASDA系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器，其中控制Z軸的電機(jī)帶剎車功能，精度可以控制在0.01～0.03 mm。

③視覺系統(tǒng)。選用DMV系列視覺系統(tǒng)，操作界面人性化，編程方便。支持I/O以太網(wǎng)，RS232、RS485通信接口，可實(shí)現(xiàn)多功能檢測(cè)任務(wù)運(yùn)行處理。

(3)視覺測(cè)量系統(tǒng)

零件尺寸檢測(cè)平臺(tái)，采用智能相機(jī)方案，不同零件選擇不同的測(cè)試程序，即可完成多個(gè)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試、數(shù)據(jù)記錄，尺寸測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示，圖5為尺寸測(cè)量效果圖。

圖4 尺寸測(cè)量系統(tǒng)

圖5 尺寸測(cè)量圖

檢測(cè)內(nèi)容包括孔徑、孔與孔之間的距離、孔到邊的距離、邊到邊的距離。檢測(cè)范圍為130 mm×130 mm，檢測(cè)精度可以達(dá)到±0.1 mm。

可以滿足大部分驅(qū)動(dòng)器、蓋板、螺孔的尺寸檢測(cè)，保證了現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器來(lái)料的孔距、邊緣尺寸的一致性，為自動(dòng)化的裝配保證了來(lái)料的質(zhì)量。尺寸檢測(cè)還可以應(yīng)用在自動(dòng)線體系中，通過相機(jī)把產(chǎn)品的合格、NG數(shù)據(jù)傳輸給PLC，保證了總裝驅(qū)動(dòng)器的產(chǎn)品質(zhì)量，并且具有數(shù)據(jù)追溯功能，可以在后期集成MES系統(tǒng)，實(shí)時(shí)將信息傳送給客戶端。

3 總結(jié)

機(jī)械自動(dòng)化已經(jīng)打破了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，工業(yè)自動(dòng)化離不開工業(yè)機(jī)器人、模組機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用。

機(jī)器視覺系統(tǒng)與人類視覺系統(tǒng)類似，可以快速獲取大量信息，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，處理分析數(shù)據(jù)，滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線無(wú)人化的要求。機(jī)器視覺就像人的眼睛，能夠引導(dǎo)自己的手臂完成指定程度的動(dòng)作，使得機(jī)器人在車燈自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域中得到廣泛運(yùn)用。這不僅解放了社會(huì)勞動(dòng)力，降低了日益升高的人工成本，而且提升了生產(chǎn)效率，提高了產(chǎn)品合格率和產(chǎn)品一致性。

隨著機(jī)器視覺集成機(jī)器人系統(tǒng)研究的日漸成熟，機(jī)器人和機(jī)器視覺的集成將會(huì)更好地為人類社會(huì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。