基于機器視覺的機器人智能制造實踐應(yīng)用研究

張彬 翟志國 衛(wèi)春強 曹修青 劉云

摘? 要： 科技是時代進步的推動力，隨著我國制造強國戰(zhàn)略的穩(wěn)步向前推進，智能制造成為了“中國制造2025”明確的主攻方向，而機器人則是智 能制造發(fā)展的重要內(nèi)容與支撐。在未來，智能制造與機器人技術(shù)將取得顯著進展，逐步推動我國制造業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，并不斷邁向中高端層次。

關(guān)鍵詞： 機器視覺;機器人;智能制造;實踐應(yīng)用

1 智能制造

當(dāng)前自動化控制技術(shù)尚未出現(xiàn)革命性突破之前，所謂智能制造是通過 物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、傳感器技術(shù)等來實現(xiàn)，這并沒有脫離自動化，而是對自 動化一定程度的升級，機器人體現(xiàn)了這種技術(shù)的整合特性。事實上孤立的 機器人在生產(chǎn)制造當(dāng)中沒有任何價值可言。從智能制造的角度來講，在真 正的強人工智能未出現(xiàn)的當(dāng)下，所有的AI都只能算初級AI ，它以數(shù)據(jù)為智 能的基本構(gòu)成元素， 而精準、有時效性的數(shù)據(jù)則是關(guān)鍵。目前工業(yè)4.0的典 型代表數(shù)字工廠，實際上就是以數(shù)據(jù)推動的智能化工廠，盡管它并不是真 正的智能工廠，它的基礎(chǔ)是通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對工廠自動化設(shè)備的整合，以 最少量的人從事創(chuàng)意性的工作，用自動化裝備來實現(xiàn)全自動化的生產(chǎn)[1] 。? 2 機器人應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

2.1? 機器人在智能制造應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)下很多企業(yè)開始使用工業(yè)機器人取代人力，從事各種生產(chǎn)工作，這 使工業(yè)機器人行業(yè)迎來了一波發(fā)展高潮。而探究其主要原因是因為人力成 本逐漸上升高于機器人使用成本。不同的工業(yè)機器人，其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)也 不同[2]。（ 1 ）弧焊機器人：該機器人簡單地說，其關(guān)鍵技術(shù)包括交流伺候 服驅(qū)動、剛性高精度RV減速機，及諧波減速器。在低速和高速方面，前者 穩(wěn)定性強，后者動態(tài)響應(yīng)快，能減少維護。（ 2 ）激光加工機器人：該機 器人的關(guān)鍵技術(shù)包括了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，框架式本體結(jié)構(gòu)大范圍應(yīng)用， 作業(yè)范圍變大還能確保精度。以及系統(tǒng)誤差補償這一技術(shù)，立足一體化機 器人有著大工作空間和高精度需求，聯(lián)系結(jié)構(gòu)特征，依托非模型辦法與模 型辦法聯(lián)合的混合機器人補償方式，來實現(xiàn)幾何參數(shù)、非幾何參與的誤差 補償。另外，還有高精度檢測技術(shù)，集合坐標測量和機器人這兩個技術(shù)， 機器人在線測量，精度很高。最后，網(wǎng)絡(luò)通信、離線編程技術(shù)，可實現(xiàn)串 口、 CAN網(wǎng)絡(luò)通信，并監(jiān)控管理機器人生產(chǎn)線，由上位機控制機器人離線 編程[3]。

2.2? 機器人技術(shù)的發(fā)展趨向

（ 1 ）從串聯(lián)發(fā)展為串并混聯(lián)機器人。最開始，機器人主要是串聯(lián)較 多，但伴隨市場的發(fā)展，現(xiàn)在既需要串聯(lián)機器人，又需要并聯(lián)機器人。串 并混聯(lián)機器人兼顧并聯(lián)機構(gòu)剛度大與串聯(lián)機構(gòu)控制空間大兩種優(yōu)點，是機 構(gòu)學(xué)研究的主要方向[4]。（ 2 ）從剛體發(fā)展為剛?cè)狍w機器人?，F(xiàn)在不單單 要研發(fā)剛性，還需研發(fā)柔性機器人，像是英國某公司的蛇形機器人，以及 我國許多學(xué)校研發(fā)的章魚須、蛇等柔軟多節(jié)結(jié)構(gòu)的工業(yè)機器人。工業(yè)機器 人未來發(fā)展的關(guān)鍵特質(zhì)便是柔性。對于機器人來說，柔體的應(yīng)用能靈活其 末端抑或是本體，讓其可達性范圍更大。柔性機器人最大的優(yōu)點便是可達 性，像是航空構(gòu)件制造有些深孔，常規(guī)方法打不進去，使用柔性機器人就 可以很好地解決這一問題[5]。（ 3 ）從機器人作業(yè)發(fā)展為多機器人協(xié)同作 業(yè)。這為機器人發(fā)展的趨勢之一。制造空間分布、任務(wù)并行、功能分布等 方面，單機器人都受到限制，要由多機器人來協(xié)同合作完成。智能化、數(shù) 字化車間構(gòu)建，無法依靠單個機器人，尤其是大尺寸的焊接裝備，可靠 性、靈活性、負載的能量等，都要由多機器人來協(xié)作完成[1]。（ 4 ）機器 人技術(shù)和虛擬現(xiàn)實結(jié)合應(yīng)用。機器人技術(shù)和虛擬現(xiàn)實結(jié)合應(yīng)用是很有必要 的，這可以減少研制時對實體機器人的依賴，減少生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效 率，還能避免機器人帶來的安全隱患[5]。（ 5 ）機器人技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合應(yīng) 用。機器人技術(shù)并非孤立的，其是系統(tǒng)工程，可以將其和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合進行 應(yīng)用。譬如，之前浙江省融合了物聯(lián)網(wǎng)和機器人，生產(chǎn)出自動化智能柔性 焊接裝配，十分高效。依靠物聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)機器人能擁有感知力，也就有了 觸覺、味覺、視覺，還能采集生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù)[2]。

3 生產(chǎn)節(jié)拍提升設(shè)計

3.1? 參數(shù)設(shè)置標準化

經(jīng)過大量測量數(shù)據(jù)分析，得出以下參數(shù)經(jīng)驗值設(shè)置會在保證測量 精度的前提下最大限度提高節(jié)拍：傳感器延遲（sensordelay），這個參 數(shù)是防止機器人剛到位置就進行測量，此時機器人的抖動對檢測結(jié)果有 影響，設(shè)置參數(shù)過大會影響節(jié)拍，過小機器人抖動仍有影響，經(jīng)驗值為 500ms。循環(huán)次數(shù)（ Num.ofCycles）， 此設(shè)置是當(dāng)一次檢測不合格之后重 新進行的次數(shù)，重復(fù)次數(shù)超過設(shè)定次數(shù)并且都是不合格的時候會調(diào)用歷史 數(shù)值。因此若循環(huán)值設(shè)置過大會導(dǎo)致在不合格的時候多次重復(fù)測量，從而 影響節(jié)拍， 經(jīng)驗值為3。超過三次，檢查原因或者取平均值。 Training質(zhì)量 （Quality）越好，機器人越能在最快時間從Training位到達測量位，所以 一般將Training質(zhì)量做到接近極限值1最好。補償值（offset），如果車身 數(shù)據(jù)有批量波動，在臨時生產(chǎn)情況下，需要根據(jù)工裝參數(shù)設(shè)置某一方向補 償值，用來適應(yīng)本批次車身[3]。拍攝次數(shù)（ samples）會對節(jié)拍有影響，因 為最終結(jié)果是計算平均值，因此拍攝次數(shù)越多，采樣數(shù)據(jù)越準確，越接近 車身真實數(shù)值，但是會導(dǎo)致節(jié)拍時間增加，一般經(jīng)驗值取10。檢測時長 （controltimeout）用于設(shè)置測點檢測時長，超過檢測時長認為車身數(shù)據(jù)不 合格，一般經(jīng)驗值取10。

3.2? 緊湊的工藝路線

在全線機器人參與工藝制造的條件下，一般會在PLC側(cè)將工藝路線的 GRAPH設(shè)計得比較緊湊，比如為了節(jié)省抓件時間，設(shè)置預(yù)抓件操作，即在 當(dāng)前工位工藝正在進行時，另一時序中的機器人提前抓件并在準備位等 待，或者在機器人編程時，盡量使用運行速度快的編程方式;另一種方式 是在進行機器人運動軌跡規(guī)劃時，通過調(diào)整運動軌跡平滑參數(shù)，在兩條直 線路徑中采用圓弧過渡算法，從而節(jié)省軌跡長度[4]。

3.3? 工裝夾具和來件質(zhì)量穩(wěn)定性

機器視覺的檢測效率不僅取決于本身的穩(wěn)定，工裝夾具和來件質(zhì)量 的穩(wěn)定性同樣至關(guān)重要。一般來講，工裝夾具方面考慮的主要是運送車身 的滑橇，而滑橇定位取決于定位孔，車身定位孔與工位定位銷有無剮蹭， 定位孔有無磨損，為了減少這些影響，需要定期對工裝位置進行調(diào)校;來 件質(zhì)量穩(wěn)定性主要是沖壓件尺寸穩(wěn)定性、沖壓件外觀整潔性和車身連接工 藝質(zhì)量穩(wěn)定性，尺寸數(shù)據(jù)和車身連接工藝質(zhì)量需要PERCEPTRON來檢測確 保，沖壓件外觀整潔性主要看是否有油污等污染[3]。

結(jié)束語： 機器視覺是非接觸測量，可以檢測到人眼無法感受到的紅外 和微弱的光，并且在長時間穩(wěn)定運行，保證檢測精度和重復(fù)精度雙指標良 好。機器視覺運行質(zhì)量良好的前提是整體系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性，盡可能小的 減輕機器人本體抖動且保證檢測目標的位置標準化。

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