基于工業(yè)機(jī)器人與機(jī)器視覺的芯片分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

洪靖茹

摘要：隨著科技的發(fā)展，近年來工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，在制造領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍也越來越廣。由工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺檢測、PLC等系統(tǒng)構(gòu)建的芯片分揀系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)制式、可定制化生產(chǎn)，避免了工人的重復(fù)性勞動，減少了工作負(fù)擔(dān)，讓生產(chǎn)工作更加靈活，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;機(jī)器視覺;自動化控制

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）02-0091-03

隨著近年來工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，在智能生產(chǎn)線中應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)可以提高生產(chǎn)效率，降低人力資源成本，并且能夠進(jìn)行定制化生產(chǎn)，是生產(chǎn)企業(yè)在市場競爭中提高競爭力的理想途徑。將機(jī)器視覺技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相互配合，可以有效地實(shí)現(xiàn)物料的定位、拾取、搬運(yùn)等工作，從而使電子設(shè)備生產(chǎn)線的自動化水平得到提升。本文以ABB六軸工業(yè)機(jī)器人為核心、歐姆龍機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)、西門子PLC、HMI人機(jī)交互系統(tǒng)構(gòu)成的工作站為例，介紹了典型的基于工業(yè)機(jī)器人與機(jī)器視覺的芯片分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

基于工業(yè)機(jī)器人與機(jī)器視覺的芯片分揀系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人、控制系統(tǒng)、機(jī)器視覺檢測組件、芯片原料盤、芯片裝配單元組成。工業(yè)機(jī)器人可根據(jù)實(shí)際尺寸及需要進(jìn)行選擇，在本系統(tǒng)中，選用ABB的桌面型小負(fù)載串聯(lián)關(guān)節(jié)六自由度機(jī)器人IRB120，它具有小巧靈活的特點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人工作時通過機(jī)器人控制器與機(jī)器視覺、PLC之間的通訊來完成對芯片的檢測和安裝控制。其工作原理為：工作時，芯片放置在芯片原料盤的凹槽位置處，機(jī)器人抓取芯片之后，通過機(jī)器視覺對芯片進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果通過串行接口傳遞給工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)程序設(shè)定，將符合條件的芯片安裝到PCB板的指定位置。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)硬件型號選擇

工業(yè)機(jī)器人與機(jī)器視覺的芯片分揀系統(tǒng)硬件型號選擇如下：

1）機(jī)器人控制系統(tǒng)：使用ABB標(biāo)準(zhǔn)I/O板（DSQC652信號板），該信號板包含有16個數(shù)字量的輸入和16個數(shù)字量的輸出接口，完成外部信號的采集和接收，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的分揀工作。

2）PLC控制器：采用西門子S7-200SMART系列小型PLC，該P(yáng)LC的主機(jī)主要包括CPU模塊、信號板、網(wǎng)絡(luò)通信接口、人性化軟件等諸多功能特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)CPU、編程設(shè)備和HMI之間的多種通信。

3）HMI人機(jī)界面：威綸通TK6070IP型觸摸屏，主要硬件參數(shù)有7英寸TFT LCD，內(nèi)存128M+64MB，顯示色彩65536色，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人工藝參數(shù)的設(shè)置和過程控制功能。

4）機(jī)器視覺：采用歐姆龍F(tuán)H L550機(jī)器視覺系統(tǒng)，它由圖像采集單元、圖像采集信息處理單元、圖像處理軟件、網(wǎng)絡(luò)通信裝置等構(gòu)成。圖像處理軟件能夠?qū)D片進(jìn)行幾何邊緣的提取、Blob、灰度直方圖、OCV/OVR、簡單的定位和搜索等。具有結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，易于安裝在生產(chǎn)線和各種設(shè)備上，并且便于裝卸和移動的優(yōu)點(diǎn)。

2.3機(jī)器視覺檢測設(shè)計(jì)

在“登錄模型”頁面中，單擊“編輯”按鍵，選擇合適的待檢測形狀，然后進(jìn)入“區(qū)域設(shè)置”頁面，在該頁面設(shè)置智能相機(jī)將要進(jìn)行搜索的區(qū)域，該區(qū)域設(shè)置時可以盡量選大一些。在“檢測點(diǎn)”頁面中，選擇“指定方法”為“直接指定”。在“測量參數(shù)”頁面中可以選擇高精度模式和物體檢測角度等。

2.4 氣路設(shè)計(jì)

在該芯片分揀系統(tǒng)中共有4個氣路，其中芯片吸盤電磁閥控制本系統(tǒng)中的待分揀芯片的拾取與放回動作，工具快換控制電磁閥控制吸盤工具的取放，蓋板吸盤電磁閥用于在芯片分揀完畢之后給PCB板安裝透明蓋板。

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與運(yùn)行

3.1工業(yè)機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人在該系統(tǒng)中的運(yùn)動動作包括機(jī)器人本體的六軸關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡以及機(jī)器人快換裝置對于氣動吸盤工具的吸取、放下物料，這些運(yùn)動動作由工業(yè)機(jī)器人的示教器上所運(yùn)行的RAPID程序來進(jìn)行控制，在程序設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，首先要通過手動操作對機(jī)器人運(yùn)動軌跡中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行示教，包括原料盤上的芯片放置物料點(diǎn)、機(jī)器視覺拍照點(diǎn)、PCB板的物料放置點(diǎn)，以及這些點(diǎn)位所對應(yīng)的過渡點(diǎn)、接近點(diǎn)、逃逸點(diǎn)和安全點(diǎn)。確定關(guān)鍵點(diǎn)之后，根據(jù)輸入輸出信號編制芯片分揀系統(tǒng)機(jī)器人程序流程圖。根據(jù)流程圖編制工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)程序。

PROC main（）

WaitDI DI10_10，1;//從觸摸屏設(shè)置機(jī)器人開始運(yùn)動按鍵，當(dāng)觸摸屏發(fā)出信號時，觸發(fā)下面的程序

for i from 1 to 4 do//以4個芯片的分揀為例，依次拾取芯片

movel a，v1000，fine，tool0;//a點(diǎn)為一個安全的過渡點(diǎn)

gj yldw{i}，1，10;//調(diào)用機(jī)器人運(yùn)動及吸盤動作程序，其中參數(shù)1為原料點(diǎn)位，參數(shù)2為吸盤“吸”，參數(shù)3為偏移值10㎜

movel PH，v1000，fine，tool0;//機(jī)器人運(yùn)動到機(jī)器視覺拍照點(diǎn)

getphoto;//調(diào)用機(jī)器人與機(jī)器視覺通訊和拍照程序

if StrCCD Part = StrCCD OK then//添加“string”數(shù)據(jù)，命名為“StrCCD OK”，存儲類型為常量，值為空格加1，添加判斷語句“IF”對“StrCCD Part”與“StrCCD OK”進(jìn)行對比

gj pcbdw{i}，2，10;//當(dāng)拍照結(jié)果為OK時，芯片為符合要求的目標(biāo)芯片，調(diào)用機(jī)器人運(yùn)動及吸盤動作程序，其中參數(shù)1為PCB板上芯片目標(biāo)點(diǎn)位，參數(shù)2為吸盤“放”，參數(shù)3為偏移值10㎜

else

gj yldw{i}，2，10;//當(dāng)拍照結(jié)果為NG時，芯片不符合安裝要求，調(diào)用機(jī)器人運(yùn)動及吸盤動作程序，將芯片放回原料區(qū)

endif

endfor

END PROC

proc gj（robtarget wz，num dz，num py） ?//機(jī)器人運(yùn)動及吸盤動作程序，其中參數(shù)1為目標(biāo)點(diǎn)位，參數(shù)2為吸盤動作，參數(shù)3為偏移值

movel offs（wz，0，0，py），v800，fine，tool0;//機(jī)器人運(yùn)動到目標(biāo)點(diǎn)位上方，Z軸偏移參數(shù)所示數(shù)值

movel wz，v100，fine，tool0;//機(jī)器人運(yùn)動到目標(biāo)點(diǎn)位

test dz

case 1：//吸盤進(jìn)行“吸”的動作

waittime 0.5;

set vacunm_2;

waittime 0.5;

case 2：//吸盤進(jìn)行“放”的動作

waittime 0.5;

reset vacunm_2;

waittime 0.5;

endtest

movel offs（wz，0，0，py），v100，fine，tool0; //機(jī)器人運(yùn)動到目標(biāo)點(diǎn)位上方，Z軸偏移參數(shù)所示數(shù)值

endproc

3.2 ?PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)，機(jī)器人程序里SETGO GIO 1;PLC接收到1，當(dāng)觸摸屏按下運(yùn)行鍵，機(jī)器人收到輸入信號waitdi yx，1;完成人機(jī)交互控制部分。

3.3機(jī)器視覺與機(jī)器人通訊程序設(shè)計(jì)

將歐姆龍視覺系統(tǒng)與機(jī)器人通過以太網(wǎng)連接通訊，并通過設(shè)計(jì)歐姆龍機(jī)器視覺流程與編輯RAPID程序，完成機(jī)器視覺系統(tǒng)外部命令輸入以及判定結(jié)果的輸出。

在歐姆龍機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)置菜單欄中“工具”-“系統(tǒng)設(shè)置”-“通信”-“以太網(wǎng)（無協(xié)議）”，在右側(cè)框內(nèi)設(shè)定IP地址192.168.100.101與端口號1400。在“場景組1”與“場景1”中添加“形狀搜索、串行數(shù)據(jù)輸出”，在串行數(shù)據(jù)輸出項(xiàng)目中，“設(shè)定”中添加數(shù)據(jù)0的表達(dá)式TJG，在串行數(shù)據(jù)輸出項(xiàng)目中“輸出格式”中選擇“以太網(wǎng)，ASCII”為輸出形式。在ABB機(jī)器人的示教器“控制面板”-“配置”-“communication”-“IP setting”添加機(jī)器人地址192.168.100.100。

在機(jī)器人程序列表中添加通訊和拍照程序：

PROC getphoto（）

SocketCreate socket1;   ? ?//創(chuàng)建連接，新建socket類型程序數(shù)據(jù)socket1，存儲類型必須為“變量”

SocketConnect socket1，”192.168.100.101”，1400＼Time：=10; ? //通過1400端口連接機(jī)器視覺的IP地址，添加“可選變量”，使用“可選變量＼Time”，設(shè)定時間為10秒

TPWrite “R-C_OK”; //添加寫屏指令，如果成功連接機(jī)器人與機(jī)器視覺，建立通信，則在屏幕上顯示“R-C_OK”

Waittime 0.2;

Socketsend socket1＼Str：=”SCNGROUP 1”; ?//向機(jī)器視覺發(fā)出組信號，選擇1號場景組

Waittime 0.2;

Socketsend socket1＼Str：=”SCENE 1”; ? //向機(jī)器視覺發(fā)出場景信號，選擇1號場景

Waittime 0.2;

Socketsend socket1＼Str：=”M”; ?//向機(jī)器視覺發(fā)出允許拍照信號

Waittime 0.2;

SocketReceive socket1＼Str：=ph_result＼Time：=10; ?//新建數(shù)據(jù)類型為“string”的程序數(shù)據(jù)“ph_result”，收到機(jī)器視覺發(fā)出的信號采集結(jié)果信號，存儲到字符串ph_result

StrCCD Part：=StrPart（ph_result，18，2）; ?//新建數(shù)據(jù)類型為“string”的程序數(shù)據(jù)“StrCCD Part”，對信號采集結(jié)果信號進(jìn)行提取，從18位開始提取2位，即18/19位，如果采集結(jié)果為OK，則提取值為“空格 1”，如果采集結(jié)果為NG，則提取值為“-1”，賦值給“StrCCD Part”。

End proc//程序結(jié)束

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人的動作的高精度優(yōu)勢帶來了高效的生產(chǎn)效率，配合機(jī)器視覺組成的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量，使得生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)人工生產(chǎn)得到了提升，可以將人們從不斷重復(fù)的體力勞動中解放出來，該系統(tǒng)的操作控制方式可以推廣應(yīng)用于其他工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，基于工業(yè)機(jī)器人與機(jī)器視覺的芯片分揀系統(tǒng)也會越來越多地應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

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