基于視覺(jué)引導(dǎo)的機(jī)器人缸蓋上料系統(tǒng)的應(yīng)用

陸賢輝　張善文

摘 要：本文主要描述一種由機(jī)器視覺(jué)定位引導(dǎo)機(jī)器人抓取缸蓋，經(jīng)過(guò)PLC傳遞控制信號(hào)，最終完成自動(dòng)上料過(guò)程的系統(tǒng)。利用機(jī)器人代替人工，不僅可以減少在搬運(yùn)過(guò)程中發(fā)生的工件掉落砸傷事故，保證生產(chǎn)順利進(jìn)行，還可以節(jié)約高昂的人工費(fèi)，降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué) 機(jī)器人 PLC 控制 自動(dòng)上料

Application of Robot Cylinder Head Feeding System based on Vision Guidance

Lu Xianhui，Zhang Shanwen

Abstract：This paper mainly describes a system that guides the robot to grab the cylinder head by machine vision positioning， transmits control signals through PLC， and finally completes the automatic feeding process. The use of robots instead of labor can not only reduce the accident of falling and smashed workpieces during the handling process， and ensure the smooth progress of production， but also save high labor costs， reduce production costs， and bring greater economic benefits to enterprises.

Key words：machine vision， robot， PLC， control， automatic feeding

隨著人工成本的不斷上升，運(yùn)用機(jī)器代替人工已經(jīng)成為很多制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要手段。利用機(jī)械手完成物料的搬運(yùn)和運(yùn)輸，與傳統(tǒng)的人工相比，它可以穩(wěn)定地按照我們?cè)O(shè)置好的節(jié)拍不間斷地重復(fù)完成工作。而且，在一些較重物料運(yùn)輸，或者工作環(huán)境比較惡劣的情況下，機(jī)械手可以更加高效的工作，同時(shí)可以避免砸傷、壓傷等意外的發(fā)生，降低安全成本[1]。隨著“中國(guó)制造2025”的提出，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化的要求也越來(lái)越高，生產(chǎn)過(guò)程已經(jīng)逐漸由機(jī)器人來(lái)完成，在一些難度比較高且枯燥的工作中發(fā)揮了重大的作用。而機(jī)器視覺(jué)的研發(fā)，提高了機(jī)器人的精度，保證工作可以以更高的穩(wěn)定性進(jìn)行。本文旨在研究基于機(jī)械視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)無(wú)序擺放零件的精確抓取，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化改造項(xiàng)目。

1 機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)框架

本項(xiàng)目采用Fanuc M-900iA，可搬運(yùn)140KG重物，重復(fù)定位精度±0.5mm，并集成自主開(kāi)發(fā)的AGV送料系統(tǒng)和自主開(kāi)發(fā)的機(jī)械視覺(jué)系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖1所示。

目前生產(chǎn)線上應(yīng)用的搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人大多是通過(guò)示教再現(xiàn)或預(yù)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的操作，機(jī)器人只是完成點(diǎn)到點(diǎn)的任務(wù)動(dòng)作，外部參數(shù)變化的物體則是無(wú)能為力[2]。本文應(yīng)用場(chǎng)景中，缸蓋在托盤(pán)中的擺放間隙有5mm左右，托盤(pán)在藍(lán)色叉車底托上的位置差異也有15mm左右，所以對(duì)機(jī)器人而言每個(gè)抓取目標(biāo)的誤差接近20mm左右。而本文采用的缸蓋上料工裝，利用缸蓋火花塞孔導(dǎo)向預(yù)定位，導(dǎo)向間隙單邊僅5mm。如果僅依靠機(jī)器人示教位置來(lái)進(jìn)行零件的抓取，成功率非常低，還會(huì)頻繁壓傷工件。

為此，本文采用自主開(kāi)發(fā)的視覺(jué)引導(dǎo)系統(tǒng)，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)視野中心300mm內(nèi)缸蓋目標(biāo)的定位孔位置計(jì)算，重復(fù)定位誤差能控制在1mm以內(nèi)。

如圖2所示是本系統(tǒng)布局圖。

①物流車沿著運(yùn)輸通道將毛坯件運(yùn)輸至滿料位;

②工業(yè)相機(jī)拍攝滿料位工件，并識(shí)別出工件的位置，然后將位置信息傳到PLC;

③PLC將傳過(guò)來(lái)的位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，再將結(jié)果傳至機(jī)器人;

④機(jī)器人接收PLC傳過(guò)來(lái)的運(yùn)算結(jié)果，再進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償，完成毛坯件的精準(zhǔn)定位，然后抓取，最終完成毛坯件自動(dòng)上料的整個(gè)過(guò)程[3]。

2 系統(tǒng)硬件集成與開(kāi)發(fā)

2.1 上料系統(tǒng)集成與開(kāi)發(fā)

如圖3所示是上料系統(tǒng)的俯視圖。

該項(xiàng)目是針對(duì)現(xiàn)有人工上料系統(tǒng)的自動(dòng)化開(kāi)發(fā)，圖中藍(lán)色框部分為原有生產(chǎn)線輸送輥道布局，紅色框部分為擬定開(kāi)發(fā)機(jī)器人上料系統(tǒng)。因此，根據(jù)抓取零件重力、夾具重力、臂長(zhǎng)、定位精度、經(jīng)濟(jì)性等綜合因素選擇好機(jī)器人信號(hào)后，現(xiàn)場(chǎng)的布局設(shè)計(jì)要依據(jù)機(jī)器人選型兼容原有的輸送輥道、新增的零件抓取位置和空托盤(pán)堆放位置如圖中A和B所示。該系統(tǒng)選擇的是FANUC機(jī)器人，它實(shí)際上是一個(gè)由六個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的六軸機(jī)械臂，通過(guò)電機(jī)之間的配合，實(shí)現(xiàn)在空間上的定位。

如圖4所示是用于抓取缸蓋毛坯件的夾具。當(dāng)相機(jī)識(shí)別出特征孔后，機(jī)器人會(huì)帶動(dòng)夾具轉(zhuǎn)到缸蓋的正上方，然后在定位銷導(dǎo)向下，到達(dá)抓取位置。

所夾取的缸蓋零件采用8個(gè)×5層的堆料方式，中間使用塑料板隔離，為此還有設(shè)計(jì)塑料板抓取的夾具。

如圖5所示是此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)抓取空托盤(pán)的夾具。夾具主要一塊電磁鐵組成和固定支架組成，但由于托盤(pán)材料不含鐵，因此我們要改造托盤(pán)，給它加上一塊鐵板。當(dāng)機(jī)器人抓完這一層的工件后，會(huì)移動(dòng)到托盤(pán)上方然后旋轉(zhuǎn)夾具，再移動(dòng)夾具靠近鐵板并給電磁鐵通電，將托盤(pán)吸起來(lái)，最后放至空托盤(pán)位置，如圖6所示。

2.2 上料系統(tǒng)與AGV集成應(yīng)用

在進(jìn)行機(jī)器人抓取之前，我們需要通過(guò)物流小車將缸蓋毛坯件拉到滿料位，如圖7是物流車運(yùn)輸空托盤(pán)的圖片。

為提高機(jī)器人抓取的成功率，需要設(shè)計(jì)專用的支架保證缸蓋毛坯件運(yùn)輸過(guò)程中的定位精度。如圖8所示分別是叉車上料支架、滿料位支架、空托盤(pán)支架。其中叉車上料支架，采用了兩個(gè)方向的自由度約束，能保證叉車上料過(guò)程中，藍(lán)色底托的定位誤差提高到10mm范圍內(nèi)，支架周邊采用了斜邊導(dǎo)向同時(shí)降低了叉車司機(jī)的作業(yè)難度，保證了一次叉裝到位的合格率。驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)AGV小車送料，主要是在AGV前進(jìn)后退方向上定位誤差較大，因此在滿料位支架上安裝一個(gè)方向的約束，降低AGV頂升機(jī)構(gòu)與藍(lán)色底托之間存在的隨機(jī)定位誤差?？胀斜P(pán)支架定位要求相對(duì)較低，設(shè)計(jì)時(shí)主要避開(kāi)AGV運(yùn)動(dòng)時(shí)的干涉。

2.3 相機(jī)識(shí)別

視覺(jué)識(shí)別功能：料車到達(dá)上料位置后，機(jī)器人將自動(dòng)移至要抓取的位置的上方，通過(guò)相機(jī)拍照識(shí)別位置完成抓取;通過(guò)工控機(jī)，我們可以實(shí)時(shí)查看相機(jī)的拍照識(shí)別狀態(tài)及機(jī)器人夾具抓取感應(yīng)狀態(tài);通過(guò)對(duì)工控機(jī)和機(jī)器人示教器的操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的所有監(jiān)控，可靠、方便[4]。

視覺(jué)識(shí)別部分包括一個(gè)相機(jī)和一個(gè)光源。除去電源線外，相機(jī)上還有網(wǎng)線插孔，通過(guò)網(wǎng)線將相機(jī)識(shí)別到數(shù)據(jù)傳輸給工控機(jī)。

由于使用的是工業(yè)相機(jī)，相機(jī)本身不會(huì)自動(dòng)聚焦，于是我們需要對(duì)每個(gè)缸蓋都識(shí)別一次，從而保證識(shí)別的準(zhǔn)確度。當(dāng)毛坯件被運(yùn)到滿料位后，機(jī)器人將會(huì)啟動(dòng)，到達(dá)將要抓取的缸蓋的上方進(jìn)行拍照識(shí)別特征，得出毛坯件在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置，然后傳到PLC中。

3 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

3.1 通訊模塊

如圖9所示是該系統(tǒng)各個(gè)部分之間的通訊原理圖。PLC作為中轉(zhuǎn)站，不僅需要接收工控機(jī)、機(jī)器人和物流車傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并作相應(yīng)的處理，同時(shí)還要控制相機(jī)開(kāi)關(guān)及安裝在機(jī)器人上的控制閥，從而完成系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。

3.2 機(jī)器人與相機(jī)間的標(biāo)定

固定在夾具支架上的相機(jī)主要用來(lái)獲取托盤(pán)上缸蓋毛坯件的圖像。光源采用白色LED光源，為相機(jī)采集圖像提供光源，支架主要用來(lái)固定相機(jī)和光源，其相對(duì)于夾具的位置是不變的，但與機(jī)器人底座的相對(duì)位置是一直變化的[5]。

由于相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系是不一樣，比例尺也是不相同的，所以，為了保證相機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)可以讓機(jī)器人直接引用，我們需要通過(guò)標(biāo)定，計(jì)算出兩個(gè)坐標(biāo)系坐標(biāo)數(shù)據(jù)的比值。

相機(jī)標(biāo)定過(guò)程：

①用白紙畫(huà)一個(gè)帶有刻度的坐標(biāo)系，然后移動(dòng)機(jī)器人去拍照;

②用看圖軟件打開(kāi)拍好的圖片，測(cè)量對(duì)應(yīng)刻度在圖片中的像素值;

③用（像素值/實(shí)際長(zhǎng)度）得出兩個(gè)坐標(biāo)系坐標(biāo)數(shù)據(jù)的比值。

如圖10所示，該圖是機(jī)器人標(biāo)定相機(jī)時(shí)需要修改的參數(shù)。

參數(shù)解釋：

參數(shù)1：相機(jī)拍照識(shí)別到的孔在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置;

參數(shù)2：計(jì)算得出的兩個(gè)坐標(biāo)系坐標(biāo)數(shù)據(jù)的比值;

參數(shù)3：標(biāo)定的第一個(gè)缸蓋毛坯件在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置;

參數(shù)4：相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系正方向之間的關(guān)系。

3.3 安全模塊

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，工作人員需要進(jìn)入防護(hù)區(qū)域展開(kāi)故障維修，此時(shí)工人進(jìn)入機(jī)器人的工作范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)，因此我們需要采取相應(yīng)的安全措施。

將進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)域的安全門(mén)的打開(kāi)信號(hào)和安裝在防護(hù)網(wǎng)上的光幕的信號(hào)輸入PLC和FANUC機(jī)器人，當(dāng)光幕信號(hào)或者安全門(mén)信號(hào)被觸發(fā)時(shí)判定區(qū)域內(nèi)有人員進(jìn)入，如圖11和圖12分別是安全門(mén)及安全光幕的電路圖。

在防護(hù)網(wǎng)上安裝急停按鈕，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，我們可以通過(guò)急停按鈕暫停機(jī)器人，避免發(fā)生意外傷亡事故。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于當(dāng)前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線的特點(diǎn)，結(jié)合智慧物流小車及FANUC六軸機(jī)器人的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套從運(yùn)輸?shù)缴狭系娜詣?dòng)化系統(tǒng)。針對(duì)抓取缸蓋毛坯和隔板兩種不同的場(chǎng)景，我們分別設(shè)計(jì)了專屬的夾具，并自主開(kāi)發(fā)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，解決了工業(yè)機(jī)器人因零件擺放的位置誤差大而產(chǎn)生的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)抓取合格率低等問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的缸蓋夾具工裝和托盤(pán)夾具工裝在其他自動(dòng)化項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，不僅降低了設(shè)備制造成本，也提高了零件和托盤(pán)抓取的合格率。

本文所設(shè)計(jì)的缸蓋上料系統(tǒng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)一年多的應(yīng)用，驗(yàn)證該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，不僅滿足我國(guó)當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，而且大幅度降低操作人員工作強(qiáng)度，節(jié)約了制造成本，避免了人工上料過(guò)程中砸傷風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用將進(jìn)一步提高我國(guó)的自動(dòng)化生產(chǎn)水平，并為發(fā)展全自動(dòng)化產(chǎn)線做好鋪墊。

參考文獻(xiàn)：

[1]冼業(yè)榮.自動(dòng)上料機(jī)械手的研究與設(shè)計(jì).廣東省機(jī)械研究所，廣東廣州.510635.

[2]基于機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)機(jī)器人抓取技術(shù)的研究[D].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011，第4～5頁(yè).

[3]工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)紙箱坯拆垛——上料系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用——李 欣，河北省機(jī)電一體化中試基地，河北石家莊.050081.

[4]閆志明，王家勇.FANUC 機(jī)器人在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線上的應(yīng)用.沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化公司.