自動(dòng)上下料機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)及研究

鄭州曠臨智能科技有限公司 李艷 盧國(guó)建 邢軍偉 葛玉朝

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使用機(jī)器人來(lái)代替人類從事日常的生產(chǎn)勞作已是大勢(shì)所趨，自動(dòng)化必將代替人類以往的生產(chǎn)方式。近年來(lái)工廠自動(dòng)化水平在飛速提高，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的領(lǐng)域也越來(lái)越多。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，采用機(jī)器人來(lái)替代人工，完成物料的自動(dòng)抓取、上料、下料、裝卡、工件移位翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序加工等一系列上下料工作任務(wù)，從而極大地節(jié)約了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。

在信息化與工業(yè)技術(shù)不斷融合的背景下，智能化生產(chǎn)也在飛速發(fā)展，其中以機(jī)器人為核心代表的智能化產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化水平已經(jīng)處于世界前列，而我國(guó)工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還有待提高，其中功能單一化、智能化程度不高、操作復(fù)雜等是現(xiàn)階段我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的重要缺陷，由此導(dǎo)致我國(guó)生產(chǎn)線自動(dòng)化水平比較低，根據(jù)有關(guān)研究顯示，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)線仍然依靠人工進(jìn)行取料操作，而一般的生產(chǎn)線環(huán)境較惡劣，噪聲較大，上下料人員需要不停歇地單一進(jìn)行上下料操作，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、易疲勞，而且生產(chǎn)效率低下。根據(jù)這種實(shí)際情況非常需要一種能夠代替人工進(jìn)行自動(dòng)上下料操作的機(jī)器，而本文自主設(shè)計(jì)的基于PLC 和視覺識(shí)別系統(tǒng)的自動(dòng)上下料機(jī)器人不僅可以按照生產(chǎn)需求對(duì)工件進(jìn)行準(zhǔn)確的抓取，完成上下料操作，而且可以對(duì)加工對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)。

如圖1 所示，自動(dòng)上下料機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人的控制系統(tǒng)、視覺識(shí)別系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和機(jī)械部分組成，包括機(jī)器人、攝像頭、工控機(jī)、操作控制臺(tái)和工作臺(tái)?？刂葡到y(tǒng)主要是根據(jù)設(shè)定的程序驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂完成氣門取料、放料動(dòng)作。視覺識(shí)別系統(tǒng)主要是根據(jù)攝像頭拍攝的照片，依據(jù)算法分析照片上氣門的位置坐標(biāo)，然后將位置坐標(biāo)信息發(fā)送給機(jī)器人的控制中心。電氣控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)給其他設(shè)備供電，調(diào)度機(jī)器人、視覺識(shí)別系統(tǒng)和人機(jī)交互顯示等。由視覺系統(tǒng)識(shí)別，將坐標(biāo)信息傳遞給控制系統(tǒng)，控制機(jī)械部分進(jìn)行實(shí)現(xiàn)上下料操作。機(jī)器人的改進(jìn)和研究有助于提高工業(yè)生產(chǎn)力水平，那么本文將主要介紹自動(dòng)上下料機(jī)器人的組成以及如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料的操作。促進(jìn)上下料機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，可以滿足工業(yè)上快速、大批量的生產(chǎn)節(jié)奏，達(dá)到節(jié)約人力資源成本、提高生產(chǎn)效率的目的[1]。

圖1 自動(dòng)上下料機(jī)器人

1 電氣控制系統(tǒng)

機(jī)械手臂由機(jī)械部分和控制部分組成，機(jī)器人的機(jī)械手臂可以由控制部分完成對(duì)氣門零件的取料、放料動(dòng)作。機(jī)器人的控制器是基于PLC 進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的，由于本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料機(jī)械臂的動(dòng)作過程相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的控制流程也相對(duì)簡(jiǎn)單，因而控制器選用PLC 作為主控單元，其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；PLC發(fā)展至今，已經(jīng)具有各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，因而PLC的功能比較完善，配套齊全。

在整個(gè)上料的過程中，工人將裝滿氣門的料盤放置在工作臺(tái)上，控制器控制機(jī)械臂從料盤中夾取氣門，送到傳送帶上完成一個(gè)工序，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)、視覺識(shí)別系統(tǒng)的位置信息傳輸抓取都需要精準(zhǔn)地接收控制器的指令信號(hào)；同時(shí)，料盤是否旋轉(zhuǎn)到位、氣門是否正確擺放、視覺識(shí)別系統(tǒng)是否可以正常獲取氣門的位置姿態(tài)信息等也是控制器需要準(zhǔn)確獲知的信息，只有這樣，才能保證整個(gè)自動(dòng)化流程順利進(jìn)行。

2 視覺識(shí)別系統(tǒng)

為了讓機(jī)器人準(zhǔn)確快速地抓取物體，如圖2 所示，可將攝像頭和光源固定在機(jī)器的上方，這種固定方式可以使成像設(shè)備更好地感知料盤上的物料信息，視覺檢測(cè)階段獲得物料的類別和目標(biāo)物在像素坐標(biāo)系下的位置。如圖3 所示，視覺定位需要標(biāo)定相機(jī)和標(biāo)定手眼，前者是為了消除相機(jī)本身存在的誤差，后者則是為了將相繼獲得的在像素坐標(biāo)系下的平面二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)到機(jī)器人極坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，這樣才能助力機(jī)器人順利完成抓取任務(wù)。視覺定位是機(jī)器人抓取的前提，并且定位的精度將直接影響機(jī)械臂抓取物體的準(zhǔn)確率。

圖2 光源和攝像頭

圖3 氣門識(shí)別定位

要完成對(duì)零件的抓取工作，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制單元也是必不可少的。首先機(jī)器人處于初始位姿狀態(tài)，在經(jīng)過視覺檢測(cè)和視覺定位，獲得目標(biāo)物體的位置信息后，機(jī)械臂開始移動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)物體的上方后立即張開機(jī)械手，然后下降到指定位置抓取物體。如果抓取成功，則要繼續(xù)完成提升物體的任務(wù)。如果機(jī)器人不能到達(dá)指定的位置，機(jī)械手在抓取零件過程中出現(xiàn)不能抓取或掉落的情況，則判定為抓取失敗。

自動(dòng)上下料機(jī)器人的視覺識(shí)別軟件在電腦開機(jī)后將自動(dòng)啟動(dòng)，若沒有啟動(dòng)，可以雙擊視覺軟件手動(dòng)打開。軟件分為菜單欄、操作界面兩大模塊，菜單欄主要是實(shí)現(xiàn)用戶登錄的功能，輸入用戶名和密碼，點(diǎn)擊登錄即可進(jìn)入操作界面，單擊退出按鈕，退出登錄頁(yè)面，就無(wú)法再進(jìn)行其他的操作。操作界面模塊主要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品類型、產(chǎn)品得分、距邊緣像素距離、拍照、機(jī)器人ip 地址、相機(jī)、機(jī)器人連接狀態(tài)顯示等幾方面的功能[2]。

3 人機(jī)交互系統(tǒng)

自動(dòng)上下料機(jī)器人的人機(jī)交互系統(tǒng)主要包括主控界面、IO 檢測(cè)。主控界面主要包括運(yùn)行參數(shù)設(shè)置與監(jiān)控、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)設(shè)定、機(jī)器人手動(dòng)移動(dòng)控制、氣門上料數(shù)目統(tǒng)計(jì)和圖像識(shí)別。

在人機(jī)交互界面可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)作的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如運(yùn)行速度、視覺補(bǔ)償值、物料種類、掉件測(cè)試、物料高度等。輸入正確的參數(shù)，點(diǎn)擊寫入按鈕，參數(shù)就會(huì)被寫入到系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)則按該參數(shù)執(zhí)行。

人機(jī)交互界面也對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進(jìn)行報(bào)警提醒，報(bào)警界面會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示。視覺通訊故障：（1）視覺軟件通訊超時(shí)、出錯(cuò)或退出，點(diǎn)擊復(fù)位按鈕無(wú)效后重啟視覺軟件或系統(tǒng)重新上電；（2）機(jī)器人控制器與工控機(jī)網(wǎng)線連接斷開，檢查網(wǎng)線連接情況。

4 機(jī)械系統(tǒng)

如圖4 所示，機(jī)械部分主要是工作臺(tái)和氣路部分，工作臺(tái)由0.55KW 三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿使工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)。工作臺(tái)可放置4 個(gè)料框，如圖5 所示，工作臺(tái)下裝有工位檢測(cè)傳感器，控制工作臺(tái)每次旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位。

圖4 工作臺(tái)

圖5 工位檢測(cè)傳感器安裝位置圖

料盤放置在工作臺(tái)上的支撐塊上，料框必須水平放置，防止與機(jī)器人抓取物料時(shí)發(fā)生碰撞。當(dāng)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿帶動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，工位檢測(cè)傳感器感應(yīng)到信號(hào)后延時(shí)停止旋轉(zhuǎn)，視覺系統(tǒng)獲取物料的位置姿態(tài)信息，將姿態(tài)信息傳輸?shù)娇刂破?，控制器控制機(jī)械臂抓取物料。

5 上下料過程

人工將物料氣門放置在料框上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)上的料盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器視覺系統(tǒng)的光源照射到料盤上，工業(yè)相機(jī)對(duì)料盤拍照，通過視覺算法識(shí)別、計(jì)算和確定氣門的直徑大小和中心位置，將氣門中心坐標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C(jī)器人的控制器，由機(jī)器人控制器控制機(jī)械臂到指定位置，采用真空吸盤抓取指定位置的氣門，然后移動(dòng)到物料傳輸帶的放料點(diǎn)放料，完成一個(gè)上下料操作，循環(huán)往復(fù)即可代替人工進(jìn)行上下料操作。

6 總結(jié)

與傳統(tǒng)的人工上下料相比，自動(dòng)上下料機(jī)器人有著極大的優(yōu)勢(shì)，能夠在程序的控制下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的上下料作業(yè)，自動(dòng)化程度高[3]，提升了工作效率，可以較為精準(zhǔn)地控制生產(chǎn)節(jié)拍，避免因?yàn)槿说囊蛩囟斐蓪?duì)生產(chǎn)節(jié)拍的影響。上下料機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，減少了中間環(huán)節(jié)，避免零件的質(zhì)量因轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)造成損傷。對(duì)于不同零件的上下料操作，可以通過更換手爪夾具和視覺識(shí)別系統(tǒng)程序，迅速改變生產(chǎn)的工藝，調(diào)整速度快，免去了工人對(duì)新零件的培訓(xùn)和適應(yīng)過程，節(jié)省了大量的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

另一方面，機(jī)械加工過程中，采用自動(dòng)上下料機(jī)器人可以有效避免工人在生產(chǎn)過程中受到傷害。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，極大地減少了對(duì)工人的依賴程度，但是與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比，在人才、技術(shù)、創(chuàng)新上還都有很大的差距，因此還需加大對(duì)機(jī)器人的研究力度，提高機(jī)器人的創(chuàng)新性與實(shí)用性[4]。