基于機(jī)器視覺(jué)與Profinet總線的工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹應(yīng)明 戴茂良

(蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州:215200)

《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，給我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)了重大機(jī)遇。根據(jù)工業(yè)和信息化部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)全年完成工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量23.7萬(wàn)臺(tái)，裝機(jī)量占全球44%，2016-2020年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量從7.2萬(wàn)套快速增長(zhǎng)到21.2萬(wàn)套，年均增長(zhǎng)31%，連續(xù)8年保持全球最大工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)地位。隨著機(jī)器人裝機(jī)量的快速增長(zhǎng)，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用型人才需求越來(lái)越大，預(yù)計(jì)到2025年人才缺口將達(dá)到450萬(wàn)人。為了精確對(duì)接企業(yè)人才需求，培養(yǎng)復(fù)合型工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)技能人才，各職業(yè)院校相繼開(kāi)設(shè)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)。目前各學(xué)校使用的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)設(shè)備主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是模塊化的機(jī)器人工作臺(tái)，此類(lèi)實(shí)訓(xùn)設(shè)備可以滿足工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)需要，實(shí)現(xiàn)功能模塊的自由切換，但缺乏綜合應(yīng)用場(chǎng)景；另一類(lèi)是工業(yè)機(jī)器人綜合生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，此類(lèi)設(shè)備可以滿足工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用的需要，但不適用于基礎(chǔ)教學(xué)，且價(jià)格昂貴、占地面積大。本文提出了一種緊湊型工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)室平臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，既能滿足基礎(chǔ)教學(xué)需要，又能實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用訓(xùn)練，占地面積小，價(jià)格相對(duì)便宜[1-2]。

1 平臺(tái)組成及工作原理

基于Profinet總線的工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是以某型號(hào)軸承為加工對(duì)象的一條智能裝配生產(chǎn)線，由立體庫(kù)單元、視覺(jué)檢測(cè)單元、打磨單元、裝配單元、夾具快換單元、出入庫(kù)輸送單元、工業(yè)機(jī)器人單元以及控制單元組成。依據(jù)工作空間和生產(chǎn)工藝流程，工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)布局設(shè)計(jì)如圖1所示，其工作原理為：工作時(shí)，由PLC控制碼垛機(jī)構(gòu)去立體庫(kù)指定倉(cāng)位選取裝有軸承元件的托盤(pán)，將托盤(pán)運(yùn)送到出庫(kù)輸送線；出庫(kù)傳送帶將托盤(pán)運(yùn)送到視覺(jué)檢測(cè)單元；視覺(jué)相機(jī)將拍照獲得的軸承位置及型號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人；工業(yè)機(jī)器人將需要加工的軸承元件搬運(yùn)到加工區(qū)域進(jìn)行焊接、打磨、裝配等作業(yè)；加工完成后，機(jī)器人將軸承成品搬運(yùn)到入庫(kù)輸送線；PLC收到信號(hào)后啟動(dòng)入庫(kù)輸送線運(yùn)行，托盤(pán)到位后 PLC控制碼垛機(jī)構(gòu)將托盤(pán)放入立體庫(kù)指定倉(cāng)位，一次加工循環(huán)結(jié)束。加工過(guò)程中如果在觸摸屏上按下“停止循環(huán)”按鈕，系統(tǒng)會(huì)在完成當(dāng)前循環(huán)后自動(dòng)停止。如果沒(méi)有按“循環(huán)停止”按鈕，系統(tǒng)會(huì)在加工完設(shè)定軸承數(shù)量之后自動(dòng)停止[3-4]，軸承元件及夾具如圖2所示。

圖1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)布置效果圖

圖2 軸承元件及夾具實(shí)物圖

2 控制系統(tǒng)架構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)選用西門(mén)子PLC為中央控制器，通過(guò)Profinet總線與3臺(tái)分別控制碼垛機(jī)構(gòu)X、Y、Z運(yùn)動(dòng)方向的伺服驅(qū)動(dòng)器、1臺(tái)KUKA工業(yè)機(jī)器人、1臺(tái)康耐視視覺(jué)相機(jī)、1臺(tái)威綸通觸摸屏以及2臺(tái)輸送線變頻器進(jìn)行通訊，獲取過(guò)程數(shù)據(jù)并控制出入庫(kù)、拍照、搬運(yùn)等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)要求。

基于Profinet總線的工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)采用主站和分布式從站結(jié)構(gòu)，以西門(mén)子S7-1200系列PLC 1214C作為主站，Cognex IS8200相機(jī)、KUKA KR3R540六軸機(jī)器人、威綸通MT8102IE觸摸屏、2臺(tái)G120變頻器以及3臺(tái)V90PN伺服驅(qū)動(dòng)器為從站。主站通過(guò)Profinet總線與各從站通訊，構(gòu)建分散式數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)，PLC主站在設(shè)定周期內(nèi)與分布式從站不間斷地交互信息，并對(duì)Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行管控，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)控制。裝有西門(mén)子博圖等軟件的編程電腦通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與PLC相連，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)和軟件編程，也可對(duì)系統(tǒng)控制參數(shù)信息進(jìn)行在線設(shè)置和修改。采用EasyBuider Pro軟件組態(tài)的觸摸屏監(jiān)控界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)控和故障顯示。

圖3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)與參數(shù)設(shè)置

為了搭建實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)，需對(duì)PLC、工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)相機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備進(jìn)行硬件組態(tài)和參數(shù)設(shè)置，主要包括各設(shè)備的IP地址、設(shè)備名稱(chēng)和通訊字節(jié)數(shù)的設(shè)置，其中工業(yè)機(jī)器人端還需要進(jìn)行I/O地址的映射。

3.1 PLC硬件設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

考慮控制系統(tǒng)性能、開(kāi)發(fā)成本和I/O點(diǎn)數(shù)等因素， 主控制器選用西門(mén)子CPU1214C AC/DC/Rly PLC，并擴(kuò)展一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊SM1223 DI16/DQ16×relay。用西門(mén)子編程軟件TIA PORTAL V16創(chuàng)建新項(xiàng)目，通過(guò)“添加新硬件”添加與實(shí)際硬件一致的CPU模塊和輸入/輸出模塊，然后通過(guò)“設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)”設(shè)置CPU1214C子網(wǎng)為PN/IE_1，IP地址為192.168.10.1，將CPU1214C作為網(wǎng)絡(luò)主站，添加視覺(jué)相機(jī)、六軸機(jī)器人、2臺(tái)變頻器、3臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器以及觸摸屏作為網(wǎng)絡(luò)從站，從站IP地址都應(yīng)設(shè)為與PLC在同一網(wǎng)段，同時(shí)需設(shè)置各站的設(shè)備名稱(chēng)及通訊字節(jié)數(shù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示[5-6]。添加相機(jī)和機(jī)器人從站到PN/IE_1網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需提前安裝各自的通用設(shè)備管理文件(GSD文件)，GSD文件可以分別在各自廠家官方網(wǎng)站下載，然后通過(guò)：TIA PORTAL>選項(xiàng)>管理通用站描述文件(GSD)，選擇文件所在路徑進(jìn)行安裝。

圖4 PLC控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

3.2 工業(yè)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)與組態(tài)

因?yàn)閷?shí)訓(xùn)平臺(tái)的工作空間小、運(yùn)行效率要求較高，所以工業(yè)機(jī)器人選用KUKA KR3R540 AGILUS緊湊型六軸機(jī)器人，這款機(jī)器人工作范圍540mm、重復(fù)定位精度小于±0.02mm，非常適合應(yīng)用于狹小空間內(nèi)小型工件的裝配、搬運(yùn)、螺接、粘接、包裝和檢測(cè)等操作。在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教編程之前，需要使用WorkVisual6.0軟件對(duì)其進(jìn)行硬件組態(tài)與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，新建項(xiàng)目后添加與硬件對(duì)應(yīng)的緊湊型控制器KRC4 Compact、機(jī)器人KR3R540 C4SR。要使機(jī)器人能夠與PLC系統(tǒng)進(jìn)行Profinet總線通訊，還需在Bus Structure總線結(jié)構(gòu)中添加Profinet網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，然后在Profinet Configuration中設(shè)置機(jī)器人的IP地址為192.168.10.3、設(shè)備名稱(chēng)為KUKA、輸入輸出端數(shù)量為1024字節(jié)，其中IP地址和設(shè)備名稱(chēng)必須與PLC端設(shè)置的地址、名稱(chēng)保持一致。最后用IO Mapping進(jìn)行機(jī)器人端與Profinet總線端的I/O地址映射，完成兩端I/O地址的匹配。具體映射關(guān)系圖表1所示。

表1 機(jī)器人與PLC IO映射關(guān)系表

4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

實(shí)訓(xùn)平臺(tái)控制系統(tǒng)軟件主要包括PLC主控程序設(shè)計(jì)、工業(yè)機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)以及觸摸屏EasyBuilder Pro監(jiān)控程序設(shè)計(jì)三部分。

4.1 PLC主控程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序采用西門(mén)子TIA Portal V16軟件編寫(xiě)，選用梯形圖結(jié)合SCL作為編程語(yǔ)言。為了提高程序的可讀性和可維護(hù)性，主控程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法，各模塊功能獨(dú)立、結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試時(shí)先進(jìn)行單一功能模塊的調(diào)試，各功能模塊調(diào)試完成后再進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，調(diào)試對(duì)象明確，可以在短時(shí)間快速解決存在的問(wèn)題，極大縮短調(diào)試時(shí)間。根據(jù)被控對(duì)象的工作流程和控制要求，將實(shí)訓(xùn)臺(tái)主控程序劃分為運(yùn)行準(zhǔn)備模塊、立體庫(kù)取值模塊、立體庫(kù)控制模塊、視覺(jué)通訊模塊、機(jī)器人控制模塊、人機(jī)交互模塊、伺服邏輯控制模塊、X軸控制模塊、Y軸控制模塊、Z軸控制模塊、故障報(bào)警模塊等11個(gè)模塊[8-10]。

4.2 Cognex視覺(jué)程序設(shè)計(jì)

為了提高工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行效率和識(shí)別精度，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)選用康耐視Cognex IS8200工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)軸承位置信息以及識(shí)別軸承類(lèi)型。因?yàn)橐曈X(jué)測(cè)量結(jié)果是軸承元件的像素坐標(biāo)，而工業(yè)機(jī)器人需要的是工件在機(jī)器人坐標(biāo)系中的實(shí)際坐標(biāo)，所以必須建立像素坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的比例關(guān)系，即標(biāo)定每個(gè)像素代表的實(shí)際坐標(biāo)尺寸，該變量稱(chēng)為像素當(dāng)量。軸承類(lèi)型通過(guò)圖像匹配的方式進(jìn)行識(shí)別，軸承的實(shí)際坐標(biāo)通過(guò)像素坐標(biāo)與像素當(dāng)量的乘積獲得。通過(guò)相機(jī)腳本程序計(jì)算機(jī)器人坐標(biāo)偏移量的計(jì)算方法如公式(1)所示。

(1)

式中：ΔXR、ΔYR分別為機(jī)器人X和Y軸方向的坐標(biāo)偏移，PXn、PYn為軸承元件中心像素坐標(biāo)數(shù)值，PX0、PY0為工件機(jī)器人示教基準(zhǔn)像素坐標(biāo)，δx、δy表示X、Y軸方向的像素當(dāng)量，經(jīng)過(guò)測(cè)算，δx、δy分別為0.367、0.375[7]。

視覺(jué)程序使用In-sight explorer軟件電子表格的形式編寫(xiě)，首先使用選擇板>函數(shù)>視覺(jué)工具>圖案匹配>FindPatterns進(jìn)行大軸承內(nèi)圈模型訓(xùn)練，通過(guò)設(shè)置“模型區(qū)域”、“模型設(shè)置”、“查找區(qū)域”分別設(shè)置模型輪廓、模型中心位置和查重范圍，完成后即可獲得大軸承內(nèi)圈的像素坐標(biāo)Row、Col，依據(jù)公式(1)可以計(jì)算出大軸承內(nèi)圈相對(duì)與基準(zhǔn)位置的位置偏移，同樣方法依次完成小軸承內(nèi)圈、大軸承外圈、小軸承外圈的模型訓(xùn)練。通過(guò)選擇板>函數(shù)>輸入/輸出>FormatOutputBuffer選擇添加8個(gè)16位整數(shù)將上面訓(xùn)練得到的4組坐標(biāo)偏移量引用到輸出緩沖區(qū)，最后通過(guò)輸入/輸出>WriteResultsBuffer設(shè)置“緩沖區(qū)”相對(duì)引用為FormatOutputBuffer單元格，“協(xié)議”欄設(shè)置為Profinet，即可實(shí)現(xiàn)相機(jī)與PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸，編寫(xiě)完成的電子表格程序如圖5所示。

圖5 In-sight電子表格程序

因?yàn)橄鄼C(jī)和PLC之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型是整型，而相機(jī)拍攝到的數(shù)據(jù)是浮點(diǎn)型，所以需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整型傳輸給PLC。PLC接收到數(shù)據(jù)后首先要進(jìn)行高低字節(jié)的轉(zhuǎn)換，再把數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人。為了增加精度，相機(jī)在傳輸前需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行放大10倍處理，機(jī)器人接收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了同比例縮小[11-12]。

4.3 工業(yè)機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人控制程序的設(shè)計(jì)采用KUKA工業(yè)機(jī)器人的KRL編程設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)和子程序設(shè)計(jì)，子程序包括初始化、裝夾具子程序、卸夾具程序、視覺(jué)搬運(yùn)子程序、打磨子程序、裝配子程序、碼垛子程序等功能模塊。機(jī)器人收到PLC發(fā)送過(guò)來(lái)的啟動(dòng)信號(hào)后自動(dòng)運(yùn)行至快換區(qū)域安裝合適的夾具，然后按規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)至拍照等待位，給PLC發(fā)送將要抓取軸承的類(lèi)型信號(hào)，延時(shí)3 s后給PLC發(fā)出拍照指令，PLC觸發(fā)相機(jī)拍照并獲取相機(jī)通訊過(guò)來(lái)的軸承類(lèi)型與位置數(shù)據(jù)，PLC再依據(jù)機(jī)器人發(fā)送過(guò)來(lái)的要抓取的軸承類(lèi)型將對(duì)應(yīng)的位置數(shù)據(jù)信息即相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)偏移數(shù)據(jù)發(fā)給機(jī)器人，機(jī)器人依據(jù)軸承元件位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)完成定位抓取，然后按規(guī)劃路徑依次完成打磨、裝配、碼垛等工序，最后將裝配完成的軸承成品搬運(yùn)至入庫(kù)輸送線完成入庫(kù)。其中視覺(jué)搬運(yùn)子程序控制流程如圖6所示。

圖6 視覺(jué)搬運(yùn)子程序流程圖

4.4 觸摸屏監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

觸摸屏監(jiān)控程序采用威綸通EasyBuilder Pro編寫(xiě)，用于對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)管理、參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)警顯示、數(shù)據(jù)歸檔等功能。上位界面通過(guò)Profinet總線與中央控制器PLC通訊，采集數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。監(jiān)控畫(huà)面主要包括登陸界面、啟動(dòng)條件監(jiān)控、流程監(jiān)控、伺服調(diào)試、故障報(bào)警、立體庫(kù)數(shù)據(jù)設(shè)置、Y軸數(shù)據(jù)監(jiān)視等畫(huà)面，界面友好，操作方便，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。伺服調(diào)試界面如圖7所示。

圖7 伺服調(diào)試界面

5 結(jié)束語(yǔ)

基于Profinet總線技術(shù)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PLC、工業(yè)機(jī)器人、視覺(jué)相機(jī)以及觸摸屏等多方數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，通訊速度快，準(zhǔn)確率高；應(yīng)用基點(diǎn)偏移的方法進(jìn)行編程，減少了工業(yè)機(jī)器人的示教位置，簡(jiǎn)化了工業(yè)機(jī)器人的程序，提高了工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行效率和裝配精度。實(shí)踐表明，融合視覺(jué)、伺服、變頻和PLC等多項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人綜合應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行穩(wěn)定，貼近生產(chǎn)實(shí)際，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)學(xué)生從單項(xiàng)能力到綜合能力的全面訓(xùn)練，全面提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。