基于PLC和智能相機(jī)的機(jī)器人關(guān)節(jié)自動(dòng)裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧宇峰，王 杰，李友節(jié)，劉 凱，曹 寧

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)分院，江蘇蘇州 215123；2.江蘇匯博機(jī)器人技術(shù)股份有限公司，江蘇蘇州 215000）

0 引言

隨著人力成本的增加，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛。引入智能工業(yè)機(jī)器人、智能2D和3D相機(jī)等智能設(shè)備，加速工廠自動(dòng)化程度的提升是必然的選擇。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)裝配任務(wù)是工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]，現(xiàn)階段如果采用人工進(jìn)行裝配，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且合格品和次品混雜，容易產(chǎn)生誤裝配和廢品。而難度更高的就是使用工業(yè)機(jī)器人對(duì)工業(yè)機(jī)器人本體進(jìn)行裝配，通過閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，主要集中在裝配特定的產(chǎn)品或者是理論研究層面，工業(yè)機(jī)器人裝配工業(yè)機(jī)器人本體關(guān)節(jié)非常具有理論和實(shí)踐的研究?jī)r(jià)值，故采用理論和實(shí)踐研究相結(jié)合的方法，研制關(guān)節(jié)自動(dòng)裝配系統(tǒng)，為工業(yè)機(jī)器人本體自動(dòng)化裝配設(shè)備研制提供借鑒。

為了有效提升裝配效率，設(shè)計(jì)了一種基于PLC和智能相機(jī)的機(jī)器人關(guān)節(jié)自動(dòng)裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動(dòng)裝配合格工件，處理缺陷工件。在自動(dòng)化生產(chǎn)線上使用智能相機(jī)、PLC、工業(yè)機(jī)器人等智能化設(shè)備能極大提升勞動(dòng)效率。搭載智能相機(jī)，能夠有效地識(shí)別工件類型和顏色，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通訊技術(shù)傳送到PLC中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，PLC再將數(shù)據(jù)傳送到工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行工件的自動(dòng)裝配。

本文將從工作原理、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)果分析等方面詳細(xì)介紹機(jī)器人關(guān)節(jié)4個(gè)工件的組成，13種類型的分類和4種顏色的處理；托盤流水線、裝配流水線等硬件構(gòu)成；關(guān)鍵部件視覺識(shí)別系統(tǒng)、PLC、工業(yè)機(jī)器人；視覺編程軟件In-Sight Explorer 6.1.0的使用，完成工件的圖案定位和顏色識(shí)別，相機(jī)與西門子1200 PLC之間的Profinet通信等；PLC博圖軟件的相機(jī)通信數(shù)據(jù)地址和對(duì)顏色數(shù)據(jù)的處理；工業(yè)機(jī)器人編程的基本思路；最后介紹了設(shè)備測(cè)試的結(jié)果和分析。

1工 作原理

1.1裝配對(duì)象說明

機(jī)器人關(guān)節(jié)由4個(gè)工（部）件組成，分別是關(guān)節(jié)底座、電機(jī)、諧波減速器和輸出法蘭[2]。關(guān)節(jié)底座、電機(jī)、諧波減速器和輸出法蘭有8種類型，諧波減速器和輸出法蘭存在次品[3]。各工（部）件類型如圖1所示，顏色分為黑、紅、黃、藍(lán)4種。次品類型如圖2所示，顏色分為黑、紅、黃、藍(lán)4種。

圖1 合格工件類型

圖2 次品工件類型

1.2 功能說明

放置有單個(gè)關(guān)節(jié)工件的托盤從工位G6放入，入口光電傳感器檢測(cè)到托盤后，托盤流水線開始運(yùn)行，托盤在智能相機(jī)拍照工位G4處停止，智能2D視覺相機(jī)對(duì)放置在單個(gè)托盤中的工件進(jìn)行拍照，拍照識(shí)別結(jié)束，托盤流水線繼續(xù)運(yùn)行，在機(jī)器人抓取工位G1處停止，如果識(shí)別到的工件類型是關(guān)節(jié)底座，機(jī)器人會(huì)使用手抓工具，否則會(huì)使用吸盤工具，接著工業(yè)機(jī)器人在工位G1處拾取工件，然后將工件搬運(yùn)到裝配流水線工位G8處定位，當(dāng)裝配工位有4個(gè)不同關(guān)節(jié)部件后，機(jī)器人就會(huì)進(jìn)行關(guān)節(jié)裝配，裝配成功后放置成品庫(kù)工位G7。備件庫(kù)主要是用來放置相同類型的關(guān)節(jié)部件或次品，托盤流水線和裝配流水線工位分步如圖3所示。

圖3 托盤和裝配流水線工位分布

2系 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要有機(jī)械部分和電氣部分[4]。機(jī)械部分主要由托盤流水線、裝配流水線構(gòu)成。托盤流水線選用三相220 V、采用變頻器驅(qū)動(dòng)齒輪電機(jī)，齒輪傳動(dòng)比1∶300，托盤流水線上安裝有入口光電開關(guān)、拍照工位光電開關(guān)以及抓取工位光電開關(guān)，阻擋氣缸等部件，如圖4所示。裝配流水線由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，由成品庫(kù)、裝配工位、備件庫(kù)組成，如圖5所示。電氣部分主要由電氣主控柜、機(jī)器人控制柜組成[5]。關(guān)鍵部件包括視覺識(shí)別系統(tǒng)、PLC、工業(yè)機(jī)器人。視覺識(shí)別系統(tǒng)包括康耐視IS2000C相機(jī)、可控背光源、鏡頭等硬件組成，如圖6所示。PLC采用西門子1200PLC，CPU為1215DC/DC/DC，拓展模塊為SM1223。工業(yè)機(jī)器人為HB20-1700-C10機(jī)器人。機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件采用KEBA控制器，有控制器模塊（CP 252/X）、數(shù)字輸入輸出模塊（DM272）、驅(qū)動(dòng)器通信模塊（FX271/A）、擴(kuò)展I/O模塊、CF卡[6]。工業(yè)機(jī)器人電控系統(tǒng)包含伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、主控制部分、變壓器、示教系統(tǒng)與動(dòng)力通信電纜等[7]。

圖4 托盤流水線

圖5 裝配流水線

圖6 相機(jī)和背頭光源

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 相機(jī)軟件

采用視覺編程軟件In-Sight Explorer 6.1.0或更高版本，進(jìn)行相機(jī)配置[8]。在視覺編程軟件上進(jìn)行設(shè)置和程序，完成圖像的標(biāo)定、樣本學(xué)習(xí)任務(wù)。要求如下：對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)相機(jī)中出現(xiàn)的尺寸和實(shí)際的物理尺寸一致；對(duì)托盤內(nèi)的單一工件進(jìn)行拍照，利用視覺工具，編寫相機(jī)視覺程序?qū)ぜM(jìn)行學(xué)習(xí)，獲取該工件的外觀顏色信息；對(duì)托盤內(nèi)的單一工件進(jìn)行拍照，獲取該工件的形狀和位置、角度偏差，利用視覺工具，編寫相機(jī)視覺程序?qū)ぜM(jìn)行學(xué)習(xí)[9]。規(guī)定相機(jī)鏡頭中心為位置零點(diǎn)，智能相機(jī)學(xué)習(xí)的工件角度為零度；編寫12種工件及缺陷件識(shí)別程序，規(guī)定每個(gè)工件地址空間的第1個(gè)信息為工件位置X坐標(biāo)，第2個(gè)信息為工件位置Y坐標(biāo)，第3個(gè)信息為角度偏差。測(cè)試要求如下：依次手動(dòng)將擺放有1-12號(hào)工件以及缺陷工件的托盤（每一個(gè)托盤放置1個(gè)工件）放置于拍照區(qū)域，在Insight Explorer軟件中能夠得到和正確顯示12種工件及2種缺陷件的位置、角度數(shù)據(jù)。

物體形狀及坐標(biāo)識(shí)別，需要打開背光源，采用圖案定位工具來識(shí)別物體[10]，在相機(jī)下方放置需要識(shí)別的物體，在放置物體時(shí)盡量將物體放正，調(diào)整外部搜索框和內(nèi)部模型框的大小，根據(jù)實(shí)際情況，更改名稱、旋轉(zhuǎn)公差、部件查找范圍、模型區(qū)域等，如圖7所示。參考以上方法，添加工具并學(xué)習(xí)其他工件，調(diào)整合適的“部件查找范圍”值。配合使用“斑點(diǎn)計(jì)數(shù)工具”識(shí)別孔的數(shù)量，來區(qū)分減速器和法蘭。

圖7 圖案定位

物體顏色識(shí)別，需要關(guān)閉背光源，以識(shí)別紅色工件為例，采用檢查部件-顏色像素計(jì)數(shù)，調(diào)整識(shí)別框的大小，然后訓(xùn)練顏色[11]。如圖8所示。

圖8 顏色識(shí)別

相機(jī)與西門子1200PLC通訊主要采用Profinet通信，在“應(yīng)用程序步驟”區(qū)、點(diǎn)擊“通信”“添加設(shè)備”；“設(shè)備設(shè)置”中，“設(shè)備”選擇“PLC/Motion控制器”，“制造商”選擇“Siemens”，“協(xié)議”選擇“PROFINET”，點(diǎn)擊“確定”；選擇添加需要傳送的數(shù)據(jù)，本文選擇工件的

位置坐標(biāo)、角度和顏色識(shí)別結(jié)果。首先添加工件的X坐標(biāo)，點(diǎn)開“底座”，選中“底座.定位器.X”，點(diǎn)擊“確定”，數(shù)據(jù)類型為“32位浮點(diǎn)型”，勾選“高字節(jié)/低字節(jié)”和“高字/低字”交互數(shù)據(jù)的高低字或者字節(jié)見圖9；按照上述方法添加工件的Y坐標(biāo)與角度；添加工件顏色識(shí)別結(jié)果。點(diǎn)擊“添加”，選擇“紅色”，選中“紅色.通過”，點(diǎn)擊“確定”，設(shè)置顏色結(jié)果數(shù)據(jù)類型為“16位整數(shù)”。

圖9 工件的X坐標(biāo)

3.2 PLC軟件

采用博圖V15以上版本進(jìn)行PLC軟件設(shè)計(jì)，設(shè)置相機(jī)通信數(shù)據(jù)地址，設(shè)備視圖下，根據(jù)地址配置需要設(shè)置通信地址，Q10.0相機(jī)準(zhǔn)備，Q10.1拍照觸發(fā)采集狀態(tài)，I10.0準(zhǔn)備完成，I10.1拍照完成，I10.7相機(jī)聯(lián)機(jī)模式，結(jié)果250個(gè)字節(jié)IB100，…，IB353，從IB104開始采集數(shù)據(jù)。如圖10所示。

圖10 相機(jī)通信數(shù)據(jù)地址

PLC對(duì)相機(jī)傳過來的顏色數(shù)據(jù)處理如圖11所示。

圖11 PLC對(duì)顏色數(shù)據(jù)的處理

3.3 工業(yè)機(jī)器人編程

工業(yè)機(jī)器人采用模塊的編程方法，建立主程序MAIN，抓取工件子程序，放置工件子程序，裝配工件子程序等，抓取托盤子程序，放置托盤子程序，點(diǎn)位示教子程序，通過KEBA示教器輸入的方式或通過KeMotion3仿真軟件編程然后導(dǎo)入示教器的方式完成，再通過工業(yè)機(jī)器人示教相關(guān)點(diǎn)位，最終與PLC通訊完成關(guān)節(jié)部件裝配工作[12]。

4 測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)果分析

4.1 手動(dòng)測(cè)試

首先進(jìn)行相機(jī)測(cè)試，人工先將托盤放置到拍照工位G4處，將12種類型的工件依次放置于托盤中，打開背頭光源，手動(dòng)進(jìn)行拍照觸發(fā)，觀測(cè)12中類型工件是否能正確區(qū)分出來。然后關(guān)閉背光源，再次手動(dòng)進(jìn)行拍照觸發(fā)，觀測(cè)4種顏色是否能正確區(qū)分出來。經(jīng)過多次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)紅色關(guān)節(jié)底座-1和紅色關(guān)節(jié)底座-2類型識(shí)別會(huì)出錯(cuò)，主要原因是這兩種工件類型太相似造成，經(jīng)過在視覺軟件中增加圖案定位工具和特征分析，從而提升了識(shí)別率[13]。

手動(dòng)測(cè)試托盤流水線。手動(dòng)點(diǎn)擊觸摸屏按鈕，控制倍速鏈正反向運(yùn)動(dòng)、停止運(yùn)動(dòng)。手動(dòng)點(diǎn)擊觸摸屏按鈕，控制各工位氣檔升降。手動(dòng)將托盤放置到托盤流水線入口處，入口光電開關(guān)檢測(cè)到信號(hào)，倍速鏈啟動(dòng)正轉(zhuǎn)；當(dāng)拍照工位光電開關(guān)檢測(cè)到托盤，拍照工位氣擋升起，延時(shí)3 s拍照工位氣擋下降；當(dāng)抓取工位光電開關(guān)檢測(cè)到托盤，抓取工位氣擋升起，延時(shí)3 s后倍速鏈停止運(yùn)行。

手動(dòng)測(cè)試裝配流水線。通過觸摸屏控制裝配流水線，實(shí)現(xiàn)尋原點(diǎn)操作運(yùn)行及狀態(tài)顯示。通過觸摸屏控制裝配流水線，分別運(yùn)行到G7、G8、G9工位，并顯示相應(yīng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

手動(dòng)測(cè)試工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行。設(shè)定手爪1雙吸盤的工具坐標(biāo)系，設(shè)定手爪2三爪卡盤的工具坐標(biāo)系，通過工業(yè)機(jī)器人示教器示教、編程和再現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)依次將4種工件從托盤流水線工位G1的托盤中心位置，搬運(yùn)到裝配流水線G7、G8、G9指定的位置中。

4.2 自動(dòng)測(cè)試

將PLC主控柜和機(jī)器人控制柜和機(jī)器人示教器打在聯(lián)機(jī)狀態(tài)，點(diǎn)擊觸摸屏上的自動(dòng)運(yùn)行按鈕，進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)過100次檢測(cè)，相機(jī)識(shí)別元件類型和顏色誤差為0，在相機(jī)拍照工位對(duì)托盤上的工件進(jìn)行識(shí)別，把識(shí)別結(jié)果傳輸給主控PLC。主控PLC經(jīng)過處理，傳輸視覺識(shí)別的數(shù)據(jù)給工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人根據(jù)PLC傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在工位G1抓取識(shí)別后托盤上的工件。抓取合格工件后，放置于裝配作業(yè)流水線的裝配工位G8的任意位置，并控制氣缸對(duì)合格工件進(jìn)行二次定位。抓取缺陷工件后，放置于裝配作業(yè)流水線的備件庫(kù)G9的配套位置。托盤為空時(shí)，工業(yè)機(jī)器人把空托盤放入空托盤收集處。系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定。

4.3 結(jié)果分析

測(cè)試時(shí)出現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人用吸盤工具吸取工件時(shí)有誤差，沒吸到的情況，經(jīng)過調(diào)整PLC編程軟件內(nèi)工件高度參數(shù)，得到解決，為了更好地吸取轉(zhuǎn)配后的關(guān)節(jié)，在工業(yè)機(jī)器人安裝輸出法蘭時(shí)，需要將輸出法蘭安裝后，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，這樣裝配才能更加穩(wěn)定[14]。

5 結(jié)束語

基于PLC和智能相機(jī)的機(jī)器人關(guān)節(jié)自動(dòng)裝配系統(tǒng)，采用康耐視智能2D相機(jī)、西門子PLC、匯博工業(yè)機(jī)器人能夠非常便捷的完成對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)裝配，解決了人工裝配關(guān)節(jié)元件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題[15]。

該系統(tǒng)利用視覺相機(jī)和軟件對(duì)4個(gè)工件的13類型和顏色進(jìn)行識(shí)別，通過以太網(wǎng)通訊技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送到西門子PLC中，PLC對(duì)工件類型、顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人采用模塊化編程的方式完成了工件裝配任務(wù)[16]。在實(shí)際編程和調(diào)試時(shí)要注意根據(jù)元件的類型添置圖案定位工具來將視覺特征進(jìn)行區(qū)分，以更好地提升元件類型識(shí)別率。在PLC編程時(shí)一定要對(duì)4個(gè)元件的物理高度有測(cè)量，有計(jì)算，有數(shù)字存儲(chǔ)，才能精準(zhǔn)地抓取或吸取到工件。

經(jīng)過方案制定、系統(tǒng)安裝、編程、調(diào)試，證明該系統(tǒng)具備了機(jī)器人關(guān)節(jié)自動(dòng)裝配功能，運(yùn)行穩(wěn)定，具有安全性，此方案采用智能2D相機(jī)進(jìn)行視覺識(shí)別，需要工件放置放正。對(duì)于凌亂的工件，則需要借助智能3D相機(jī)進(jìn)行識(shí)別、可以繼續(xù)開展研究、進(jìn)行設(shè)計(jì)。