一種基于視覺識別的機器人隨動掛件系統(tǒng)

薛家興 劉曉琳 薛彥杰

（①一汽鑄造有限公司鑄造一廠，吉林 長春 130103；②一汽鑄造有限公司鑄造模具設(shè)備廠，吉林 長春 130103；③沈陽海關(guān)后勤管理中心，遼寧 沈陽 110016）

近年來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷迅猛發(fā)展，帶動了鑄造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，發(fā)動機缸體鑄件作為汽車的關(guān)鍵組成部分，產(chǎn)量的需求也在持續(xù)增長，而在缸體鑄件的生產(chǎn)過程中，依靠人工搬運的工作方法已不能滿足制造的需要[1]。自動化技術(shù)的應(yīng)用大大減少了人工操作環(huán)節(jié)，不僅節(jié)約勞動成本，降低勞動強度，還能更有效地保證生產(chǎn)制造中產(chǎn)品質(zhì)量、工藝精度和生產(chǎn)效率[2]。工業(yè)機器人在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，可實現(xiàn)自動涂膠、搬運碼垛、智能分揀、自動焊接和裝配等工作流程[3?4]。隨著機器視覺識別技術(shù)的不斷發(fā)展，視覺技術(shù)和圖像處理技術(shù)得到質(zhì)的飛躍[5?6]，基于視覺的圖像處理技術(shù)與工業(yè)機器人的結(jié)合日益緊密，可將視覺系統(tǒng)與機器人系統(tǒng)相結(jié)合，將工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)應(yīng)用到汽車生產(chǎn)領(lǐng)域[7]。

國內(nèi)重載發(fā)動機缸體鑄件大多使用懸鏈完成工序間輸送，上下件都是人工完成，工作強度大，效率低，輸送時懸鏈持續(xù)運動不停止且吊鉤自由晃動、旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機器人代替人工難度較大。因此，結(jié)合視覺識別技術(shù)和機器人隨動跟蹤技術(shù)，設(shè)計了一種基于視覺識別的機器人隨動掛件系統(tǒng)，為生產(chǎn)自動化提供了解決方案，實現(xiàn)懸掛鏈在運動狀態(tài)下300 kg重載缸體鑄件的自動識別、抓取、隨動掛件。系統(tǒng)已投入使用，運行穩(wěn)定可靠，機器人有效代替人工正常生產(chǎn)，不僅降低人工勞動強度，提高生產(chǎn)效率，而且因鑄件磕碰傷導(dǎo)致的廢品率降至0.4%以下，此工作形式對提高企業(yè)自動化生產(chǎn)水平意義重大，具有良好的應(yīng)用前景。

1 機器人隨動掛件系統(tǒng)

機器人隨動掛件系統(tǒng)由工業(yè)機器人系統(tǒng)、機器人夾具、懸鏈吊鉤同步檢測及固定裝置、機器人隨動系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、產(chǎn)品信息追蹤系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等組成。完成對缸體鑄件型號識別、定位抓取和隨動掛件。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 機器人隨動掛件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.1 工業(yè)機器人系統(tǒng)

工業(yè)機器人系統(tǒng)包括機器人本體、機器人控制柜（KR C4）、示教盒（smartPAD）三部分及底座、供電電纜。機器人采用KUKA KR 600 FORTEC機器人，具備隨線運動功能，滿足現(xiàn)場掛件要求，缸體鑄件最大重量為370 kg，機器人夾具最大重量為150 kg，機器人總負載520 kg，機器人各個關(guān)節(jié)的負荷均滿足負載要求且有一定余量，保證機器人工作安全可靠。工廠現(xiàn)場圖見圖2。

圖2 工廠現(xiàn)場圖

1.2 機器人夾具

機器人夾具設(shè)計見圖3，功能為抓取工件。缸體抓取夾具主要由安裝支架、液壓油缸組件、夾臂總成、視覺系統(tǒng)、傳感器等組成。夾臂總成上安裝有直線導(dǎo)軌、安裝板、夾臂和夾趾，實現(xiàn)多個夾持點夾取所有適用缸體。通過視覺掃描工件特征實現(xiàn)定位缸體位置，為夾臂精準插入缸體孔位提供依據(jù)。通過位移傳感器反饋，油缸組件推動夾臂，實現(xiàn)夾臂中心距與匹配型號缸體孔位尺寸一致。機器人帶動夾具夾臂插入孔位，油缸組件帶動夾臂夾緊缸體孔位孔壁完成夾緊缸體工作。夾具具備良好的夾緊和定位能力，針對性的設(shè)計為抓取工作帶來更高的效率。

圖3 機器人夾具

機器人夾具技術(shù)參數(shù)見表1。機器人夾具具有位移和壓力傳感器兩種檢測，可實時監(jiān)測壓力大小和夾爪位移信息，雙重判斷工件是否夾持到位。該技術(shù)可通過安裝在液壓系統(tǒng)當中的調(diào)壓閥和節(jié)流閥對夾具液壓缸的夾持力和夾持速度進行調(diào)節(jié)，在供油突然中斷時能及時報警并保持壓力夾持狀態(tài)，確保人工及時處理。夾具夾爪上有掛鉤，能夠可靠保證缸體不會掉落。

表1 機器人夾具技術(shù)參數(shù)

1.3 懸鏈吊鉤同步檢測及固定裝置

懸鏈吊鉤同步檢測及固定裝置確保機器人在掛件時檢測懸鏈上是否有吊鉤、吊鉤是否導(dǎo)正、機器人與懸掛鏈保持同步，保障機器人可以將缸體平穩(wěn)、精確以及可靠地掛到懸鏈吊鉤上。

懸鏈吊鉤見圖4，主要包括旋轉(zhuǎn)式吊環(huán)1、導(dǎo)向塊2、配重機構(gòu)5、連接塊6、掛板3等組成。因生產(chǎn)線懸鏈一直運動且吊鉤可自由旋轉(zhuǎn)擺動，首先通過導(dǎo)向塊2與導(dǎo)向背板角鋼摩擦轉(zhuǎn)動到導(dǎo)向塊2平面部位，實現(xiàn)掛鉤方向?qū)д綑C器人動作方向，防止吊鉤旋轉(zhuǎn)和水平、豎直方向上的晃動。通過旋轉(zhuǎn)式吊環(huán)1，實現(xiàn)掛鉤掛完缸體后，在重載情況下能夠旋轉(zhuǎn)。通過配重機構(gòu)5，實現(xiàn)掛板3掛缸體部位保持水平，方便機器人掛件。

圖4 懸鏈吊鉤

導(dǎo)向背板裝置上安裝有4個光電傳感器，導(dǎo)向背板裝置見圖5。1號負責檢測工作區(qū)前端是否有吊鉤到達，2號負責檢測吊鉤是否導(dǎo)正，3號負責檢測到吊鉤后機器人啟動隨動掛件，4號負責檢測掛件完成后吊鉤上是否有件。1號和2號在檢測范圍內(nèi)有工件吊鉤通過時，會把信息傳遞給PLC，吊鉤準確，當?shù)蹉^通過3號光電傳感器后，機器人啟動隨動掛件；當1號檢測有吊鉤通過，2號光電傳感器檢測范圍內(nèi)未感知有吊鉤，此時機器人發(fā)出報警提示并記錄，等待下一正常吊鉤再工作。

圖5 導(dǎo)向背板

1.4 機器人隨動系統(tǒng)

機器人隨動系統(tǒng)通過將編碼器安裝在運動懸鏈導(dǎo)向輪位置，對懸鏈導(dǎo)向輪改造，增加編碼器支架、編碼器安裝板以及聯(lián)軸器等實現(xiàn)機器人隨動。編碼器通過聯(lián)軸器與導(dǎo)向輪連接，避免懸鏈導(dǎo)向輪生產(chǎn)過程中因抖動造成編碼器采集數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，編碼器接到機器人外部軸接口上，標定出懸鏈的運動方向，編碼器采集懸鏈運動速度，當?shù)蹉^進入掛件工作區(qū)時觸發(fā)隨動，實現(xiàn)機器人與懸鏈速度保持一致，完成懸鏈在運動狀態(tài)下重載缸體鑄件自動掛件。

隨動上下件的精度主要取決于標定的精度，首先需要標定一個精度在0.2 mm以內(nèi)的機器人工具坐標系，然后標定出編碼器的原點、X軸方向（即懸鏈運動方向），懸鏈導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動一圈，編碼器也轉(zhuǎn)動一圈，繼而實現(xiàn)機器人與懸鏈運動速度同步。程序上隨動距離S的最大值要小于機器人的可達范圍，機器人與編碼器速度的穩(wěn)定性都較高，設(shè)置的隨動最大距離S為：

式中：S是機器人隨動最大距離，mm；V是懸鏈速度，mm/s；T是上件節(jié)拍，s/鉤?，F(xiàn)場實際生產(chǎn)條件：懸鏈速度V為40 mm/s，上件節(jié)拍T為41 s/鉤，即隨動最大距離S約為1 700 mm；如掛件過程中機器人超出隨動最大距離，系統(tǒng)報警停線。

1.5 視覺識別系統(tǒng)

視覺識別系統(tǒng)主要由安裝支架、視覺檢測設(shè)備和高亮光源等組成，負責確定工件位置，引導(dǎo)機器人對缸體進行定位抓取。

智能工業(yè)相機為COGNEX品牌500萬像素的2D工業(yè)相機，相機高度集成，體積小巧，性能可靠，內(nèi)嵌工件定位算法，配合高亮的聚光光源同時使用，可用于大尺寸工件的定位[8]，相機相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 相機相關(guān)參數(shù)

視覺識別系統(tǒng)首先通過In-Sight Explorer 5.8.0軟件將所有缸體工件型號選取特征點進行標定，相機拍取缸體照片與標定的模板進行評分對比，評分結(jié)果滿足條件，機器人根據(jù)工件型號和定位數(shù)據(jù)自動調(diào)整抓取姿態(tài)，抓取完成后將其放到懸掛鏈的掛鉤上，1個掛件工序完成。當拍照評分結(jié)果偏差大，系統(tǒng)報警，機器人停止工作。

1.6 產(chǎn)品信息追蹤系統(tǒng)

產(chǎn)品信息追蹤系統(tǒng)包括射頻識別（RFID）讀寫碼器和載碼體等。射頻識別（RFID）元器件選用倍加福品牌的產(chǎn)品。RFID的主要優(yōu)點就是在生產(chǎn)過程中使用者可以讀取載碼體中存取的真實數(shù)據(jù)信息，并且在整個生產(chǎn)過程中可進行重復(fù)讀寫覆蓋[9?10]。

射頻識別（RFID）讀碼器安裝在系統(tǒng)的合適位置，載碼體安裝在防銹線懸鏈的每個吊鉤上，便于讀碼器讀取信息。整個生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品信息存儲在RFID載碼體中，在各工序之間進行讀取和寫入，并且存儲到上位機中，可隨時調(diào)取查看。RFID設(shè)備通過采用ProfiNet總線的方式與PLC進行通訊。機器人掛件完成后，PLC通過控制RFID讀寫頭，將缸體型號、掛件時間等信息存儲到吊鉤上載碼體內(nèi)，以便后續(xù)工序讀取。

1.7 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是由液壓站、液壓管路和執(zhí)行油缸等組成。可實現(xiàn)機器人夾具夾臂夾緊松開等動作，同時具有壓力監(jiān)控、油溫監(jiān)控、油位監(jiān)控、濾芯堵塞報警、油溫加熱和油溫冷卻等功能。液壓原理圖見圖6。

圖6 液壓原理圖

液壓系統(tǒng)安裝有回油過濾器，過濾液壓油，確保液壓系統(tǒng)清潔度，待濾芯堵塞，提供目視提醒及報警。通過比例閥，控制執(zhí)行油缸的動作，調(diào)整執(zhí)行油缸的速度和調(diào)整控制油路的壓力。安裝有散熱器和加熱器，通過系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定溫度上下限自動啟停，確保液壓系統(tǒng)工作溫度正常。

1.8 安全系統(tǒng)

安全系統(tǒng)由兩部分組成：一是主要設(shè)備由急停按鈕、安全鎖、安全門和安全圍欄等組成；二是系統(tǒng)控制，所有安全設(shè)備硬接線都是雙回路，并且各回路通過常閉接入安全型PLC輸入點，通過安全型PLC直接切斷輸出元器件驅(qū)動電源和停止PLC控制程序?，F(xiàn)場各操作箱均設(shè)自保持式急停按鈕，并配相應(yīng)的狀態(tài)指示燈，可在特殊情況下對設(shè)備進行緊急停車。

機器人隨動掛件系統(tǒng)和防銹線懸鏈進行互鎖，對機器人和鏈條檢測、防護，保證帶件吊鉤不超出掛件范圍以及發(fā)生意外時及時停止懸鏈運行，能夠在掛件失敗后發(fā)出異常信號，及時停止懸鏈運行。

設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)有過載、過流、欠壓、短路及接地等保護裝置。出現(xiàn)故障后，有聲光報警提示，且相關(guān)設(shè)備或區(qū)域立即停止。配置顯示界面，能夠顯示設(shè)備運行狀態(tài)及操作引導(dǎo)，用于監(jiān)控、故障報警、生產(chǎn)模擬、參數(shù)設(shè)置和設(shè)備操作等功能，并能對故障進行自我檢測，提示故障點，便于維修?？刂平缑鎺в胁煌粹o選擇，便于操作者選擇和操作。

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門子安全型可編程控制器S7-1 200系列，利用ProfiNet通訊方式實現(xiàn)與機器人，以及其它智能設(shè)備進行信號交互，分別設(shè)立獨立定義的IP地址，并與MES系統(tǒng)定義在一個網(wǎng)段上。網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖7。控制系統(tǒng)通過RFID載碼體傳遞產(chǎn)品信息，完成整個工藝，并配有上位機進行監(jiān)控與管理，以分別對各系統(tǒng)的生產(chǎn)進行調(diào)整控制和查看生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

圖7 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

控制系統(tǒng)配有西門子12寸精簡面板觸摸屏，面板上能完成本系統(tǒng)各種參數(shù)的設(shè)置、報警的查詢、產(chǎn)品信息展示等。人機界面有根據(jù)實際情況顯示、修改產(chǎn)品信息識別系統(tǒng)中存儲信息的功能。

控制系統(tǒng)流程圖見圖8。當工件到位進入機器人工作區(qū)域，機器人進行拍照識別工件型號，PLC獲取數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品型號和坐標發(fā)送給機器人，機器人完成缸體抓取并運行到等待位；導(dǎo)向背板上1號和2號光電傳感器在檢測范圍內(nèi)有導(dǎo)正吊鉤通過時，會把信息傳遞給PLC，吊鉤準確，當?shù)蹉^通過3號光電傳感器后，機器人啟動隨動，通過隨動編碼器返回數(shù)據(jù)保持與懸鏈速度一致，完成隨動掛件；當1號檢測有吊鉤通過，2號光電傳感器檢測范圍內(nèi)未感知有吊鉤，此時機器人發(fā)出報警提示并記錄，等待下一正常吊鉤再工作。機器人掛件完成后，PLC通過控制RFID讀寫頭，將缸體型號、掛件時間等信息存儲到吊鉤上載碼體內(nèi)，以便后續(xù)工序讀取。

圖8 控制系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)語

基于視覺識別的機器人隨動掛件系統(tǒng)，實現(xiàn)懸掛鏈在運動狀態(tài)下300 kg重載缸體鑄件的自動識別、抓取、掛件。系統(tǒng)已投入鑄造廠日常生產(chǎn)，實際使用表明：運行穩(wěn)定可靠，機器人有效代替人工正常生產(chǎn)，人工使用懸臂吊掛件45 s/鉤，即80 鉤/h；機器人掛件41 s/鉤，即88 鉤/h，生產(chǎn)效率提升10%。人工使用懸臂吊掛件造成鑄件磕碰傷導(dǎo)致廢品率為0.5%，機器人掛件后降至0.4%以下。工作區(qū)域封閉，杜絕安全隱患。

國內(nèi)在懸掛鏈輸送重載缸體鑄件機器人隨動掛件無成功應(yīng)用案例，此工作形式對提高企業(yè)自動化生產(chǎn)水平意義重大，具有良好的應(yīng)用前景。