智能裝配生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王斌 孫志豪 陳宇豪

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；視覺；PLC；裝配

1引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，以工業(yè)機(jī)器人為裝備的智能裝配系統(tǒng)在制造業(yè)中起到了越來越重要的作用[1-2]。傳統(tǒng)的基于人工裝配的方法工作效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，已無法滿足快速多變的市場(chǎng)需求。工業(yè)機(jī)器人智能裝配生產(chǎn)線大大縮短了產(chǎn)品加工周期、提升了裝配效率，減少了企業(yè)人工成本；同時(shí)，可以與MES和ERP等系統(tǒng)通信交互，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)出庫(kù)的全過程自動(dòng)化，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。市場(chǎng)產(chǎn)品種類多樣化，顏色、形態(tài)各異的工件要求裝配生產(chǎn)線具有更高的柔性化程度，智能傳感器及其技術(shù)，尤其是視覺技術(shù)的發(fā)展，極大地提升了產(chǎn)品裝配的自動(dòng)化和柔性化。

智能裝配生成線的一般工作過程在于，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到工件到達(dá)視覺檢測(cè)位時(shí)，啟動(dòng)相機(jī)拍攝，計(jì)算處理獲取目標(biāo)的類別及位姿信息，引導(dǎo)機(jī)器人按一定的策略裝配工件。目前，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合智能傳感器技術(shù)，學(xué)者已經(jīng)對(duì)機(jī)器人智能裝配系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究[4-7]。文獻(xiàn)[5]采用深度學(xué)習(xí)方法提取目標(biāo)的特征，避免了人工設(shè)計(jì)目標(biāo)特征易受環(huán)境干擾因素的影響，選取工件表面的關(guān)鍵點(diǎn)作為數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)工件圖像關(guān)鍵點(diǎn)預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件位姿的準(zhǔn)確估計(jì)。文獻(xiàn)[6]對(duì)機(jī)器人智能裝配系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)闡述了圖像畸變處理、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、主控中心點(diǎn)計(jì)算法、裝配策略和調(diào)試技巧等關(guān)鍵方法，有效提升了裝配精度和速度。文獻(xiàn)[7]提供了結(jié)合快換工件和視覺裝配工作站仿真方案，結(jié)合RobotStudio和SolidWorks建立3D仿真模型，通過添加Smart組件建立邏輯連接，再經(jīng)路徑規(guī)劃等步驟完成離線程序編制，該方案優(yōu)化了裝配生產(chǎn)線的性能、節(jié)約了成本。在上述智能裝配系統(tǒng)中，處理的工件大多默認(rèn)是合格產(chǎn)品，即獲取的是工件的類別以及位置角度信息，缺少對(duì)工件是否合格的判斷。當(dāng)產(chǎn)線上出現(xiàn)缺陷工件時(shí)，由于無檢測(cè)環(huán)節(jié)，造成成品質(zhì)量不合格，進(jìn)而有損品牌的形象。

針對(duì)以上問題，本項(xiàng)目主要設(shè)計(jì)了兼有檢測(cè)功能的智能裝配系統(tǒng)。首先進(jìn)行裝配系統(tǒng)的硬件選型安裝設(shè)計(jì)，完成ABB機(jī)器人、西門子PLC以及康耐視智能相機(jī)的通信連接。通過AGV小車將工件運(yùn)輸至傳送帶再流轉(zhuǎn)至視覺處理工位：獲取圖像后計(jì)算工件類別信息，同時(shí)判斷是否為良品。最后機(jī)器人按照策略執(zhí)行踢廢或裝配任務(wù)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)的有效性。

2本文系統(tǒng)

2.1硬件系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的智能裝配系統(tǒng)主要由ABB工業(yè)機(jī)器人、SIMATIC S7 1200 PLC，Cognex Insight、光電傳感器、傳送帶、AGV小車等設(shè)備組成，如圖1所示。

系統(tǒng)中的PLC作為主控設(shè)備，如圖2所示，與機(jī)器人之間采用socket通信，通過PROFINET與相機(jī)傳遞信息，利用IO口方式采集光電傳感器信號(hào)并通過變頻器驅(qū)動(dòng)傳送帶。系統(tǒng)的工作流程為：AGV小車將裝有工件的托盤放置至傳送帶時(shí)，其端側(cè)的光電傳感器檢測(cè)到信息；PLC采集到光電信號(hào)后啟動(dòng)傳送帶，當(dāng)托盤被運(yùn)送至視覺檢測(cè)區(qū)域后，觸發(fā)此區(qū)域的光電傳感器，皮帶停止運(yùn)動(dòng)，相機(jī)拍照并軟件分析；機(jī)器人根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果，若為瑕疵品，則將其放置廢料區(qū)，若檢測(cè)合格，進(jìn)一步判斷是否適合放置至裝配區(qū)，否則暫存于工件暫存區(qū)。

2.2工件位姿檢測(cè)

本系統(tǒng)中待裝配的工件有4個(gè)，見圖3（a），分別是關(guān)節(jié)底座、電機(jī)、諧波減速器和法蘭，其中減速器和法蘭易出現(xiàn)缺陷，如圖3（b）所示。

2.2.1像素當(dāng)量

選用康耐視In-sight軟件檢測(cè)工件類別和位置信息。由于相機(jī)獲取的是目標(biāo)的像素信息，若要進(jìn)一步獲取其實(shí)際物理尺寸，則需要像素的當(dāng)量信息[8]。像素當(dāng)量表示每個(gè)像素代表的實(shí)際物理尺寸，計(jì)算公式為：實(shí)際物理長(zhǎng)度／像素個(gè)數(shù)。

2.2.2模板匹配

選擇工件的輪廓形狀作為特征設(shè)置工件模板，注冊(cè)四個(gè)工件的基準(zhǔn)圖像。將基準(zhǔn)圖像通過旋轉(zhuǎn)、平移以及縮放等操作遍歷整個(gè)圖像進(jìn)行匹配。采用相似度方法將當(dāng)前處理工件判為基準(zhǔn)中輪廓差異最小所對(duì)應(yīng)的類別。此時(shí)，若為減速器或者法蘭類別，則進(jìn)一步判別高工件中所包含的孔洞的個(gè)數(shù)。采用斑點(diǎn)分析的方法檢測(cè)孔的數(shù)量，當(dāng)檢測(cè)出的孔洞個(gè)數(shù)少于基準(zhǔn)圖像時(shí)，則將此工件判斷為NG產(chǎn)品，否則判斷為OK產(chǎn)品。

將托盤中心位置標(biāo)識(shí)為機(jī)器人抓取基準(zhǔn)中心點(diǎn)。機(jī)器人抓取工件的位置信息需要計(jì)算工件匹配中心點(diǎn)與基準(zhǔn)中心點(diǎn)的偏差。根據(jù)模板匹配獲取工件的中心位置信息，得到與基準(zhǔn)中心的像素偏差，乘以像素當(dāng)量，再根據(jù)相機(jī)安裝信息獲取機(jī)器人與圖像橫縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終得到機(jī)器人應(yīng)該偏移的位置信息。

2.3裝配

PLC編程統(tǒng)計(jì)當(dāng)前裝配區(qū)的工件類別，判斷當(dāng)前抓取的工件是否可以直接進(jìn)行裝配。若可以，則發(fā)送指令至機(jī)器人將當(dāng)前處理的工件抓放至裝配區(qū)。若當(dāng)前處理的工件不能滿足裝配需求，則根據(jù)指令將工件按類別放置于工件暫存區(qū)。

2.4實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的性能，進(jìn)行重復(fù)隨機(jī)工件抓取及裝配實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將不同類型的工件隨機(jī)放置于托盤，每類工件均放置50個(gè)，本系統(tǒng)均可以正確識(shí)別并抓取，單個(gè)工件處理時(shí)間為20s。

將次品工件放置于托盤，驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)于缺陷工件的處理功能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

3結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了智能裝配生產(chǎn)線系統(tǒng)，根據(jù)任務(wù)需求完成機(jī)器人、PLC、相機(jī)以及傳感器等選型安裝后，以PLC為主控單元建立各個(gè)設(shè)備之間的通信連接。裝載工件的托盤被AGV輸送至傳送帶，且光電傳感器檢測(cè)到物料后，PLC控制變頻器使得物料開始流轉(zhuǎn)：工件運(yùn)動(dòng)至視覺拍照位后，傳感器感應(yīng)到信息，進(jìn)而觸發(fā)相機(jī)拍照；根據(jù)注冊(cè)的工件基準(zhǔn)位置，計(jì)算偏移量及旋轉(zhuǎn)角度信息，引導(dǎo)機(jī)器人完成抓?。桓鶕?jù)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，將工件進(jìn)行踢廢或者裝配操作。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)可以有效完成待加工工件的質(zhì)量檢測(cè)和裝配操作。