面向工程機械領(lǐng)域的視覺引導重載桁架智能分揀控制系統(tǒng)

馬迎召, 邱永峰,*, 鄭 祎, 彭 康, 吳亞輝, 路 輝

(1.湖南天橋嘉成智能科技有限公司, 湖南 株洲 412007; 2.貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司, 貴州 貴陽 550081)

0 引言

近年來,隨著自動化、信息化、數(shù)字化技術(shù)在有色冶煉、鋼鐵冶金和工程機械等行業(yè)中的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用,智能制造逐漸成為一種趨勢[1-3]。在制造業(yè)的物流輸送環(huán)節(jié)中[4-5],分揀是一個熱門話題,關(guān)于分揀機器人、桁架機器人和相關(guān)算法的研究眾多[6-7]。在工程機械領(lǐng)域,對于切割后的鋼板零件分揀,傳統(tǒng)的人工分揀效率低且勞動強度大。通用工業(yè)機器人的臂展、載荷有限,一般僅用于小零件的分揀,對于一些超大件已不適用。重載桁架為龍門式結(jié)構(gòu)[8],可根據(jù)最大零件設(shè)計有效行程和最大載荷,還可根據(jù)分揀工位的實際情況靈活配置各種類型的抓手。

基于鋼板零件智能分揀的工業(yè)項目需求,結(jié)合機器視覺輔助技術(shù)[9-10],本文設(shè)計并研制了面向工程機械領(lǐng)域的視覺引導重載桁架智能分揀控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)有助于打通工程機械智能制造全流程中的信息孤島,實現(xiàn)從原材料入庫到整車裝配全過程的智能化生產(chǎn)管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的重載桁架智能分揀控制系統(tǒng)包括視覺系統(tǒng)和桁架控制系統(tǒng)。視覺系統(tǒng)由工業(yè)相機及光源、視覺軟件及工控機組成;桁架控制系統(tǒng)由伺服驅(qū)動單元、抓手控制單元、主控制器組成,其中抓手控制單元采用矩陣式電永磁結(jié)構(gòu)。整體的控制邏輯如下:車間中控服務(wù)器是桁架智能分揀控制系統(tǒng)的上級控制源,將鋼板切割零件的排圖解析數(shù)據(jù)發(fā)送給視覺系統(tǒng),同時接收視覺系統(tǒng)的反饋信息,并實時采集桁架系統(tǒng)的多種數(shù)據(jù),如設(shè)備運行狀態(tài)、報警參數(shù)等。視覺系統(tǒng)向桁架控制器發(fā)送執(zhí)行任務(wù)數(shù)據(jù),包括拍照點坐標、抓取點坐標、聯(lián)動模式、磁吸點配置、放置點坐標等,桁架控制器根據(jù)控制邏輯依次執(zhí)行單個零件的分揀任務(wù),任務(wù)完成后向視覺系統(tǒng)反饋信息,其中安全防護檢測模塊為桁架運行提供實時保護檢測。

1.1 硬件設(shè)計

如圖1所示,為本文研制的重載桁架智能分揀控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)拓撲圖。其中主控制器采用西門子S7-1515系列PLC;桁架驅(qū)動機構(gòu)包括X軸、Y軸、Z軸和R軸,考慮到跨距較大,其中X軸采用雙側(cè)電機驅(qū)動方式,因此單抓手共計5套伺服軸,整套系統(tǒng)需10套伺服軸。抓手為點陣式布局結(jié)構(gòu),由52組電永磁塊組成,通過電永磁控制器配合中間繼電器,可由PLC通過IO模塊選通任意通道組合充退磁,具有吸力強、安全可靠、操作方便等優(yōu)點。相機采用Basler 2D工業(yè)相機,像素可達500萬Pixel,鏡頭采用Computar工業(yè)級鏡頭,具有低畸變特性,可根據(jù)相機高度調(diào)整焦距。

圖1 基于機器視覺的雙抓手桁架控制拓撲圖

1.2 軟件設(shè)計

如圖2所示,為重載桁架智能分揀控制系統(tǒng)執(zhí)行單次分揀任務(wù)的控制流程圖。視覺系統(tǒng)將單個零件分揀任務(wù)發(fā)送給桁架控制器,桁架控制器依次執(zhí)行抓放零件任務(wù),單次任務(wù)完成后向視覺系統(tǒng)反饋,視覺系統(tǒng)判斷整板上的零件是否全部完成分揀,然后向上位機反饋信息并等待新的任務(wù)。

圖2 智能分揀系統(tǒng)控制流程圖

上位機向視覺下發(fā)分揀任務(wù),分揀任務(wù)數(shù)據(jù)被直接解析為套料圖,如圖3所示。該套料圖將數(shù)據(jù)圖形化,使界面簡潔直觀,且包含了整張鋼板切割后的零件信息,最終以文件形式存儲于視覺工控機硬盤中。

圖3 鋼板零件套料圖

桁架PLC控制器為每只抓手定義單獨的數(shù)據(jù)存儲區(qū)DB1和DB2,視覺系統(tǒng)分別向DB1和DB2中發(fā)送任務(wù)數(shù)據(jù)。相機安裝在桁架抓手上隨動,桁架抓手運動到拍照點并觸發(fā)相機拍照。因零件較大,相機無法對所有零件進行整體拍照,而是選取特征點拍照(如零件的邊角處),經(jīng)兩次拍照對比后,視覺計算出抓取點坐標及磁吸點配置。

單個抓手采用52個小磁柱組成了矩陣式磁吸抓手,單個磁柱可用1bit來表示,當單個bit為1時表示磁柱充磁、為0時表示退磁。視覺系統(tǒng)按零件尺寸預先定義了中大件、超大件。當零件為中大件時,發(fā)單獨作業(yè)標志給桁架系統(tǒng),桁架執(zhí)行獨立分揀任務(wù),抓手磁吸配置效果如圖4所示。

圖4 單抓手磁吸配置(藍色為充磁)

當零件為超大件時,視覺系統(tǒng)將發(fā)出聯(lián)抬作業(yè)標志給桁架系統(tǒng),桁架雙抓手配合作業(yè),抓手磁吸配置效果如圖5所示。

圖5 雙抓手磁吸配置(藍色為充磁)

分揀任務(wù)的執(zhí)行流程如下:

Step1:桁架系統(tǒng)進行狀態(tài)自診斷,設(shè)備就緒后向視覺系統(tǒng)寫命令編號1;

Step2:視覺系統(tǒng)收到命令編號1后發(fā)送拍照點坐標;

Step3:桁架系統(tǒng)控制抓手運動至拍照點,相機觸發(fā)2兩次拍照;

Step4:視覺系統(tǒng)計算抓取點坐標和磁吸配置,發(fā)送給桁架控制器;

Step5:通過防干涉判斷后,桁架系統(tǒng)按視覺引導執(zhí)行抓取、放件動作;

Step6:抓放任務(wù)完成后,桁架系統(tǒng)向視覺系統(tǒng)寫命令編號3,否則寫4,放棄當前任務(wù),然后桁架系統(tǒng)回到零點,等待下個任務(wù)。

桁架系統(tǒng)HMI界面如圖6所示,該界面展示了自動模式下桁架系統(tǒng)各軸實時位置、視覺引導下的各軸目標坐標、命令編號和磁吸配置等參數(shù),其他未展示界面還包括手動操作界面、基準參數(shù)標定界面、異常處理界面等。

圖6 桁架控制HMI自動參數(shù)界面

2 系統(tǒng)測試驗證

重載桁架智能分揀控制系統(tǒng)的實物圖如圖7所示,在某工程機械頭部企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場,對研制的重載桁架智能分揀控制系統(tǒng)進行了實際運行測試。

圖7 重載桁架智能分揀控制系統(tǒng)

表1為智能分揀控制系統(tǒng)完工數(shù)據(jù)記錄,根據(jù)表中的統(tǒng)計數(shù)據(jù),大件分揀成功率達到了90%以上,當單張鋼板上大件零件數(shù)不超過30個時,單張鋼板零件分揀完成耗時控制在20 min以內(nèi),單個零件分揀平均耗時在40 s左右。而傳統(tǒng)人工分揀完一張鋼板平均耗時30～40 min,本設(shè)計提高了生產(chǎn)效率、降低了勞動強度。

表1 智能分揀系統(tǒng)完工數(shù)據(jù)記錄

3 結(jié)語

針對工程機械行業(yè)對新型智能分揀控制系統(tǒng)的迫切需求,本文研制了基于視覺引導的重載桁架智能分揀控制系統(tǒng),通過在生產(chǎn)現(xiàn)場的實際運行測試驗證,該控制系統(tǒng)有效提高了生產(chǎn)效率,極大降低了勞動強度,并將分揀設(shè)備和車間信息系統(tǒng)打通,實現(xiàn)了生產(chǎn)狀態(tài)的實時監(jiān)控,使智能化下料分揀線的雛形初現(xiàn)。目前,該智能分揀控制系統(tǒng)采用零件混放策略,在工序上可能需要二次混揀。因此,后續(xù)將重點研究多種類零件碼放優(yōu)化策略。