基于機(jī)器人與視覺的激光雷達(dá)芯片組裝設(shè)備技術(shù)研究*

梁華軒，冼業(yè)榮，沈大財(cái)，阮 毅，楊楚歆，麥麗菊

（廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510799）

0 引言

最近幾年，借助國(guó)內(nèi)智能電動(dòng)汽車崛起與自動(dòng)駕駛的火熱，激光雷達(dá)成為是汽車產(chǎn)業(yè)鏈的熱點(diǎn)，中國(guó)已經(jīng)成為自動(dòng)駕駛［1］和激光雷達(dá)應(yīng)用比較活躍的市場(chǎng)。

日前，國(guó)家商務(wù)部擬將激光雷達(dá)系統(tǒng)列入《中國(guó)禁止出口限制出口技術(shù)目錄》，作為禁止或限制出口品類，由此可見國(guó)家對(duì)于激光雷達(dá)技術(shù)的重視程度。技術(shù)出口限制在客觀上為國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)企業(yè)提供了更好的生存環(huán)境，但仍面臨產(chǎn)能提升與制造成本的極大挑戰(zhàn)。形成技術(shù)迭代、量產(chǎn)、降低成本的正向循環(huán)，是未來(lái)國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)企業(yè)的重點(diǎn)考慮方向。

2022年四季度以來(lái)，海外激光雷達(dá)行業(yè)正經(jīng)歷暴力洗牌，激光雷達(dá)的先驅(qū)公司如Ibeo、Quanergy先后破產(chǎn)。由于國(guó)外車企的系統(tǒng)性開發(fā)模式，決定了一個(gè)新技術(shù)、新產(chǎn)品的開發(fā)周期相對(duì)更長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)品遲遲無(wú)法量產(chǎn)。這也為我國(guó)的激光雷達(dá)發(fā)展提供了超越的機(jī)會(huì)。目前國(guó)內(nèi)外激光雷達(dá)企業(yè)都不約而同地選擇推動(dòng)激光雷達(dá)加速量產(chǎn)，而國(guó)外的產(chǎn)業(yè)“空心化”愈演愈烈，設(shè)備制造業(yè)以及配套的供應(yīng)鏈往東南亞轉(zhuǎn)移，歐美傳統(tǒng)的設(shè)備制造能力遭到了大幅度削弱。國(guó)外激光雷達(dá)企業(yè)曾經(jīng)的先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)強(qiáng)大的設(shè)備研發(fā)制造能力面前被消耗殆盡。

國(guó)內(nèi)的設(shè)備供應(yīng)商從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝驗(yàn)證等方面與激光雷達(dá)企業(yè)展開深度合作，通過(guò)快速量產(chǎn)、關(guān)鍵技術(shù)迭代，市場(chǎng)份額逐漸取得絕對(duì)領(lǐng)先地位。在量產(chǎn)能力和產(chǎn)品性能上，國(guó)內(nèi)企業(yè)更勝一籌。

在激光雷達(dá)生產(chǎn)的芯片組裝［2-3］等核心環(huán)節(jié)，自動(dòng)化程度仍然有極大的提升空間。隨著“中國(guó)制造2025”的提出，生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)大量引入機(jī)器人、視覺系統(tǒng)等，國(guó)內(nèi)的智能制造設(shè)備廠商如虎添翼，往智能化、信息化方向高速發(fā)展。

車規(guī)級(jí)別的元器件種類繁多價(jià)格昂貴，組裝采用自動(dòng)化設(shè)備，相比起人工作業(yè)，能夠降低人工成本、提高組裝精度、保障性能穩(wěn)定以及縮短交貨周期等。針對(duì)產(chǎn)能與降本的實(shí)際痛點(diǎn)，設(shè)備結(jié)合企業(yè)的實(shí)際工藝需求，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化組裝芯片及視覺檢測(cè)的設(shè)備。上位機(jī)軟件作為控制核心，采用C＃語(yǔ)言，Winform作為界面開發(fā)框架。系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備進(jìn)行工單下發(fā)、數(shù)據(jù)上傳，集中控制等。西門子S7-1200系列PLC做為主要控制單元，驅(qū)動(dòng)電缸、點(diǎn)膠、鎖付等執(zhí)行單元，而視覺系統(tǒng)、光電傳感器等作為檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化。極大提升激光雷達(dá)芯片組裝環(huán)節(jié)的自動(dòng)化與智能化水平。

1 設(shè)備的工作原理及總體組成

1.1 整體布局以及功能模塊

結(jié)合產(chǎn)品組裝的工藝要求、膠水特性以及目前點(diǎn)膠技術(shù)情況，設(shè)計(jì)一種可以實(shí)現(xiàn)組裝、點(diǎn)膠以及檢測(cè)功能的設(shè)備。如圖1 所示，整體布局大致概括為7 大模塊，分別是產(chǎn)品流轉(zhuǎn)線、組裝機(jī)器人、點(diǎn)膠機(jī)器人、組裝定位治具、上料模塊、稱膠檢測(cè)模塊、視覺系統(tǒng)。

圖1 設(shè)備整體布局

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 SCARA機(jī)器人

SCARA機(jī)器人主要功能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零配件的自動(dòng)化組裝，通過(guò)SCARA機(jī)器人配備多功能手爪以及視覺定位引導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品抓取、定位、組裝功能，如圖2 所示。SCARA機(jī)器人配備視覺拍照系統(tǒng)［4］，使得設(shè)備柔性功能進(jìn)一步提升，即使在來(lái)料方向不確定的情況下，通過(guò)視覺的拍照識(shí)別，反向結(jié)合機(jī)器人行走姿態(tài)，也能把零件準(zhǔn)確地組裝到工件里，完成無(wú)序組裝。

圖2 組裝機(jī)械手

1.2.2 點(diǎn)膠機(jī)器人

點(diǎn)膠機(jī)器人由IAI 伺服電缸組成。根據(jù)產(chǎn)品工藝要求，點(diǎn)膠機(jī)器人主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的點(diǎn)膠工藝，如圖3所示。點(diǎn)膠閥根據(jù)膠水物理性質(zhì)結(jié)合產(chǎn)品工藝要求，選擇采用螺桿式點(diǎn)膠閥；同時(shí)為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位、復(fù)雜軌跡的點(diǎn)膠［5］效果，設(shè)計(jì)了一種可多軸聯(lián)動(dòng)的XYZ機(jī)器人；通過(guò)點(diǎn)膠閥控制點(diǎn)膠量以及點(diǎn)膠精度，結(jié)合XYZ機(jī)器人帶動(dòng)點(diǎn)膠閥，以完成復(fù)雜軌跡、高精度的點(diǎn)膠效果。并且配備檢測(cè)視覺系統(tǒng)，對(duì)點(diǎn)膠效果進(jìn)行檢測(cè)跟蹤。如圖3所示。

圖3 點(diǎn)膠機(jī)器人

1.2.3 產(chǎn)品流轉(zhuǎn)線

產(chǎn)品流轉(zhuǎn)是自動(dòng)化生產(chǎn)線必要的功能，實(shí)現(xiàn)的方式也有多種，本次設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的柔性化、設(shè)備間快速對(duì)接，采用了“輸送線＋過(guò)站頂升”相結(jié)合的形式，如圖4 所示。制作定制的流轉(zhuǎn)載具，可把產(chǎn)品的零部件放置在流轉(zhuǎn)載具上，通過(guò)輸送線把流轉(zhuǎn)載具輸送到每一臺(tái)設(shè)備。過(guò)站頂升機(jī)構(gòu)除了能實(shí)現(xiàn)流轉(zhuǎn)載盤的定位、頂升等通用功能外，還配備流轉(zhuǎn)載盤轉(zhuǎn)接手抓，通過(guò)轉(zhuǎn)接手抓把流轉(zhuǎn)載盤脫離頂升板，夾緊定位在輸送線上部，使得后面的流轉(zhuǎn)載具可以從頂升處輸送線流轉(zhuǎn)，從而達(dá)到前后載盤流轉(zhuǎn)互不干擾，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)同功能設(shè)備的多工位的同步作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。

圖4 產(chǎn)品流轉(zhuǎn)線

經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品組裝的工藝、膠水特性等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，結(jié)合當(dāng)前的自動(dòng)化芯片組裝和自動(dòng)化點(diǎn)膠等相關(guān)技術(shù)，同時(shí)把智能制造、柔性制造［6］等概念貫穿到整體的設(shè)備上，使得該設(shè)備既能滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求，又能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的柔性化對(duì)接，幫助產(chǎn)線快速的升級(jí)迭代。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)包含的硬件有觸控工業(yè)顯示屏、工控機(jī)、PLC控制器、視覺系統(tǒng)、SCARA 機(jī)器人、點(diǎn)膠機(jī)器人等。在滿足性能的前提下，需要對(duì)硬件進(jìn)一步選型，合理降低成本，同時(shí)保留足夠的擴(kuò)展冗余。如圖5 所示。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 觸控工業(yè)顯示屏

上位機(jī)系統(tǒng)需要對(duì)機(jī)器人控制、視覺系統(tǒng)、PLC 交互、數(shù)據(jù)追溯等進(jìn)行二次開發(fā)，整個(gè)控制系統(tǒng)復(fù)雜，集成度高。因此，擯棄傳統(tǒng)的觸摸屏，采用了21 英寸帶觸控功能的工業(yè)顯示屏，不僅可以直接點(diǎn)擊顯示屏進(jìn)行控制操作，還可以對(duì)整個(gè)設(shè)備的全部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 工控機(jī)

采用研華工控機(jī)，由于上位機(jī)軟件具備視覺圖像處理、機(jī)器人控制、PLC 信號(hào)交互、數(shù)據(jù)上傳等功能。主機(jī)的CPU 性能、內(nèi)存容量、網(wǎng)口數(shù)量，甚至固態(tài)硬盤速度都有嚴(yán)苛要求。經(jīng)反復(fù)測(cè)試比較，CPU i7-7700，16 GB內(nèi)存，256 GB 固態(tài)硬盤，6 個(gè)千兆網(wǎng)口的配置，滿足軟件的流暢運(yùn)行。

2.3 PLC控制器

SIMATIC S7-1200 具有集成PROFINET 接口、強(qiáng)大的集成工藝功能和靈活的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，為各種工藝任務(wù)提供了簡(jiǎn)單的通信和有效的解決方案，尤其滿足多種應(yīng)用中完全不同的自動(dòng)化需求。

設(shè)備共有2 套PN型V90 伺服驅(qū)動(dòng)，4 路串口，1 路Modbus-TCP通信。綜合IO 開關(guān)量數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)通信、運(yùn)算能力、程序容量等因素，選擇S7-1215 作為主控制器。同時(shí)預(yù)留30%點(diǎn)數(shù)作為后期擴(kuò)展。

2.4 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)共有3 個(gè)工業(yè)面陣相機(jī)，綜合檢測(cè)產(chǎn)品的精度要求、運(yùn)動(dòng)速度、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、靜態(tài)檢測(cè)等因素，確定相機(jī)參數(shù)；根據(jù)機(jī)器人活動(dòng)空間及視野大小、焦距、景深等，對(duì)鏡頭進(jìn)行匹配；前期對(duì)樣品進(jìn)行打光，獲取特征明顯清晰的圖像，兼顧光源顏色對(duì)操作人員的視覺刺激，確定光源的顏色和尺寸。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試比對(duì)，得出整套視覺的硬件配置表，如表1 所示。相機(jī)采用?？礐E系列工業(yè)面陣相機(jī)，像素覆蓋面30 萬(wàn)到2 000 萬(wàn)像素，以卷簾曝光為主。提供千兆網(wǎng)和USB 3.0 數(shù)據(jù)接口，可以滿足多種工業(yè)需求。如表1 所示。

表1 視覺硬件配置

2.5 SCARA機(jī)器人

發(fā)那科SR-6iA 是兼有智能、高速和高精度的SCARA機(jī)器人。手腕可搬運(yùn)負(fù)載質(zhì)量達(dá)6 kg，重復(fù)定位精度為0.01，滿足抓取、組裝芯片的精度要求，同時(shí)配備Modbus TCP通信插件與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

2.6 點(diǎn)膠機(jī)器人

點(diǎn)膠機(jī)器人由IAI 伺服電缸模組搭建。在點(diǎn)膠場(chǎng)合應(yīng)該非常廣泛，搭配XSEL 控制器，對(duì)于形狀復(fù)雜的工作、運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行均勻涂覆蓋和高精度填充，從而優(yōu)化了周期時(shí)間，提高了質(zhì)量。示教完所有軌跡后，由于需要PLC調(diào)用模組的程序號(hào)，需要選配Profinet 通信單元。根據(jù)負(fù)載、精度要求以及節(jié)拍，確定電缸和控制器的選型。如表2 所示。

表2 IAI伺服電缸型號(hào)

3 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)工藝流程分解及機(jī)械3D 模擬后，滿足節(jié)拍的前提下，需要對(duì)整個(gè)設(shè)備的控制框架、交互形式進(jìn)行梳理分析。如圖6 所示，經(jīng)過(guò)分析可得如下結(jié)論。

圖6 控制系統(tǒng)框架

（1）本工序產(chǎn)品加工完畢，把過(guò)程參數(shù)上傳至車間追溯系統(tǒng)，同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程中，也需要查詢上一工序的加工信息，而追溯系統(tǒng)往往通過(guò)http超文本協(xié)議與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，常規(guī)PLC、傳統(tǒng)觸摸屏不支持此通訊協(xié)議。因此與追溯系統(tǒng)通訊的功能只能通過(guò)設(shè)備的上位機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）PLC接受來(lái)自上位機(jī)軟件的生產(chǎn)指令，從而驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)如機(jī)器人、電缸等；由于機(jī)器人自帶的硬件I／O無(wú)法滿足控制要求，需要通過(guò)Modbus TCP協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展信號(hào)，從而完成PLC對(duì)多個(gè)PNS子程序的調(diào)用。

（3）工業(yè)相機(jī)與工控機(jī)的千兆網(wǎng)卡相連，上位機(jī)通過(guò)TCP觸發(fā)相機(jī)，PLC負(fù)責(zé)光源啟停。采集的圖像存放到硬盤，由上位機(jī)軟件進(jìn)行圖像分析處理，再引導(dǎo)機(jī)器人動(dòng)作。

3.1 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)及功能開發(fā)

由于大量數(shù)據(jù)需要通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行中轉(zhuǎn)分發(fā)，上位機(jī)軟件是整個(gè)設(shè)備的指揮中樞，而PLC 控制器作為主要控制元件負(fù)責(zé)接收傳感器信號(hào)及驅(qū)動(dòng)機(jī)器人、伺服電機(jī)等。另外需要對(duì)?？礦M 算法平臺(tái)進(jìn)行二次處理，故采用基于C＃高級(jí)語(yǔ)言的Winform［7-9］界面框架進(jìn)行開發(fā)。上位機(jī)系統(tǒng)包含如圖7 所示的主要功能模塊。

圖7 上位機(jī)軟件功能框架

本軟件按兩層架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，即顯示層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層?？梢院芎玫貪M足軟件需求，解決方案里的各模塊說(shuō)明如表3 所示。

表3 上位機(jī)軟件各模塊說(shuō)明

（1）Vision.UI為顯示層，展現(xiàn)給用戶的界面，主要實(shí)現(xiàn)與用戶的交互，響應(yīng)用戶請(qǐng)求或展示用戶請(qǐng)求的數(shù)據(jù)結(jié)果。

（2）Vision.DAL為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，包含各種數(shù)據(jù)讀寫方法。如SQL、XML讀取類。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建參數(shù)，調(diào)用幫助類等。通過(guò)Vision. Models 實(shí)體類，獲取結(jié)果，主要負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)打交道，將業(yè)務(wù)邏輯轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

（3）Vision.Models為實(shí)體類，是數(shù)據(jù)傳遞的載體。包含大量的私有字段，而屬性一般供外部類訪問(wèn)，通過(guò)對(duì)屬性的讀寫限制，從而有效保護(hù)私有字段不被外部程序破壞。

（4）Vision.Utility 為工具類，主要存放各種靜態(tài)方法，通過(guò)類調(diào)用，不必浪費(fèi)內(nèi)存去實(shí)例化工具類對(duì)象，包含如PLC 通信、機(jī)器人通信、圖像處理、字符截取、浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換等方法。

（5）Vision.ExtControls為擴(kuò)展控件庫(kù)，開發(fā)過(guò)程中，原有控件功能無(wú)法滿足需求或不夠美觀時(shí)，需要對(duì)控件進(jìn)行二次開發(fā)，技術(shù)要點(diǎn)是自定義屬性和編寫自定義事件處理方法。

對(duì)解決方案進(jìn)行分層，完成整個(gè)軟件的架構(gòu)搭建后，首先需要引用相關(guān)的類庫(kù)與控件：Sharp7 用于上位機(jī)與西門子PLC［10］的通信；FRRJIF、FRRobotIFLib 用于上位機(jī)與發(fā)那科SCARA機(jī)器人通信；引用VM二次開發(fā)所需要的dll文件及控件，完成開發(fā)環(huán)境的配置。部分代碼展示如圖8 ～11 所示。

圖8 實(shí)例化PLC對(duì)象并創(chuàng)建連接

圖9 實(shí)例化機(jī)器人所需的對(duì)象

圖10 加載視覺算法

圖11 獲取坐標(biāo)偏移量用以引導(dǎo)機(jī)器人

深刻理解客戶的需求和工藝流程后，抽象出所分析的功能、模塊，從下往上，完成Models 類的字段定義，按照詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行各個(gè)方法、類代碼的編寫，測(cè)試局部功能；達(dá)到預(yù)期效果后，進(jìn)行集成測(cè)試，把各個(gè)模塊、單元組裝后，進(jìn)行軟件和硬件的集成調(diào)試，檢查軟件與硬件的交互功能是否完善，確保軟件的可靠性、安全性和可擴(kuò)展性。修復(fù)Bug 及完善功能，是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、糾正問(wèn)題的過(guò)程，確保軟件的良好效果。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

主要由初始化程序、運(yùn)行選擇、視覺控制、機(jī)器人程序、電缸程序、報(bào)警異常等模塊組成。運(yùn)行選擇模塊包含手動(dòng)、自動(dòng)、單步、暫停、過(guò)棧、空循環(huán)6 種運(yùn)動(dòng)方式。自動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式是整個(gè)PLC［11］程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。整個(gè)自動(dòng)流程相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備動(dòng)作流程如圖12 所示。交互的數(shù)據(jù)較多，本文僅對(duì)關(guān)鍵步驟進(jìn)行分析。初始化完成，所有機(jī)構(gòu)處于等待狀態(tài)。自動(dòng)流程開始，載具檢測(cè)到有物料，調(diào)用機(jī)器人程序把物料搬運(yùn)到治具，機(jī)器人搭載的相機(jī)進(jìn)行拍照。待上位機(jī)的視覺算法處理完畢后返回OK信號(hào)，機(jī)器人重新抓取物料，移至掃碼相機(jī)進(jìn)行掃碼，條碼信息由上位機(jī)發(fā)送至追溯系統(tǒng)進(jìn)行查詢是否符合批次。追溯系統(tǒng)返回查詢結(jié)果至上位機(jī)后，上位機(jī)通知PLC調(diào)用機(jī)器人程序，把物料放置到點(diǎn)膠位。點(diǎn)膠相機(jī)拍照完成，上位機(jī)返回坐標(biāo)信息到PLC，經(jīng)過(guò)偏移量計(jì)算，引導(dǎo)電缸進(jìn)行點(diǎn)膠。如圖13 所示。

圖12 設(shè)備動(dòng)作流程

圖13 視覺引導(dǎo)電缸的偏移量計(jì)算

點(diǎn)膠結(jié)束后，機(jī)器人把物料取出放回載具，流到后續(xù)工序進(jìn)行螺絲鎖付及質(zhì)量檢測(cè)。每個(gè)步驟發(fā)生異常時(shí)，都有對(duì)應(yīng)的處理流程，異常產(chǎn)品由伺服驅(qū)動(dòng)的輸送線轉(zhuǎn)送至NG等待位。此處不展開敘述。至此整個(gè)自動(dòng)流程結(jié)束等待下一次循環(huán)的開始。

3.3 視覺算法設(shè)計(jì)

采用?？狄曈X算法平臺(tái)VM，它提供了千余個(gè)完全自主研發(fā)的圖像處理算子與多種交互式開發(fā)工具，支持多種圖像采集設(shè)備，能夠滿足機(jī)器視覺領(lǐng)域中定位、測(cè)量、識(shí)別、檢測(cè)等需求［12］。

通過(guò)使用VM算法開發(fā)平臺(tái)提供的控制和數(shù)據(jù)獲取接口來(lái)完成自定義開發(fā)，將算子包裝成為獨(dú)特的視覺工具，融入用戶自定義的檢測(cè)流程中，極大簡(jiǎn)化調(diào)試難度，降低使用門檻。

整機(jī)共有3 個(gè)工業(yè)相機(jī)，包含采圖、掃碼、引導(dǎo)機(jī)器人定位、膠路檢測(cè)等功能。

以芯片抓取流程為例，開發(fā)思路及簡(jiǎn)要步驟如下。首先設(shè)置圖像源，可以選擇本地圖片或相機(jī)，由于前期已經(jīng)采集圖像保存在硬盤，選擇本地圖片，設(shè)備運(yùn)行時(shí)圖像源切換回相機(jī)。由于圖像特征點(diǎn)較少，且邊緣對(duì)比度低。因此選擇高精度匹配工具，能抵抗匹配對(duì)象發(fā)生扭曲變形，且支持異步縮放，缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間稍長(zhǎng)。特征模板參數(shù)里創(chuàng)建矩形掩膜。運(yùn)行參數(shù)里選擇考慮極性。圖14 所示為視覺引導(dǎo)算法流程。

圖14 視覺引導(dǎo)算法流程

在位置修正工具里創(chuàng)建基準(zhǔn)坐標(biāo)，找到直線與豎線做為位置識(shí)別點(diǎn)，經(jīng)過(guò)偏移計(jì)算，最終得出絕對(duì)位置從而引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行抓取。視覺實(shí)際計(jì)算結(jié)果如圖15 所示。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，搭載視覺系統(tǒng)，設(shè)備的綜合精度約為0.063 mm，完全滿足需求。

圖15 視覺實(shí)際計(jì)算結(jié)果

3.4 機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)

發(fā)那科SCARA機(jī)器人可通過(guò)示教器或?yàn)g覽器進(jìn)行編程，進(jìn)入通信設(shè)置頁(yè)面。機(jī)器人與PLC進(jìn)行通訊時(shí)，機(jī)器人一般作為服務(wù)器，PLC 作為客戶端。在機(jī)器人需要加裝Modbus TCP 通信插件，安裝后在IO 選項(xiàng)中會(huì)出現(xiàn)相關(guān)選項(xiàng)［13］。

設(shè)置端口IP 地址、連接數(shù)量、超時(shí)報(bào)警等參數(shù)。Modbus TCP方式分配給工業(yè)機(jī)器人的數(shù)字量I／O只可設(shè)置機(jī)架號(hào)為96，槽位號(hào)為1。進(jìn)入“I／O Modbus”配置頁(yè)面，如圖16 所示。

圖16 SCARA機(jī)器人Modbu TCP通信設(shè)置

機(jī)器人與PLC 進(jìn)行Modbus TCP 通信交互的數(shù)據(jù)量為6 個(gè)字。部分IO 的定義如表4所示，主要用于PNS子程序的調(diào)用及調(diào)用結(jié)果反饋。

表4 PLC與機(jī)器人部分交互信號(hào)定義

由于機(jī)器人自帶硬件I／O 數(shù)量不多，更多被用于控制氣動(dòng)手爪、連接安全光柵、急停等，在手動(dòng)示教時(shí)，無(wú)需PLC 或外部給信號(hào)，可由示教器直接驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手爪。而PLC調(diào)用PNS子程序的信號(hào)，則由Modus TPC［14］協(xié)議來(lái)傳輸。從而大大提高了機(jī)器人程序編寫的靈活性。如圖17 ～19 所示。

圖17 SCARA機(jī)器人Modbus TCP數(shù)字輸入配置

圖18 SCARA機(jī)器人Modbus TCP數(shù)字輸出配置

圖19 SCARA機(jī)器人主程序運(yùn)行效果

3.5 點(diǎn)膠機(jī)器人程序設(shè)計(jì)

由IAI 伺服電缸搭建的多軸聯(lián)動(dòng)XYZ 點(diǎn)膠機(jī)器人［15］，可精確控制膠路軌跡，點(diǎn)膠工藝性和精確性，直接影響芯片組裝的品質(zhì)。根據(jù)IAI 控制器自上而下的掃描的特點(diǎn)，程序分為主程序和子程序。主程序是控制器一啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)就一直在線循環(huán)執(zhí)行的程序塊，所有的子程序都在主程序中被調(diào)用，如圖20 所示。

圖20 點(diǎn)膠機(jī)器人程序結(jié)構(gòu)

子程序是針對(duì)設(shè)備各個(gè)不同的程序功能進(jìn)行模塊化編輯，主要包括對(duì)針尋參、偏移計(jì)算，稱膠、點(diǎn)膠、換膠和視覺檢測(cè)等功能程序。

在設(shè)備點(diǎn)膠功能要求中，點(diǎn)膠機(jī)器人的對(duì)針尋參和偏移計(jì)算是最為關(guān)鍵的功能，因?yàn)榇隧?xiàng)尋參精度將直接影響整個(gè)設(shè)備點(diǎn)膠精度從而決定產(chǎn)品的質(zhì)量高低。因此，在尋參程序中，首先使用一根基準(zhǔn)針進(jìn)行尋參，取TCP傳感器XYZ 的入光上升沿作為參考點(diǎn)，設(shè)置XYZ偏移數(shù)據(jù)均為0，同時(shí)使用此針的各個(gè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)點(diǎn)位數(shù)據(jù)。生產(chǎn)時(shí)更換的生產(chǎn)針頭在安裝好之后均要進(jìn)行尋參并和原基準(zhǔn)針的基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行XYZ 軸數(shù)據(jù)比較，得到的偏移數(shù)據(jù)就是生產(chǎn)針頭在進(jìn)行點(diǎn)膠工藝生產(chǎn)中在原基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)要進(jìn)行加減計(jì)算的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)多批量和長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)驗(yàn)證，此種尋參方式的誤差為±0.02 mm。程序如圖21所示。

圖21 點(diǎn)膠機(jī)器人對(duì)針尋參子程序

根據(jù)設(shè)備工作方式電缸分為手動(dòng)、自動(dòng)和初始化3種模式，工作方式之間進(jìn)行互鎖，防止誤操作。手動(dòng)模式是設(shè)備在手動(dòng)模式下進(jìn)行的人工操作，如電缸軌跡示教、位置對(duì)點(diǎn)、參數(shù)修改等都在此模式進(jìn)行。自動(dòng)模式是設(shè)備在進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)狀態(tài)，在自動(dòng)工作過(guò)程中，為了更好地進(jìn)行人工手動(dòng)介入，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝調(diào)整和質(zhì)量把關(guān)，增加了暫停功能，但是為了避免膠水在產(chǎn)品上堆積而造成產(chǎn)品不良，在點(diǎn)膠工藝過(guò)程中屏蔽暫定功能。初始化模式是設(shè)備在急?；蛘邤嚯姾笾匦聠?dòng)時(shí)設(shè)備的回原功能，初始化模式在手動(dòng)模式下進(jìn)行。

4 測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)果分析

設(shè)備測(cè)試驗(yàn)證主要分為程序功能測(cè)試驗(yàn)證以及設(shè)備重復(fù)定位精度驗(yàn)證。

程序功能測(cè)試驗(yàn)證主要測(cè)試設(shè)備動(dòng)作合理性以及生產(chǎn)節(jié)拍是否滿足。通過(guò)設(shè)備試車，反復(fù)調(diào)試、測(cè)試驗(yàn)證整體功能與生產(chǎn)效果，并記錄設(shè)備運(yùn)行情況。根據(jù)記錄的情況分析，設(shè)備運(yùn)行位置與設(shè)定位置吻合，視覺引導(dǎo)機(jī)器人正常，檢測(cè)功能正常，各類安全功能正常。

由于產(chǎn)品的工藝要求較高，設(shè)備能否精準(zhǔn)到位與點(diǎn)膠量是否準(zhǔn)確是生產(chǎn)優(yōu)良產(chǎn)品的必要條件，因此設(shè)備重復(fù)定位精度與點(diǎn)膠量的精度就顯得格外重要。通過(guò)千分表對(duì)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)精度指標(biāo)測(cè)試，點(diǎn)膠精度采用采用精度為0.1 mg電子秤進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，結(jié)果如表5 所示。通過(guò)生產(chǎn)試車與測(cè)量表明，設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)均高于產(chǎn)品生產(chǎn)需求，滿足生產(chǎn)產(chǎn)品工藝要求，整個(gè)控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

表5 設(shè)備測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從企業(yè)的實(shí)際需求出發(fā)，針對(duì)激光雷達(dá)組裝的核心工藝，有效提高了組裝環(huán)節(jié)的點(diǎn)膠、芯片組裝、螺絲鎖付及品質(zhì)檢測(cè)的穩(wěn)定性，同時(shí)減少企業(yè)的人員投入和勞動(dòng)強(qiáng)度，真正做到了降本增效。

經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，該設(shè)備通過(guò)C＃開發(fā)的上位機(jī)軟件取代傳統(tǒng)工業(yè)觸摸屏作為指揮中樞，靈活性和集成度高，把對(duì)位操作、機(jī)器人通信、視覺系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳等功能融入上位機(jī)，極大簡(jiǎn)化了調(diào)試流程；SCARA機(jī)器人和點(diǎn)膠機(jī)器人負(fù)責(zé)上下料、組裝和點(diǎn)膠，提高了精度和效率，完全滿足生產(chǎn)節(jié)拍與工藝要求；設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需人員值守，操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，為激光雷達(dá)的大規(guī)模量產(chǎn)提供了設(shè)計(jì)思路和參考方向。