基于視覺引導(dǎo)的自動貼標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃皇

（廈門精合電氣自動化有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的重要現(xiàn)代制造業(yè)自動化裝備，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，得到工業(yè)界的廣泛應(yīng)用[6]。自工業(yè)機(jī)器人誕生以來，其應(yīng)用和種類不斷得到擴(kuò)展，其中裝配機(jī)器人在工業(yè)制造領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，主要用于電器、汽車、電子等產(chǎn)品及其組件的裝配任務(wù)[5]。隨著自動化的快速發(fā)展，越來越多的人工被設(shè)備代替，尤其是人工裝配正逐漸被機(jī)器人裝配所取代。然而如何做到靈活識別并精準(zhǔn)裝配已成為一個制約因素，因?yàn)檫@需要給機(jī)器人裝上一雙“眼睛”，讓它可以看見。工業(yè)視覺應(yīng)運(yùn)而生就成為這雙“眼睛”，視覺檢測等相關(guān)視覺算法讓這雙“眼睛”更加精準(zhǔn)，更加高效，更加智能。隨著視覺算法的不斷優(yōu)化與發(fā)展，視覺引導(dǎo)與機(jī)器人的動作結(jié)合則是針對這個制約因素而設(shè)計(jì)出的解決方案。

某電子產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中需要對其進(jìn)行兩次貼標(biāo)，其標(biāo)簽為橢圓形，長度為27 mm，中間最寬的寬度為6 mm, 需要貼標(biāo)的位置也為長方形，長度為50 mm，寬度為6.6 mm。生產(chǎn)工藝要求標(biāo)簽從貼標(biāo)位置頂部往下0.5 mm處開始貼標(biāo)且以標(biāo)簽最寬位置為中心左右各留0.3 mm間隙，貼標(biāo)精度要求達(dá)到0.05 mm。目前該產(chǎn)品的生產(chǎn)過程為人工貼標(biāo)，但是人工貼標(biāo)的效率低且精度差，不同作業(yè)員的貼標(biāo)質(zhì)量也不相同，甚至同一個作業(yè)員在不同時間段的貼標(biāo)質(zhì)量也不相同，貼標(biāo)質(zhì)量無法把控，從而導(dǎo)致產(chǎn)品受到客戶的質(zhì)量投訴。因此該廠家找到我公司希望可以設(shè)計(jì)一條自動生產(chǎn)線，以實(shí)現(xiàn)自動高精度貼標(biāo)并在貼標(biāo)后檢測是否合格，可以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的實(shí)時精準(zhǔn)把控，若有連續(xù)不良則報警提示。該自動線需滿足產(chǎn)品的所有生產(chǎn)工藝要求，且生產(chǎn)節(jié)拍要控制在16 s以內(nèi)。

1 自動貼標(biāo)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 確定自動生產(chǎn)線的功能需求

該產(chǎn)品的整個生產(chǎn)流程包括：入料，貼標(biāo)，折彎，手工上下料，激光焊接，焊接后檢測，出料?；谠摦a(chǎn)品的生產(chǎn)流程及該廠的生產(chǎn)車間場地限制，自動生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)采用倍速鏈+工裝+轉(zhuǎn)盤的模式，轉(zhuǎn)盤共6個工位。

工位一：入料/出料即為倍速鏈與轉(zhuǎn)盤接口（PLC通過掃碼器讀取并記錄工裝條碼）。

工位二：貼標(biāo)（自動貼標(biāo)系統(tǒng)）。

工位三：折彎。

工位四：手工上下料（若貼標(biāo)合格則放入焊接配件，若貼標(biāo)不良則拿掉產(chǎn)品）。

工位五：激光焊接。

工位六：焊接質(zhì)量檢測。

倍速鏈分上下層：產(chǎn)品收料及空工裝回流（收料時PLC通過掃碼器讀取工裝條碼，并通過條碼查詢該工裝上的產(chǎn)品是否合格，再通過指示燈顯示該產(chǎn)品狀態(tài)）。

1.2 確定自動貼標(biāo)系統(tǒng)的功能需求

通過對現(xiàn)場產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行考察，自動線設(shè)計(jì)方案的難點(diǎn)主要在于自動貼標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)。自動貼標(biāo)的流程包括：標(biāo)簽送料（標(biāo)簽為一整卷），抓住標(biāo)簽，剝離標(biāo)簽（標(biāo)簽背面有膠，粘在標(biāo)簽料帶上），貼標(biāo)簽，檢測?；谶@個貼標(biāo)流程，自動貼標(biāo)系統(tǒng)需設(shè)計(jì)一個標(biāo)簽送料機(jī)，通過PLC控制步進(jìn)電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動送料，而其它動作則需要機(jī)器人（愛普生機(jī)器人，精度為0.02 mm）來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)現(xiàn)場產(chǎn)品工藝對貼標(biāo)功能的需要來分析，自動貼標(biāo)系統(tǒng)的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)高精度的貼標(biāo)，而影響貼標(biāo)精度的主要因素有3個。

1.2.1 標(biāo)簽來料

標(biāo)簽來料是一整卷，每個標(biāo)簽都是間隔粘在料帶上面（每個間隔不一致且標(biāo)簽會有角度傾斜），需采用標(biāo)簽送料機(jī)構(gòu)送料。因原本標(biāo)簽來料位置偏差，再加上標(biāo)簽送料機(jī)構(gòu)步進(jìn)電動機(jī)及檢測標(biāo)簽有無的精度，導(dǎo)致每個標(biāo)簽到位時位置和角度都不一致。

1.2.2 標(biāo)簽剝離

因標(biāo)簽又薄又輕且粘在料帶上面，機(jī)器人抓取標(biāo)簽時只能采用真空吸嘴，而且在吸住標(biāo)簽后需通過標(biāo)簽送料機(jī)對標(biāo)簽進(jìn)行剝離，所以在標(biāo)簽剝離后，標(biāo)簽相對于剝離前真空吸嘴吸住的位置可能會有一定程度的偏移或旋轉(zhuǎn)。

1.2.3 貼標(biāo)位置

因貼標(biāo)的產(chǎn)品是人工放在工裝內(nèi)，而工裝是采用倍速鏈傳送方式，因此當(dāng)工裝到達(dá)貼標(biāo)工位時，每個產(chǎn)品的貼標(biāo)位置不會一模一樣，會有一點(diǎn)點(diǎn)偏差（這個偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于貼標(biāo)精度要求范圍）。

1.3 確定自動貼標(biāo)系統(tǒng)方案

由于上面所說的3個影響貼標(biāo)精度的因素為隨機(jī)性，無規(guī)則，無法直接使用機(jī)器人按照固定位置去實(shí)現(xiàn)貼標(biāo)動作，需要在機(jī)器人動作之前先知道具體位置，然后機(jī)器人運(yùn)動到此位置再進(jìn)行相關(guān)動作。因此解決貼標(biāo)精度問題的關(guān)鍵在于如何獲取相關(guān)位置精準(zhǔn)坐標(biāo)信息，此時工業(yè)視覺就成為最好的選擇。而視覺方案配置的高低則關(guān)系到精度的高低，因?yàn)闃?biāo)簽最寬為6 mm，長為27 mm，標(biāo)簽的角度傾斜范圍為正負(fù)5°，而貼標(biāo)簽的位置為6.6 mm×50 mm（從頂部0.5 mm處貼標(biāo)起始位置），所以檢測視野只需要7 mm×6 mm就可以達(dá)到準(zhǔn)確識別并貼標(biāo)的要求。若選用500萬像素的相機(jī)，其分辨率為2432×2050，以7 mm×6 mm的視野來說，其單個像素的精度為0.003 mm，考慮到鏡頭失真（失真就是捕獲圖像的中央?yún)^(qū)域和邊緣區(qū)域之間的變化率。由于鏡頭的像差，在捕獲圖像的邊緣位置上更容易看到失真，失真分為兩種：桶形失真和枕形失真。一般而言，失真值的絕對值越小，鏡頭提供的精確度就越高[4]），機(jī)械安裝位置垂直度偏差，為了滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用10個像素即0.03 mm來表示視覺精度。此精度遠(yuǎn)高于客戶貼標(biāo)精度要求的0.05 mm，因此以機(jī)器人+工業(yè)視覺（500萬像素）來設(shè)計(jì)基于視覺引導(dǎo)的自動貼標(biāo)系統(tǒng)可以達(dá)到客戶的工藝精度要求。

1.4 確定自動貼標(biāo)系統(tǒng)方案的視覺配置

整個自動貼標(biāo)過程需要用到4次視覺檢測。

第一次：抓標(biāo)簽前視覺檢測（檢測標(biāo)簽具體位置并獲取坐標(biāo)信息）。

第二次：抓標(biāo)簽后視覺檢測（檢測標(biāo)簽剝離后位置偏差并獲取信息）。

第三次：貼標(biāo)簽前視覺檢測（檢測貼標(biāo)簽具體位置并獲取坐標(biāo)信號）。

第四次：貼標(biāo)簽后視覺檢測（檢測標(biāo)簽是否貼好）。

根據(jù)這4次視覺檢測內(nèi)容，選用基恩士的XG-X系列視覺控制器配500萬像素相機(jī)（最多可控制4個相機(jī)），需要用到2個相機(jī)。1號相機(jī)負(fù)責(zé)第一次、第三次、第四次共3次檢測，相機(jī)需安裝在機(jī)器人上面并配白色環(huán)形光源（相機(jī)從上往下拍）。2號相機(jī)負(fù)責(zé)第二次檢測，相機(jī)需安裝在大板上面并配白色環(huán)形光源（相機(jī)從下往上拍）。具體安裝方案如圖3所示。

因?yàn)闄C(jī)器人的動作是要由視覺引導(dǎo)來完成，也就是需要視覺定位，如圖1[1]所示，該貼標(biāo)方案是以機(jī)器人為平臺,視覺控制器需要以機(jī)器人坐標(biāo)按照9點(diǎn)標(biāo)定法進(jìn)行校正，如圖2[1]所示，這樣視覺檢測時所獲取的坐標(biāo)位置就跟機(jī)器人是在同一個坐標(biāo)系中。

圖1 視覺定位的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 視覺平臺校正[1]

1.5 控制系統(tǒng)動作流程

倍速鏈分上下層，上層為工裝送料，下層為空工裝回流，轉(zhuǎn)盤上6個工位對應(yīng)產(chǎn)品的相關(guān)生產(chǎn)工藝?？刂葡到y(tǒng)以觸摸屏為人機(jī)操作界面，PLC為主控，控制倍速鏈及轉(zhuǎn)盤（當(dāng)轉(zhuǎn)盤的所有工位動作都執(zhí)行完成則控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一個工位，轉(zhuǎn)盤從工位一流出一個完成的產(chǎn)品，同時流入一個新產(chǎn)品），并通過EtherNet IP通信控制視覺控制器、機(jī)器人及掃碼器，其中機(jī)器人只執(zhí)行動作不做任何邏輯判斷，貼標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。其貼標(biāo)動作流程可分為11個步驟。

圖3 方案的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

第一步：PLC控制步進(jìn)電動機(jī)通過標(biāo)簽送料機(jī)送標(biāo)簽到位。

第二步：PLC控制機(jī)器人運(yùn)動到抓標(biāo)簽前固定檢測位置。

第三步：當(dāng)?shù)谝徊胶偷诙蕉纪瓿蓵r，PLC控制視覺控制器觸發(fā)1號相機(jī)檢測標(biāo)簽位置，獲取標(biāo)簽坐標(biāo)并傳送給機(jī)器人。

第四步：PLC控制機(jī)器人按照標(biāo)簽坐標(biāo)運(yùn)動到位并吸取標(biāo)簽，再配合剝離機(jī)構(gòu)動作把標(biāo)簽剝離完成。

第五步：PLC控制機(jī)器人運(yùn)動到抓標(biāo)簽后固定檢測位置。

第六步：PLC控制視覺控制器觸發(fā)2號相機(jī)檢測標(biāo)簽偏移量。

第七步：PLC控制機(jī)器人運(yùn)動到貼標(biāo)簽前固定檢測位置。

第八步：當(dāng)前工位有產(chǎn)品時，PLC控制視覺控制器觸發(fā)1號相機(jī)檢測貼標(biāo)位置并和第六步檢測結(jié)果偏移量結(jié)合算出貼標(biāo)坐標(biāo)，當(dāng)前工位若無產(chǎn)品則等待下一個產(chǎn)品到來。

第九步：PLC 控制機(jī)器人按照貼標(biāo)坐標(biāo)運(yùn)動到位并貼標(biāo)。

第十步：PLC 控制機(jī)器人運(yùn)動到貼標(biāo)簽后固定檢測位置。

第十一步：PLC控制視覺控制器觸發(fā)1號相機(jī)檢測貼標(biāo)是否合格并獲取結(jié)果，然后結(jié)束當(dāng)前貼標(biāo)流程并重新開始進(jìn)入第一步，依此循環(huán)。

2 系統(tǒng)硬件配置

控制系統(tǒng)需要用到EtherNet IP通信，通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接PLC、觸摸屏、機(jī)器人、掃碼器、上位機(jī)、視覺控制器及焊接機(jī)。

1）PLC選用松下AFP7CPS31E（帶網(wǎng)口通信）并配上5個輸入輸出單元AFP7XY64D2T及1個位置控制單元AFP7PP04T（控制標(biāo)簽送料機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電動機(jī)）。

2）觸摸屏選用屏通的PT2150及PT2070共兩個觸摸屏，方便員工在不同方位操作。

3）機(jī)器人選用Epson的GX8-A552S/RC700-D，通過EtherNet IP通信。

4）掃碼器選用基恩士的SR-710+N-L20，通過TCP/IP通信。

5）上位機(jī)選用西門子工控機(jī)。

6）視覺控制器選用Keyence的XG-X2000系列，通過EtherNet IP通信。

7）焊接機(jī)選用通快Trupulse 21，通過EtherNet IP通信。

8）以太網(wǎng)交換機(jī)選用三旺的IES6116。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1）PLC通過以太網(wǎng)交換機(jī)以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接焊接機(jī)、工控機(jī)、視覺控制器、機(jī)器人，其星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的示意圖如圖4所示。

圖4 PLC的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

2）PLC的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置通過相對應(yīng)的eds文件及圖5[3]所示流程來設(shè)置。設(shè)置完成后如圖6所示，其中共用5個相關(guān)設(shè)置分別為焊接機(jī)、上一臺聯(lián)機(jī)機(jī)臺、視覺控制器1、視覺控制器2、愛普生機(jī)器人。

圖5 PLC的EtherNet IP設(shè)置流程[3]

圖6 PLC的EtherNet IP通信設(shè)置

3）PLC與視覺控制器的連接如圖7[2]所示流程，PLC則按此流程編寫相關(guān)程序控制并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)給機(jī)器人，其PLC與視覺控制器的交互程序如圖8所示。

圖7 視覺控制器EtherNet IP指令處理流程[2]

圖8 PLC與視覺控制器交互程序

4）愛普生機(jī)器人通過控制器的EtherNet IP板卡與PLC進(jìn)行通信，PLC為主控，機(jī)器人為從控來執(zhí)行動作，其PLC與機(jī)器人的交互程序如圖9所示。

圖9 PLC與機(jī)器人交互程序

4 結(jié)語

針對該企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)要求，我公司基于松下FP7系列PLC成功研發(fā)出自動生產(chǎn)線設(shè)備，其自動貼標(biāo)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)高精度自動貼標(biāo)（滿足客戶貼標(biāo)精度要求的0.05 mm），受到客戶的一致認(rèn)可。該設(shè)備不僅滿足客戶產(chǎn)品的所有生產(chǎn)工藝要求且實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）以PLC為主控，通過EtherNet IP 控制焊接機(jī)、視覺控制器機(jī)器人、實(shí)現(xiàn)線路簡單化，避免繁瑣的I/O接線且通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2）配備2個觸摸屏在設(shè)備不同方位方便員工操作及查看，觸摸屏界面有產(chǎn)品型號選擇、單動調(diào)試（如氣缸調(diào)試、電動機(jī)調(diào)試、儀器調(diào)試等）、聯(lián)動調(diào)試（如轉(zhuǎn)盤的6個工位動作都可以單獨(dú)調(diào)試）、參數(shù)設(shè)置（如貼標(biāo)參數(shù)、折彎參數(shù)等），功能屏蔽、各種狀態(tài)及報警信息提示（如缺料提示、視覺控制器異常提示、焊接機(jī)未開機(jī)提示、連續(xù)不良報警提示等）、OEE相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等界面，人機(jī)界面友好，操作方便簡單直觀，提升設(shè)備的可視化及智能化。

3）使用視覺定位模式來引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行貼標(biāo)不僅滿足客戶高精度自動貼標(biāo)要求且操作上更加靈活簡便。在不更改PLC及機(jī)器人程序的情況下，只需增加新標(biāo)簽的視覺檢測程序就可以兼容多種產(chǎn)品貼標(biāo)，而且可以通過觸摸屏的產(chǎn)品型號選擇快速自動切換程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化、柔性化生產(chǎn)。

4）倍速鏈工裝入轉(zhuǎn)盤前，先對工裝條碼檢測并查詢到前臺設(shè)備該產(chǎn)品是否合格，若產(chǎn)品為合格則進(jìn)入轉(zhuǎn)盤并進(jìn)行相關(guān)動作，若產(chǎn)品為不合格則不進(jìn)入轉(zhuǎn)盤，直接到倍速鏈下料處進(jìn)行處理。而通過掃碼器對工裝及產(chǎn)品的條碼檢測并與該產(chǎn)品的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，且在上位機(jī)按照入料順序先后進(jìn)行保存，方便客戶對不同批次產(chǎn)品的不良數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為設(shè)備的數(shù)據(jù)化管理提供依據(jù)。

5）設(shè)備在通過現(xiàn)場試生產(chǎn)驗(yàn)證后已經(jīng)達(dá)到工藝要求且生產(chǎn)節(jié)拍穩(wěn)定在14 s左右（滿足客戶的節(jié)拍要求16 s內(nèi)），目前已經(jīng)在穩(wěn)定的生產(chǎn)中。此自動貼標(biāo)系統(tǒng)為后續(xù)基于視覺引導(dǎo)的相關(guān)方案設(shè)計(jì)提供可靠理論依據(jù)及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。