基于FANUC iRVision的視覺定位與工件識別應(yīng)用研究

摘 要：對FANUC iRVision視覺系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)線工件分揀任務(wù)中的實際應(yīng)用進(jìn)行研究，詳細(xì)闡述iRVision系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成及其與機器人控制器的集成方式。深入說明工業(yè)相機的安裝、調(diào)試及標(biāo)定流程，并著重分析二維補正功能的主要工作原理。為了直觀展現(xiàn)iRVision系統(tǒng)的應(yīng)用效能，通過結(jié)合具體編程實例，深入剖析機器人與iRVision視覺系統(tǒng)在工件分揀過程中的協(xié)同作業(yè)流程，為FANUC iRVision在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論與實踐參考。

關(guān)鍵詞：FANUC iRVision 二維補正 工件分揀 視覺處理程序

在當(dāng)今智能制造快速發(fā)展的背景下，機器視覺技術(shù)已成為提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量的關(guān)鍵因素。機器視覺技術(shù)綜合了光學(xué)、機電一體化、圖像處理、人工智能等方面的技術(shù)，其性能并不僅僅取決于某一個部件的性能，需要綜合考慮系統(tǒng)中各部件間的協(xié)同能力[1]。目前國內(nèi)廠家使用的視覺系統(tǒng)主要為第三方視覺產(chǎn)品，依賴于計算機運行提供視覺算法運算能力，有著硬件改造多成本投入大技術(shù)門檻高等缺點[2]。徐博凡等人[3]搭建的抓取系統(tǒng)使用單目相機采集圖像，上位機軟件處理出工件圖像特征，并將特征信息轉(zhuǎn)換為定位結(jié)果經(jīng)機器人通信模塊發(fā)送給機器人進(jìn)而通過視覺引導(dǎo)實現(xiàn)柔性抓取。

FANUC機器人集成內(nèi)置視覺系統(tǒng)具有硬件連接簡單、無系統(tǒng)集成需要；無需掌握高級語言的要求，減少了物理通信數(shù)據(jù)開發(fā)，穩(wěn)定性更高；內(nèi)置視覺系統(tǒng)圖形匹配工具功能豐富，機器人程序可以直接使用視覺處理數(shù)據(jù)，編程方便；減少了對IT技術(shù)人員的依賴，降低了企業(yè)運行成本[4]。

文章從FANUC機器人iRVision視覺系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)線中工件分揀的應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹其視覺系統(tǒng)的組成及連接、工業(yè)相機的安裝調(diào)試及標(biāo)定、二維補正的工作流程、機器人工件分揀程序。

1 系統(tǒng)組成

1.1 軟硬件構(gòu)成

系統(tǒng)硬件構(gòu)成包括FANUC M-10iA機器人本體，R-30iB Mate控制柜，配備集成照明裝置的2D工業(yè)相機及其支架，吸盤式末端執(zhí)行器，傳送帶及其控制裝置等組件，如圖1所示。系統(tǒng)軟件層面，F(xiàn)ANUC機器人系統(tǒng)集成了其先進(jìn)的iRVision視覺系統(tǒng)。iRVision視覺系統(tǒng)不僅作為軟件組件無縫融入FANUC機器人的控制體系中，而且提供了強大的圖像處理和識別功能，使得機器人能夠執(zhí)行準(zhǔn)確定位、物體識別等復(fù)雜的視覺引導(dǎo)任務(wù)。

1.2 iRVision視覺系統(tǒng)的連接

在iRVision視覺系統(tǒng)中，各組件間的連接高度集成且簡潔，工業(yè)相機通過專用的相機電纜直接連接到機器人控制裝置主板的JRL7接口，無需依賴任何額外的第三方軟硬件設(shè)備。

2 工業(yè)相機的安裝調(diào)試

2.1 固定相機

根據(jù)工件的大小尺寸和配置選擇固定相機，將其穩(wěn)固安裝于支架或其他支撐結(jié)構(gòu)上對工件進(jìn)行檢測。此相機配置確保從恒定距離對準(zhǔn)同一區(qū)域進(jìn)行觀測。這種設(shè)置的優(yōu)勢在于，它能與機器人進(jìn)行其它作業(yè)時并行執(zhí)行視覺測量任務(wù)，從而有效縮減整體作業(yè)周期。為確保相機穩(wěn)定性，所選支架須具備足夠的強度，即便在輕微震動環(huán)境下也能保持穩(wěn)固，避免晃動。

2.2 相機的視野尺寸

相機的視野尺寸根據(jù)工件大小和配置決定，其視野尺寸與相機在支架的固定高度有必然的關(guān)聯(lián)。工件的最長或最寬尺寸以及工件傳送帶的寬度成為其參考的重要指標(biāo)。

視野尺寸主要由以下三個關(guān)鍵要素共同決定：成像元件的尺寸、鏡頭的焦點距離、從相機到被攝工件的距離，如圖2所示。這些要素之間的相互作用關(guān)系構(gòu)成了視野尺寸計算的基礎(chǔ)。成像元件尺寸（Lc）是視野尺寸計算中的一個重要參數(shù)，其值可以通過以下公式求得：

Lc=單元格尺寸×圖像尺寸（像素數(shù)）

式中：單元格尺寸指的是成像元件上每個像素所對應(yīng)的物理尺寸，μm；圖像尺寸則是以像素數(shù)表示的圖像分辨率，px。

在確定了成像元件尺寸后，視野尺寸L的計算公式如下：

L=（D-f）÷f×Lc

式中，D為從相機到工件的距離，mm；f為鏡頭的焦點距離，mm；Lc為成像元件尺寸，mm。

視野尺寸的計算結(jié)果為概算值。由于鏡頭種類的差異，計算值與實測值之間會產(chǎn)生誤差。為了獲得準(zhǔn)確的視野尺寸，必須通過實際測量進(jìn)行驗證和確認(rèn)。

2.3 相機的標(biāo)定

固定相機的標(biāo)定方法是點陣板標(biāo)定。相機標(biāo)定用的點陣板夾具通常使用比視野尺寸大一圈的夾具，就可以確保精度地一直標(biāo)定到視野的邊端為止。依據(jù)計算和實測驗證的相機視野尺寸選擇有11×11個圓點的FANUC標(biāo)準(zhǔn)品點陣板夾具，如圖3所示。檢測時無需檢出全部點陣板夾具的黑色圓點，而只要檢出其中的7×7個圓點且必須檢出較大的4個圓點，就可以確保精度地進(jìn)行標(biāo)定。

2.4 工業(yè)相機的連接與設(shè)置

iRVision視覺系統(tǒng)的示教與試驗，以及工業(yè)相機標(biāo)定的調(diào)試，可通過兩種途徑進(jìn)入其操作界面。一種方式是通過機器人的示教器直接訪問界面；另一種方式則是利用以太網(wǎng)電纜，將機器人控制裝置與預(yù)先裝有“視覺UIF控制”軟件的示教電腦相連，隨后在瀏覽器中鍵入機器人控制裝置的IP地址以進(jìn)入界面。在采取一對一連接方式且未接入其他網(wǎng)絡(luò)的情況下，機器人控制裝置與電腦所設(shè)定的IP地址參見表1。

3 iRVision視覺系統(tǒng)在工件分揀的應(yīng)用

3.1 二維補正的工作流程

根據(jù)系統(tǒng)工件分揀的配置和任務(wù)需求，采用了單目視覺2D機器視覺技術(shù)，對傳送帶上相機視野區(qū)域內(nèi)的工件進(jìn)行識別與檢測，并據(jù)此執(zhí)行后續(xù)的工作任務(wù)。在FANUC機器人的iRVision視覺系統(tǒng)中選擇1臺相機的2維補正功能，僅對比示教時工件位置的平行位移（X，Y）以及旋轉(zhuǎn)移動角度（R），忽略了其他維度的變化。關(guān)于iRVision視覺系統(tǒng)中1臺相機2維補正的詳細(xì)工作流程[5]，如圖4所示。

3.2 iRVision視覺檢測的工作流程

iRVision視覺檢測的工作流程主要有初始化和坐標(biāo)系設(shè)置、視覺定位檢測、處理視覺偏移和旋轉(zhuǎn)角度判斷、執(zhí)行拾取任務(wù)、移動工件到指定位置、釋放工件并返回、調(diào)用后續(xù)程序或處理異常情況。iRVision視覺檢測的工作流程[6]，如圖5所示。

3.3 FANUC機器人工件分揀程序解析

在該系統(tǒng)中的核心功能是對傳送帶上持續(xù)輸送的三種不同類型工件實施視覺定位與識別。一旦工件被成功識別，系統(tǒng)立即啟動吸附抓取程序，將這些工件逐一準(zhǔn)確地搬運至預(yù)設(shè)的指定放置點，以便完成后續(xù)的工作任務(wù)。

該機器人程序旨在執(zhí)行基于視覺定位的工件拾取與放置任務(wù)，其工作流程如下：程序首先初始化并設(shè)置用戶與工具坐標(biāo)系，并調(diào)用視覺程序PART1啟動工業(yè)相機定位工件，獲取必要的偏移值。若視覺定位成功，機器人則依據(jù)此偏移值調(diào)整其運動軌跡，以準(zhǔn)確動作接近并吸附工件。隨后，機器人通過一系列預(yù)設(shè)路徑的移動，將工件運送至目標(biāo)位置，并在釋放工件后返回至起始點附近。在此過程中，程序還包含了針對工件旋轉(zhuǎn)角度的邏輯判斷，以確保吸附姿態(tài)的正確性。若視覺定位失敗，則觸發(fā)異常處理流程，調(diào)用視覺程序PART2、PART3繼續(xù)識別其它工件。

4 結(jié)語

綜上所述，通過深入剖析FANUC iRVision視覺系統(tǒng)在工件分揀領(lǐng)域的實際應(yīng)用案例，不僅掌握了其軟硬件構(gòu)成與高效集成方法，還詳細(xì)闡述了工業(yè)相機的安裝調(diào)試、標(biāo)定技術(shù)及2維補正功能的實施流程與技術(shù)要點。這不僅構(gòu)成了視覺系統(tǒng)準(zhǔn)確定位的基礎(chǔ)，還顯著提高了視覺檢測的準(zhǔn)確性，驗證了FANUC iRVision系統(tǒng)在提升分揀效率方面的顯著效果。為FANUC iRVision視覺系統(tǒng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了有力的理論依據(jù)與實踐驗證。

基金項目：柳州職業(yè)技術(shù)大學(xué)2024年校級科研一般課題《工業(yè)機器人機器視覺環(huán)境下自適應(yīng)光源亮度系統(tǒng)的研究》（編號：2024KB16）；2020年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目（項目編號：2020KY31007）。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱云，凌志剛，張雨強.機器視覺技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J].圖學(xué)學(xué)報，2020，41（06）：871-890.

[2]范堯. FANUC機器人iRvision-2D視覺系統(tǒng)在焊裝車間領(lǐng)域的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2021（03）：190-193.

[3]徐博凡，趙華東，薛文凱，等.基于視覺引導(dǎo)的FANUC機器人抓取系統(tǒng)研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2018（07）：111-114.

[4]曹錦江，高世平.基于FANUC機器人內(nèi)置視覺識別軟件應(yīng)用研究[J].機床與液壓，2023，51（09）：22-28.

[5] FANUC Robot series iRVision2維補正操作說明書[Z].上海發(fā)那科機器人有限公司，2014.

[6]黃朝輝.基于FANUC機器視覺的工件分揀應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（16）：189-192.