基于視覺的機(jī)床上下料系統(tǒng)設(shè)計

萬松峰，楊曉鑫，申偉鵬

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 東莞 523808）

0 引言

制造業(yè)朝著信息化、自動化、智能化、高端化、細(xì)分化方向發(fā)展，產(chǎn)品“樣多量少”且“變化快”，對于制造業(yè)企業(yè)形成了很大的挑戰(zhàn)。目前，我國的工業(yè)發(fā)展規(guī)劃，美國的“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，德國的“工業(yè)4.0”，歐盟的“IMS 2020計劃”以及日本的“智能制造系統(tǒng)國際合作”等[1-4]，全球性的制造業(yè)振興戰(zhàn)略計劃正積極推動著第四次工業(yè)革命的蓬勃發(fā)展[5]。

數(shù)控機(jī)床仍然是先進(jìn)制造技術(shù)的載體和基本生產(chǎn)手段，國內(nèi)很多數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)線仍通過傳統(tǒng)的人工方式進(jìn)行上下料。工業(yè)機(jī)器人的一個重要應(yīng)用是工件搬運(yùn)，而大多數(shù)通過預(yù)先示教的方式實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行預(yù)定的指令動作。工業(yè)機(jī)器人需要根據(jù)實(shí)際任務(wù)變化進(jìn)行編程，需要根據(jù)不同的作業(yè)任務(wù)更換機(jī)器人手部夾爪，這一需求可利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)[6-8]。本文基于視覺利用工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的自動上下料，實(shí)現(xiàn)無人化小批量多品種柔性制造，代替人力從事重復(fù)性勞動，提高生產(chǎn)效率。

1 總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

本文以為數(shù)控機(jī)床上下直徑為10 mm高為5 mm的“圓柱形”工件為例，通過視覺引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，完成對目標(biāo)物的抓取[9-10]。系統(tǒng)以工業(yè)機(jī)器人為主，應(yīng)用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的視覺引導(dǎo)抓取工件，對數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動上下料。數(shù)控機(jī)床自動上下料系統(tǒng)組成圖見圖1，主要包括上料裝置、下料裝置、視覺裝置和工業(yè)機(jī)器人等。上料裝置和下料裝置分別放置兩側(cè)，中間是視覺引導(dǎo)工位，工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床之間通過軌道實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的前后運(yùn)動。

圖1 數(shù)控機(jī)床上下料系統(tǒng)組成圖Fig.1 CNC machine tool loading and unloading system composition diagram

數(shù)控機(jī)床上下料系統(tǒng)效果圖見圖2，設(shè)備開始運(yùn)行時，工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行到物料抓取處，上料裝置將物料托盤推送至視覺引導(dǎo)處，通過視覺定位引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人抓取物料，工業(yè)機(jī)器人從物料盤取出待加工的工件后通過軌道移動至數(shù)控機(jī)床處，數(shù)控機(jī)床通過傳感器感應(yīng)打開門，工業(yè)機(jī)器人取出加工完成的工件后把待加工的工件放入數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人在通過軌道運(yùn)行到工件取放處，將工件放入下料托盤，下料托盤裝滿后自動入庫，實(shí)現(xiàn)無人自動化上下物料。

圖2 數(shù)控機(jī)床上下料系統(tǒng)效果圖Fig.2 CNC machine tool loading and unloading system renderings

1.2 硬件部分

系統(tǒng)的硬件具體由工業(yè)機(jī)器人、視覺引導(dǎo)模塊、PLC控制模塊、抓取模塊、上料模塊和下料裝模塊等組成，硬件組成框圖見圖3。工業(yè)相機(jī)模塊作為服務(wù)器，工業(yè)機(jī)器人作為客戶端，建立SOCKET 通信，將工件坐標(biāo)信息通過SOCKET發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人通過652板卡的IO口與PLC通信；PLC根據(jù)工業(yè)機(jī)人指令完成物料抓取和上下。

工業(yè)機(jī)器人選用ABB全新的緊湊型設(shè)計IRB2600型工業(yè)機(jī)器人，最高荷重可達(dá)20 kg，在物料搬運(yùn)、上下料以及弧焊應(yīng)用中的工作范圍得到最優(yōu)化。IRB 2600具有同類產(chǎn)品中最高的精確度及加速度，可確保高產(chǎn)量及低廢品率從而提高生產(chǎn)率，自帶以太網(wǎng)接口和652板卡方便與現(xiàn)有工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)柔性自動化解決方案。

圖3 數(shù)控機(jī)床上下料系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.3 CNC machine tool loading and unloading system hardware block diagram

視覺引導(dǎo)模塊由工業(yè)相機(jī)、鏡頭、控制器和光源組成。相機(jī)選用歐姆龍F(tuán)Z-SC彩色30W CCD攝像元件，鏡頭VST公司的VS-0620VM鏡頭，控制器選用歐姆龍F(tuán)H-L550控制器。FH-L550控制器的外部接口包含Ethernet接口、串行通信接口、EtherNet/IP接口、PROFINET接口、USB 接口和并行I/F接口等，支持多種通信方式，方便與外部設(shè)備通訊。

1.3 軟件部分

軟件主要包括工業(yè)機(jī)器人控制模塊、視覺引導(dǎo)模塊和PLC控制模塊組成。PLC控制模塊主要是通過IO口接收機(jī)器人控制命令，控制機(jī)器人第七軸運(yùn)動、料盤移動、物料抓取及放置等。

工業(yè)機(jī)器人控制軟件流程圖見圖4，工業(yè)機(jī)器人初始化完成后，發(fā)送指令給工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像獲取和圖像處理，將工件位置信息發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)位置信息實(shí)現(xiàn)物料抓取，抓取物料后發(fā)送命令給PLC，PLC控制機(jī)器人第七軸運(yùn)動到指定位置后，機(jī)器人將物料放入機(jī)床夾具。

圖4 工業(yè)機(jī)器人控制軟件流程圖Fig.4 Industrial robot control software flow chart

視覺引導(dǎo)軟件流程圖見圖5，相機(jī)初始化完成后，等待獲取圖像指令，接收到拍照指令后工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像獲取、圖像處理、模板匹配[11-12]和目標(biāo)姿態(tài)計算等，將獲得的目標(biāo)工件在圖像中的位姿信息轉(zhuǎn)化成目標(biāo)工件相對于機(jī)器人基坐標(biāo)的位姿信息[13]。得到工件相對于工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)位置后，為了保證工件位置的準(zhǔn)確性，重復(fù)以上處理5次，去掉最大值和最小值，中間三次取平均值。將處理過的位置信息的工件位置信息發(fā)送給機(jī)器人。

圖5 視覺引導(dǎo)軟件流程圖Fig.5 Visual guidance software flow chart

2 視覺引導(dǎo)

本文運(yùn)用FH視覺控制器實(shí)現(xiàn)了基于物體特征的識別和坐標(biāo)確定[14-16]。要實(shí)現(xiàn)通過視覺實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人對數(shù)控機(jī)床上下料系統(tǒng)的引導(dǎo)，把工業(yè)相機(jī)和工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一，把工業(yè)相機(jī)像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為工業(yè)機(jī)器人的空間坐標(biāo)，將位姿坐標(biāo)通過SOCKET傳遞給機(jī)器人從而引導(dǎo)機(jī)器人完成對目標(biāo)工件的抓取。

校準(zhǔn)是把相機(jī)的像素坐標(biāo)和機(jī)器人的坐標(biāo)聯(lián)系起來，讓相機(jī)拍攝的圖像能反應(yīng)出機(jī)械手的實(shí)際位置。因工業(yè)相機(jī)固定工業(yè)機(jī)器人移動，相機(jī)選擇XY 平臺。歐姆龍視覺編程屬于流程圖式，設(shè)定簡單。歐姆龍視覺校準(zhǔn)流程圖如圖6所示。進(jìn)入圖像輸入查看實(shí)際圖片，根據(jù)圖片效果調(diào)整鏡頭上的光圈和焦距、圖像輸入中的快門速度、增益等?！靶螤钏阉鱅II”主要通過將圖像圖案設(shè)置為模型，然后從輸入圖像中找出與模型最相似的部分。“平臺數(shù)據(jù)”用于設(shè)定和保存相機(jī)控制器上連接的平臺相關(guān)的數(shù)據(jù)。“圖像控制校準(zhǔn)”針對相機(jī)坐標(biāo)系和控制機(jī)器坐標(biāo)系校準(zhǔn)的處理項(xiàng)目。校準(zhǔn)所需的控制機(jī)器的軸移動量將全部都自動計算。

圖6 校準(zhǔn)流程圖Fig.6 Calibration flow chartf

通過工業(yè)相機(jī)將圖像采集后再通過圖像對位算出偏移位置和角度，傳送給工業(yè)機(jī)器人，進(jìn)行位置糾正。對位流程圖見圖7。“校準(zhǔn)值參照”使用參照的數(shù)據(jù)，對本處理項(xiàng)目之后的測量結(jié)果執(zhí)行坐標(biāo)變換處理、失真補(bǔ)償處理?！疤幚韱卧獔D形設(shè)定”根據(jù)測量結(jié)果變更測量區(qū)域?！皥A形掃描邊緣位置”利用測量區(qū)域內(nèi)的顏色變化對圓形測量對象的位置進(jìn)行檢測。

圖7 對位流程圖Fig.7 Contraposition flow chart

3 結(jié)論

本文基于視覺的機(jī)床上下料系統(tǒng)的研究將單目視覺引導(dǎo)進(jìn)行路徑規(guī)劃用于工業(yè)機(jī)器人自動抓取物料，通過圖像獲取、圖像處理、模板匹配和目標(biāo)姿態(tài)計算等，將獲得的目標(biāo)工件在圖像中的位姿信息轉(zhuǎn)化成目標(biāo)工件相對于機(jī)器人基坐標(biāo)的位姿信息，機(jī)器人可以準(zhǔn)確地對目標(biāo)工件進(jìn)行識別和定位。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠達(dá)到準(zhǔn)確抓取目標(biāo)工件實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床自動上下料的目的，對實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工實(shí)現(xiàn)自動化、信息化、智能化的生產(chǎn)具有重要意義，有利于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量降低成本增加利潤。