基于Cognex視覺(jué)的機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)控制

朱文龍，劉凌云，宋卓峰

（湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

對(duì)于小型工件，某生產(chǎn)圓盤(pán)類(lèi)連接軸的企業(yè)一直采用人工與專(zhuān)用托盤(pán)運(yùn)輸相結(jié)合的方式上下料，生產(chǎn)線更換產(chǎn)品型號(hào)時(shí)，產(chǎn)品托盤(pán)隨之更換，1 條生產(chǎn)線配有2 人完成產(chǎn)品的上料和下料。為減少人工成本、提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)線的柔性制造能力，在保留原有加工設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，采用輸送帶運(yùn)輸代替專(zhuān)用托盤(pán)運(yùn)輸、加入視覺(jué)系統(tǒng)定位的方式進(jìn)行改造。輸送帶運(yùn)輸擺脫專(zhuān)用托盤(pán)“一對(duì)一”和“專(zhuān)屬位置”的運(yùn)輸方式，減少操作員的工作量；視覺(jué)定位用于定位每個(gè)工件的中心位置，得到機(jī)器人的夾取位置。改造后的搬運(yùn)系統(tǒng)由PLC 模塊、視覺(jué)子系統(tǒng)和機(jī)器人子系統(tǒng)組成，可自動(dòng)為銑床和車(chē)床加工系統(tǒng)上下料。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)工作流程

以圖1a 所示的加工工件為例，通過(guò)氣爪外撐工件內(nèi)圓的方式實(shí)現(xiàn)工件的抓取。為提高產(chǎn)品生產(chǎn)的UPH，機(jī)器人末端執(zhí)行器由2個(gè)對(duì)稱的手爪構(gòu)成，1個(gè)用于抓取未加工的工件，1個(gè)用于抓取已加工的工件。搬運(yùn)系統(tǒng)的上下料流程如下：輸送帶運(yùn)送工件到預(yù)定區(qū)域→輸送帶停止→視覺(jué)定位工件坐標(biāo)→機(jī)器人夾取輸送帶上的工件去替換車(chē)床加工完的工件→機(jī)器人將被替換的工件放置在儲(chǔ)料區(qū)1中→機(jī)器人夾取儲(chǔ)料區(qū)1中的工件去替換銑床加工完的工件→機(jī)器人將被替換的工件放置在儲(chǔ)料區(qū)2中。為節(jié)省相機(jī)的拍照時(shí)間，相機(jī)對(duì)預(yù)定區(qū)域內(nèi)的工件只取1次圖像信息，完成預(yù)定區(qū)域內(nèi)所有工件的坐標(biāo)分析，圖2為系統(tǒng)的平面布局圖。

圖1 抓取結(jié)構(gòu)說(shuō)明示意圖

圖2 平面布局圖

1.2 系統(tǒng)通訊方式

搬運(yùn)系統(tǒng)通過(guò)Profibus 總線和Ethernet 通信將機(jī)器人系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)和PLC 模塊集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的高速傳遞；利用PLC模塊自有的I/O 通訊方式保證系統(tǒng)有序運(yùn)行。其中，視覺(jué)子系統(tǒng)通過(guò)Ethernet 方式與機(jī)器人子系統(tǒng)通訊；機(jī)器人子系統(tǒng)通過(guò)Profibus 總線與PLC 模塊通訊；PLC 模塊通過(guò)I/O 方式與視覺(jué)子系統(tǒng)、觸摸顯示屏、工件輸送裝置、車(chē)床和銑床進(jìn)行通訊，圖3 為系統(tǒng)的通訊拓?fù)鋱D。

圖3 通訊拓?fù)鋱D

系統(tǒng)中的PLC模塊、機(jī)器人子系統(tǒng)以及視覺(jué)子系統(tǒng)均可在單機(jī)或聯(lián)機(jī)模式下工作。在單機(jī)模式下，各子系統(tǒng)獨(dú)自運(yùn)行，用于完成各系統(tǒng)聯(lián)機(jī)前的調(diào)試工作；在聯(lián)機(jī)模式下，各子系統(tǒng)相互配合完成工件的生產(chǎn)。聯(lián)機(jī)時(shí)，PLC 模塊用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作，即根據(jù)工件加工情況給加工系統(tǒng)、機(jī)器人子系統(tǒng)以及視覺(jué)子系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的作業(yè)請(qǐng)求；機(jī)器人子系統(tǒng)根據(jù)所接受信息執(zhí)行相應(yīng)的輸送任務(wù)；視覺(jué)子系統(tǒng)用于分析工件的位置和姿態(tài)，并將分析結(jié)果傳遞給外界。圖4為系統(tǒng)的信息流通圖。

圖4 信息流通圖

2 PLC邏輯控制設(shè)計(jì)

圖5 PLC接口信號(hào)圖

搬運(yùn)系統(tǒng)采用西門(mén)子公司型號(hào)為CPU313-2DP 的PLC，通過(guò)PLC 自有的數(shù)字I/O 端口和Profibus 接口實(shí)現(xiàn)PLC 模塊與各子系統(tǒng)的信息交互［1］。圖5展示了PLC與機(jī)器人子系統(tǒng)、視覺(jué)子系統(tǒng)和加工系統(tǒng)等的通信接口。配置PLC模塊的Profibus接口時(shí)，由于Step7 提供的Profibus 協(xié)議與FANUC 公司使用的協(xié)議有一定區(qū)別，因此在step7 軟件中添加FANUC機(jī)器人專(zhuān)有的Profibus協(xié)議。

PLC 模塊在系統(tǒng)中起著保證整個(gè)系統(tǒng)有序工作的作用。觸發(fā)運(yùn)行后，PLC 依次按照輸送帶運(yùn)料、等待加工系統(tǒng)請(qǐng)求、采集工件圖像、機(jī)器人運(yùn)料的順序協(xié)調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。系統(tǒng)工作時(shí)，觸摸顯示屏展示系統(tǒng)運(yùn)行狀況。報(bào)警信號(hào)1 表示機(jī)器人出現(xiàn)故障，報(bào)警信號(hào)2表示加工系統(tǒng)出現(xiàn)故障，報(bào)警信號(hào)3表示圖像采集出現(xiàn)問(wèn)題。PLC 程序分為主控制程序、換料程序1 和換料程序2。主控制程序用于維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，如圖6a 所示；換料程序1 用于實(shí)現(xiàn)車(chē)床的上下料，如圖6b 所示；換料程序2 用于實(shí)現(xiàn)銑床的上下料。換料程序1 與換料程序2 的優(yōu)先級(jí)相同，一方程序執(zhí)行時(shí)，另一方程序等待。

圖6 PLC程序流程圖

3 Cognex視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 視覺(jué)數(shù)據(jù)的輸出設(shè)計(jì)

搬運(yùn)系統(tǒng)采用Cognex 公司的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)工件進(jìn)行視覺(jué)定位。視覺(jué)系統(tǒng)由PC 機(jī)和Micro 系列的相機(jī)組成。PC 機(jī)用來(lái)分析相機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)；Micro 相機(jī)除了采集圖像之外還要輸出PC 機(jī)的分析結(jié)果。Micro 相機(jī)的I/O 模塊包含PoE 端口和I/O 端口。I/O 端口用于觸發(fā)輸入和高速輸出；PoE端口為Micro相機(jī)提供電源支持并以Ethernet方式傳輸數(shù)據(jù)。

視覺(jué)子系統(tǒng)分析出工件坐標(biāo)位置和姿態(tài)后，通過(guò)Ethernet 方式傳遞給機(jī)器人子系統(tǒng)視覺(jué)數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)精度和傳輸方便，視覺(jué)數(shù)據(jù)被擴(kuò)大10倍表示并以十六進(jìn)制的方式傳輸，機(jī)器人子系統(tǒng)接收后將其縮小10倍。由于十六進(jìn)制數(shù)據(jù)不能表示出數(shù)值的正負(fù)情況，因此角度數(shù)據(jù)是以角度值和角度符號(hào)的形式分2次輸出。數(shù)據(jù)輸出時(shí)，視覺(jué)數(shù)據(jù)按照x軸坐標(biāo)、y軸坐標(biāo)、角度值、角度符號(hào)的順序依次被輸出，同時(shí)機(jī)器人子系統(tǒng)將視覺(jué)數(shù)據(jù)以十進(jìn)制方式存儲(chǔ)在相應(yīng)的組變量中。

3.2 手眼標(biāo)定過(guò)程

手眼標(biāo)定要確立視覺(jué)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系［2,3］，最終將視覺(jué)坐標(biāo)偏移量轉(zhuǎn)換為機(jī)器人坐標(biāo)偏移量。手眼標(biāo)定前進(jìn)行視覺(jué)標(biāo)定操作，從而確立相機(jī)像素點(diǎn)與視場(chǎng)邊界尺寸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系［4-5］。

為了方便視覺(jué)標(biāo)定，標(biāo)定板設(shè)計(jì)為黑白正方形交替排列，其中正方形邊長(zhǎng)為2 cm，組成的標(biāo)定板為50 cm×80 cm。由于PC 機(jī)與相機(jī)通過(guò)Ethernet方式實(shí)現(xiàn)快速通信，因此在操作In-Sight Explorer視覺(jué)軟件前，需要將PC機(jī)IP與相機(jī)IP設(shè)定在同一網(wǎng)段上。視覺(jué)標(biāo)定分為3步：1）在視覺(jué)軟件中設(shè)定相機(jī)的曝光時(shí)間、采集行數(shù)、觸發(fā)方式等參數(shù)，保證相機(jī)采集到清晰的圖像；2）借助標(biāo)定板，在視覺(jué)軟件上從X軸和Y軸2個(gè)方向去換算像素點(diǎn)與視場(chǎng)邊界尺寸的關(guān)系；3）在視覺(jué)軟件上建立工件的圖案模板，用于找到視覺(jué)坐標(biāo)系下的工件坐標(biāo)，視覺(jué)軟件操作界面如圖7所示。

圖7 In-Sight Explorer視覺(jué)軟件操作界面

手眼標(biāo)定過(guò)程分為4步：1）在視覺(jué)軟件中設(shè)定數(shù)據(jù)的輸出對(duì)象為FANUC 公司的機(jī)器人，選定傳輸方式為Ethernet；2）調(diào)整機(jī)器人的用戶坐標(biāo)系，將X軸、Y軸方向設(shè)為與視覺(jué)坐標(biāo)系一致；3）確定機(jī)器人抓取工件的基準(zhǔn)點(diǎn)，記錄工件的視覺(jué)坐標(biāo)（x，y）；4）將當(dāng)前工件的視覺(jué)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)點(diǎn)的視覺(jué)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出機(jī)器人的偏移距離和角度。標(biāo)定完成后，機(jī)器人根據(jù)坐標(biāo)偏移量準(zhǔn)確抓取到目標(biāo)工件。

4 FANUC機(jī)器人抓取設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器人通信配置

搬運(yùn)系統(tǒng)采用FANUC 公司的M-710ic50機(jī)器人搬運(yùn)圓盤(pán)類(lèi)工件。系統(tǒng)聯(lián)機(jī)時(shí)，機(jī)器人通過(guò)Profibus 方式和Ethernet 方式分別與PLC 模塊和視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行通信。通信前，使用示教器配置機(jī)器人的通信接口。對(duì)于Profibus 通信方式，從機(jī)器人的從站地址、I/O 容量和I/O 分配3 個(gè)方面進(jìn)行設(shè)定；配置I/O 時(shí)，需要依據(jù)信號(hào)的類(lèi)型完成機(jī)架、插槽以及起始信號(hào)點(diǎn)的設(shè)置。配置Ethernet通信時(shí)，從機(jī)器人的IP 地址、以太網(wǎng)列表、掃描器設(shè)備和I/O 地址4個(gè)方面進(jìn)行設(shè)置。

4.2 視覺(jué)引導(dǎo)方案

視覺(jué)引導(dǎo)抓取目標(biāo)工件時(shí)，機(jī)器人子系統(tǒng)采取先移動(dòng)位置差再校正角度的方式抓取工件。位置差由當(dāng)前的工件位置與模板位置相減而得，校正角度是由視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)比圖案模板后得出。機(jī)器人根據(jù)視覺(jué)數(shù)據(jù)抓取工件時(shí)的程序流程如圖8所示。

圖8 視覺(jué)引導(dǎo)的程序流程圖

視覺(jué)引導(dǎo)程序如下所示：

計(jì)算出的位置差存儲(chǔ)在位置寄存器里，利用offset 偏置指令傳遞到原有軌跡上，從而更改機(jī)器人的軌跡。

5 結(jié)語(yǔ)

利用Profibus 通信方式和Ethernet 通信方式，將S7-300 PLC 模塊、Cognex 視覺(jué)系統(tǒng)和FANUC 機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)集成在一起，設(shè)計(jì)了圓盤(pán)類(lèi)工件搬運(yùn)的機(jī)器人系統(tǒng)。目前機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)在企業(yè)安裝調(diào)試完畢，運(yùn)行效果良好，產(chǎn)品UPH 從600 提高到900，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。每條生產(chǎn)線的操作員縮減至1人，減少了企業(yè)的人工成本。系統(tǒng)將視覺(jué)技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的靈活性、安全性和自動(dòng)化程度。