FlexiJet 柔性上料綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺研制

趙久強(qiáng)，馮毅萍，王凱軍，李一鳴，易 暢，解同辰

（浙江大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

柔性上料裝置在智能制造領(lǐng)域、自動化生產(chǎn)線上具有廣泛的應(yīng)用，采用抖動或旋轉(zhuǎn)的方式上料，運(yùn)用振動的方式調(diào)整位姿，配合外部的機(jī)器視覺系統(tǒng)和機(jī)器人，進(jìn)行物料識別、定位和姿態(tài)調(diào)整，最終完成物料抓取環(huán)節(jié)[1-3]。振動型上料機(jī)的工作方式是將物料引至平臺上，然后采用馬達(dá)或者電磁鐵驅(qū)動平臺振動，通過精心設(shè)計(jì)不同的振動模式使平臺上的物料移動和姿態(tài)調(diào)整，具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快等優(yōu)勢[2]。但振動型上料機(jī)的振動效應(yīng)對生產(chǎn)線的精密裝配、視覺成像都會造成影響，還會產(chǎn)生很大的噪聲；振動型上料機(jī)吞吐量較大，翻轉(zhuǎn)一次會造成多個(gè)物料的姿態(tài)變化，而機(jī)器人可能只需抓取一種特定的物料，這就存在效率不高的問題。另外，在高校實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，也難以買到針對智能工廠典型環(huán)節(jié)而研制的可獨(dú)立、可聯(lián)動、可綜合開展實(shí)驗(yàn)的高性價(jià)比桌面型上料教學(xué)平臺。

基于上述實(shí)際問題，并結(jié)合信息化和工業(yè)化的深度融合過程中出現(xiàn)的新技術(shù)、新理念和新模式以及新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)際需要[4-11]，研制了集FlexiJet柔性上料機(jī)、PLC 控制系統(tǒng)（上下位機(jī)）、機(jī)器視覺、機(jī)器人、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和運(yùn)動控制等為一體的FlexiJet 柔性上料綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程選料、柔性上料、視覺輔助、噴氣調(diào)節(jié)位姿、機(jī)器人取放等功能，使用靈活且較大程度地涵蓋智能制造領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，能夠形成以實(shí)際工程應(yīng)用為導(dǎo)向、“來源于工廠”并“服務(wù)于工廠”的綜合創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[12-14]。

1 平臺架構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

圖1 為平臺的架構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)圖。平臺采用菲尼克斯PLCnext Control AXC F 2152 作為總控制器，處理主邏輯流程。該款PLC 自帶兩個(gè)以太網(wǎng)接口，并配有I/O 模塊、RS232 通信模塊和工業(yè)交換機(jī)，保證了與機(jī)器人（Ethernet 連接）、工控機(jī)（Ethernet 連接）、FlexiJet 柔性上料機(jī)（RS232 通信）和部分I/O 控制的可靠通信；工業(yè)相機(jī)與工控機(jī)采用USB 方式連接，其中工控機(jī)平臺上安裝了支持系統(tǒng)運(yùn)行的軟件，例如視覺處理軟件OpenCV、視覺框架的C#開發(fā)平臺、PLC上下位機(jī)開發(fā)軟件和機(jī)器人程序開發(fā)調(diào)試軟件等[15-16]。機(jī)器人采用越疆公司的 Dobot M1，其額定負(fù)載為1.5 kg，重復(fù)定位精度為0.02 mm，運(yùn)動臂長均滿足要求，結(jié)合定制的氣動抓手，利用其通訊接口進(jìn)行二次開發(fā)，使其受控于PLC 控制系統(tǒng)并完成指定位置物料的抓取。

圖1 平臺架構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)圖

2 FlexiJet 柔性上料機(jī)

如圖2 所示，F(xiàn)lexiJet 柔性上料機(jī)（噴氣式柔性上料機(jī)）包括基座及安裝在基座上的傳動系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、噴氣系統(tǒng)，能夠接入并受控于外部控制系統(tǒng)（例如PLC）。傳動系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、雙側(cè)滾輪和均勻開設(shè)有噴氣通孔的柔性傳送帶（正面 520 mm×300 mm），用于承載和傳送物料；視覺系統(tǒng)位于柔性傳送帶上方，識別柔性傳送帶上的各零件的類型、位置和姿態(tài)；噴氣系統(tǒng)由主控制器（Arduino）、XY 導(dǎo)軌（含步進(jìn)電機(jī)及傳動皮帶）和噴氣氣嘴等組成，噴氣氣嘴固定在XY 導(dǎo)軌一軸末端，位于柔性傳送帶內(nèi)側(cè)并可移動位置，用于向選定噴氣通孔噴氣調(diào)整物料姿態(tài)，為保證安全，每條導(dǎo)軌兩側(cè)均配有限位開關(guān)；外部控制系統(tǒng)可根據(jù)物料的姿態(tài)選定需要翻轉(zhuǎn)的物料，控制噴氣系統(tǒng)將噴氣嘴移動到選定物料下方的選定噴氣通孔進(jìn)行噴氣，使選定物料翻轉(zhuǎn)。

確定當(dāng)前需要翻轉(zhuǎn)的物料的策略是：第一，優(yōu)先翻轉(zhuǎn)裝配訂單中即將要用到的物料；第二，優(yōu)先翻轉(zhuǎn)周圍障礙物少的物料。確定噴氣最佳位置的策略是：選擇需要翻轉(zhuǎn)物料的無障礙物一側(cè)邊緣為支軸，在物料水平投影所覆蓋的所有傳送帶噴氣通孔中，選取動力臂（噴氣通孔與翻轉(zhuǎn)支軸的距離）與阻力臂（物料重心與翻轉(zhuǎn)支軸的距離）比值最大的噴氣通孔。該上料機(jī)能夠靈活部署，采用噴氣方式矯正目標(biāo)物料姿態(tài)，與振動型上料機(jī)相比，噪聲更小并消除了振動，對高精度裝配生產(chǎn)線造成的干擾更小。

圖2 FlexiJet 柔性上料機(jī)結(jié)構(gòu)圖

因上料機(jī)的參數(shù)設(shè)置與物料直接相關(guān)，本次物料選取場景設(shè)定為：規(guī)定下游工位需要特定顏色（根據(jù)訂單3 選1）且必須正面向上的長方體物料，由機(jī)器人抓取到指定工位。為了方便實(shí)驗(yàn)，選取紅、藍(lán)、綠3 種顏色的樂高長方體積木（63 mm×32 mm×23 mm）為測試物料，見表1。

表1 測試物料選取列表

3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)及通信

整個(gè)系統(tǒng)采用PLC 處理主邏輯流程，其上位機(jī)和下位機(jī)采用菲尼克斯的PLCnext Engineer 編寫。為了能夠?qū)崿F(xiàn)單步運(yùn)行和功能測試，在上位機(jī)中增加了手動模式，見圖3；自動模式啟動后，控制系統(tǒng)會按照如圖4 所示的流程圖運(yùn)行，用戶能夠通過上位機(jī)界面（Web 端）選擇需要的物料顏色并下單到MySQL 數(shù)據(jù)庫，并能夠通過上位機(jī)界面監(jiān)控到訂單的特定信息。

圖3 上位機(jī)主界面

圖4 控制系統(tǒng)自動模式流程圖

3.1 PLC 與噴氣系統(tǒng)通信

PLC 控制系統(tǒng)與噴氣系統(tǒng)的主控制器建立RS232串口通信，通過收發(fā)字符串指令控制X、Y 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，在X、Y 機(jī)構(gòu)移動范圍內(nèi)，可以發(fā)送坐標(biāo)使噴頭移動到特定的通孔下面，最小步長為1 mm。

為了使傳送帶通孔的相對位置不變，傳動系統(tǒng)以通孔間距（轉(zhuǎn)動方向18 mm）的整數(shù)倍移動。噴氣噴頭與通孔中心點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)標(biāo)定，確保噴頭每次均能夠移動到選定通孔正下方進(jìn)行噴氣，噴氣通孔的選取按照節(jié)2 中翻轉(zhuǎn)物料的策略進(jìn)行。

3.2 圖像識別定位

在圖像識別之前，首先調(diào)整工業(yè)相機(jī)的高度，使得視野范圍大小合適且圖像的畸變較小；其次調(diào)整環(huán)境光線（可配合外部光源）和相機(jī)光圈，使得采集圖像清晰；最后完成相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系、氣動夾爪旋轉(zhuǎn)角度與物料旋轉(zhuǎn)角度、像素坐標(biāo)與傳送帶通孔中心坐標(biāo)（映射噴氣噴頭坐標(biāo)）的標(biāo)定。

圖像識別軟件采用visual studio 2015+OpenCV 開發(fā)，部署運(yùn)行在工控機(jī)上，測試界面見圖5，其與PLC控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接，采用C#編寫TCP/IP 協(xié)議的Socket 通信及視覺算法，通過16 進(jìn)制數(shù)組收發(fā)控制指令和坐標(biāo)信息，坐標(biāo)信息包含物料中心點(diǎn)坐標(biāo)和抓取旋轉(zhuǎn)角度。圖形處理主要包含預(yù)處理、基于感知哈希算法和Hough 圓變換的決策樹算法對零件正反進(jìn)行特征識別、使用極限腐蝕法進(jìn)行相鄰物料的判斷、使用Blob 檢測和圖像矩算法對零件進(jìn)行檢測（顏色，坐標(biāo)）等。

圖5 視覺軟件測試界面

3.3 PLC 與機(jī)器人通信

機(jī)器人配合定制的氣動抓手，主要完成物料的抓取和放置的任務(wù)。PLC 與機(jī)器人采用以太網(wǎng)連接，采用Python 編寫TCP/IP 協(xié)議的Socket 通信及腳本程序，并脫機(jī)運(yùn)行在機(jī)器人控制器中，能夠通過16 進(jìn)制數(shù)組接收PLC 發(fā)送的指令和坐標(biāo)，并按照既定的路徑由Home 位置移動到指定位置，機(jī)器人末端安裝有定制的氣動抓手，PLC 通過控制電磁閥的通斷控制其夾取和放置；完成操作后機(jī)器人重新回到Home 位置并反饋完成信號。

4 實(shí)驗(yàn)測試及課程應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物如圖6 所示，經(jīng)過噴氣壓力測試、光感環(huán)境預(yù)設(shè)、手眼標(biāo)定和安全抓取區(qū)域限位后，開啟控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，通過上位機(jī)界面隨機(jī)生成100個(gè)訂單進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)測試過程示例如圖7 所示，測試結(jié)果如下：

（1）系統(tǒng)能夠正常送料，并實(shí)現(xiàn)物料正反面識別，準(zhǔn)確率約為98%。

（2）若所需物料正好存在且正面向上，機(jī)器人能夠順利抓取放置，成功率約為95%。

（3）若所需物料存在但反面向上，F(xiàn)lexiJet 柔性上料機(jī)噴氣調(diào)整后抓取，成功率約為85%。

結(jié)合該實(shí)驗(yàn)平臺，可靈活開設(shè)單項(xiàng)、多項(xiàng)和綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，形成可獨(dú)立、可聯(lián)動、可綜合、由底層基礎(chǔ)到頂層創(chuàng)新、功能改進(jìn)的金字塔式教學(xué)體系。實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)用示例見表2。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物

圖7 實(shí)驗(yàn)測試過程示例

表2 實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)用示例表

5 結(jié)語

以實(shí)際工程應(yīng)用為導(dǎo)向，研制了集FlexiJet 柔性上料機(jī)、PLC 控制系統(tǒng)、機(jī)器視覺、機(jī)器人、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和運(yùn)動控制等為一體的綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程選料、柔性上料、視覺輔助、噴氣調(diào)節(jié)位姿、機(jī)器人取放等功能。平臺設(shè)計(jì)為桌面型裝置，且各個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，通信接口獨(dú)立開發(fā)，符合接口標(biāo)準(zhǔn)的新對象可以輕松擴(kuò)展，學(xué)生在該平臺上可以進(jìn)行單項(xiàng)、多項(xiàng)、綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果顯著。