基于機(jī)器人視覺的激光落料線堆垛系統(tǒng)研究

冷志斌，王尚斌，趙 飛

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）

0 引言

隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展以及國產(chǎn)大飛機(jī)適航量產(chǎn)步伐的加快，高強(qiáng)鋼、鋁合金以及鋁基復(fù)合材料得到大量應(yīng)用。傳統(tǒng)壓力機(jī)落料線加工面臨的模具成本高、壓力機(jī)噸位不足、生產(chǎn)周期長、柔性差等不足越來越嚴(yán)重，激光落料系統(tǒng)的無模具工藝，有效地解決了模具磨損過快、使用成本高的巨大痛點(diǎn)，替代傳統(tǒng)壓力機(jī)落料線趨勢非常強(qiáng)[1]，其組成包括上料開卷、校平定尺、激光切割、分揀堆垛和智能控制等五個功能模塊。分揀堆垛作為落料線的核心模塊，目前常用的堆垛系統(tǒng)為機(jī)器人堆垛系統(tǒng)和電磁堆垛系統(tǒng)，電磁堆垛通過電磁鐵產(chǎn)生磁力（或真空氣體產(chǎn)生吸力）并透過同步帶作用于需要輸送的鋼板（鋁板）上，使鋼板吸附在皮帶下表面并跟隨皮帶一起運(yùn)動。當(dāng)鋼板（鋁板）運(yùn)動到需要堆垛的位置時，主傳動伺服電機(jī)停止，電磁鐵同時失磁（真空消失），鋼板（鋁板）下落到料倉，前、中、后三對擋料臂通過氣缸打料，使鋼板堆垛整齊。此方式的優(yōu)點(diǎn)是效率高，適應(yīng)性好，能夠同時使用2～4 個工位堆垛兩種不同形狀的異型鋼板，占用空間大，成本高。機(jī)器人堆垛系統(tǒng)通過機(jī)器人與輸送皮帶同步抓取板料，配合相機(jī)識別系統(tǒng)進(jìn)行整齊堆垛，相對電磁堆垛系統(tǒng)占用空間小、成本低，可根據(jù)落料線效率柔性旋轉(zhuǎn)機(jī)器人數(shù)量及機(jī)器人配合工作方式[2-4]。本文主要就機(jī)器人堆垛系統(tǒng)展開分析研究。

1 機(jī)器人堆垛系統(tǒng)組成及工作原理

機(jī)器人視覺識別堆垛系統(tǒng)組成主要包括機(jī)器人、線陣相機(jī)、面陣相機(jī)、編碼器。結(jié)合如圖1 所示機(jī)器人視覺識別系統(tǒng)示意圖，建立世界坐標(biāo)系，標(biāo)定機(jī)器人坐標(biāo)系、線陣相機(jī)坐標(biāo)系、輸送皮帶坐標(biāo)系、面陣相機(jī)坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，板料經(jīng)激光切割頭切割后，成品與廢料一同由切割皮帶輸送至堆垛皮帶，線陣相機(jī)首先通過輪廓識別成品與廢料，并判定成品形心位置，PLC 控制系統(tǒng)對板料的機(jī)器人抓取進(jìn)行分配，結(jié)合編碼器給出各個板料的機(jī)器人同步抓取位置，板料搬運(yùn)過程中經(jīng)過面陣相機(jī)進(jìn)行局部輪廓識別，對比CAD 圖紙，計算出板材形心及位姿，將其作為控制機(jī)器人運(yùn)動的數(shù)據(jù)，發(fā)送機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確堆垛。

圖1 機(jī)器人視覺識別系統(tǒng)示意圖

2 飛行定位圖像采集裝置設(shè)計

機(jī)器人視覺系統(tǒng)包括線陣相機(jī)視覺系統(tǒng)和面陣相機(jī)視覺系統(tǒng)兩部分，線陣相機(jī)視覺系統(tǒng)用于區(qū)分成品與廢料，并獲取成品工件形心位置，線陣相機(jī)只要保證足夠的分辨率即可，在此不再贅述，著重對面陣相機(jī)視覺系統(tǒng)進(jìn)行說明。

面陣相機(jī)主要用于矯正抓取板料與首張板料間位姿關(guān)系，硬件組成包上位控制計算機(jī)、機(jī)器人、機(jī)器人伺服控制器、智能攝像機(jī)、堆垛臺和成品工件。攝像機(jī)固定安裝在堆垛輸送皮帶和堆垛臺車中間位置頂部支架上，構(gòu)成Eye-to-Hand 位置給定型機(jī)器人視覺控制系統(tǒng)，機(jī)器利用視覺采集到的板料位姿作為機(jī)器人位置控制的給定。其視覺控制框圖如圖2所示。

圖2 機(jī)器人視覺控制流程圖

面陣相機(jī)裝置于輸送皮帶與堆垛臺車中間位置，機(jī)器人搬運(yùn)板料經(jīng)過面陣相機(jī)下方時采集圖像，若采用靜止拍照圖像采集方式，機(jī)器人搬運(yùn)過程中，在相機(jī)下方要停頓一下，機(jī)器人頻繁加減速，且速度難以達(dá)到最大值，搬運(yùn)效率低。采用飛行圖像采集方式，機(jī)器人搬運(yùn)板料經(jīng)過相機(jī)下端不減速，能夠大大提升搬運(yùn)效率，但也存在一定問題，每次圖像采集的機(jī)器人端拾器位姿并不固定，且由于PLC 的延時效應(yīng)，很難準(zhǔn)確獲得拍照瞬間機(jī)器人端拾器位姿，后續(xù)的板料位姿識別計算困難。

本文設(shè)計一種新型飛行定位圖像采集裝置，引入mark 點(diǎn)概念，組成包括：紅外mark 光定位模組、紅外背光定位模組、面陣相機(jī)、機(jī)器人末端端拾器、板材產(chǎn)品。mark 點(diǎn)放置在端拾器上方，對mark 點(diǎn)與端拾器間進(jìn)行標(biāo)定，明確mark 點(diǎn)和端拾器中心的位置關(guān)系，當(dāng)相機(jī)拍照拍攝到mark 點(diǎn)的時候，可以計算出機(jī)器人末端帶著端拾器中心所在的位置，在板材的對角通過紅外背光模組時，背光光照下板材的輪廓并映射到面陣相機(jī)中成像，可以通過輪廓識別對比CAD 圖紙，計算出板材形心的位置。在背光模組成像時，相機(jī)端會有一個微弱光照明高反光的mark 點(diǎn)，并與板材輪廓成像在同一張圖像中，從而計算出板材的旋轉(zhuǎn)與偏移量。具體示意圖如圖（3）所示。

3 工件位姿調(diào)整方法

機(jī)器人和攝像機(jī)具有各自固定的坐標(biāo)系，要得到工件重心在機(jī)器人坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，首先需對機(jī)器人進(jìn)行手眼關(guān)系的標(biāo)定，手眼關(guān)系的標(biāo)定是指機(jī)器人坐標(biāo)系（世界坐標(biāo)系）與攝像機(jī)坐標(biāo)系之間位系的標(biāo)定，標(biāo)定后相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系完全平行[5-7]。

圖3 飛行定位圖像采集示意圖

可以通過輪廓識別對比CAD 圖紙，可以找出板料在相機(jī)坐標(biāo)系中的形心及位姿，定義首張板料在相機(jī)坐標(biāo)系中的形心坐標(biāo)及位姿為（x1，y1，θ1），第i張堆垛板料在相機(jī)坐標(biāo)系中的形心坐標(biāo)及位姿為（xi，yi，θi），首張板料旋轉(zhuǎn)θ1角度后到指定位置放下，堆垛板料相對首張板料位置移動量可表示如式（1）所示。

4 總結(jié)

論文設(shè)計了一套飛行定位圖像采集裝置，引入mark 點(diǎn)概念，mark 點(diǎn)與板材輪廓成像在同一張圖像中，方便計算板材的旋轉(zhuǎn)與偏移量，解決了由于PLC 延時效應(yīng)難以獲取相機(jī)拍照瞬間的機(jī)器人位姿不足問題。給出了整齊堆垛機(jī)器人位移調(diào)整計算方法。論文的機(jī)器人視覺識別堆垛系統(tǒng)目前已應(yīng)用于公司新研發(fā)的智能化多頭聯(lián)動高速激光落料系統(tǒng)上，經(jīng)1000mm×1000mm 規(guī)則板料測試，堆垛精度在±3mm 以內(nèi)，完全滿足鈑金毛坯件的堆垛精度要求。