基于視覺技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人焊牌流程全自動控制的探討

楊 軍，章霞剛

（江西新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西 新余 338000）

利用機(jī)器人技術(shù)，可使生產(chǎn)自動化水平得到提高；融合工業(yè)機(jī)器人和視覺技術(shù)，可有效感知外部環(huán)境信息，使機(jī)器人的自適應(yīng)性提高。在實(shí)際生產(chǎn)中，利用人工焊牌方式為產(chǎn)品貼標(biāo)簽時(shí)，若無法提高工作規(guī)范性，焊接工作質(zhì)量將得不到保障，很容易使標(biāo)牌脫落，從而導(dǎo)致產(chǎn)品形象受到影響，此外，還會影響到焊接順序、增加人力成本、降低整體工作效率，無法滿足實(shí)際工作需求。因此，將基于視覺技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人焊牌流程全自動控制模式應(yīng)用于貼標(biāo)簽過程，利用機(jī)器人自動化識別焊牌位置，有序地進(jìn)行產(chǎn)品標(biāo)牌焊接，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工作方式的不足，提高了整體工作效率。

1 焊牌機(jī)器人系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)包括機(jī)器人、輔助焊牌裝置及PLC控制系統(tǒng)等組成部分，主要應(yīng)用設(shè)備包括焊牌機(jī)器人及自動打印機(jī)等。因需要在鋼捆兩端焊牌，因此在每臺成品運(yùn)輸鏈中的焊牌工位中均設(shè)有焊牌機(jī)器人系統(tǒng)，由PLC系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，既可落實(shí)同步焊牌，也可實(shí)現(xiàn)單端獨(dú)立焊牌。此外，因不同產(chǎn)品的長度規(guī)格具有差異性，還需要在可移動平臺上安裝一端焊牌機(jī)器人系統(tǒng)，以作為移動端。利用伺服電機(jī)驅(qū)動，可實(shí)現(xiàn)移動平臺的精確定位、提升圖像定位和焊牌動作的可靠性[1]。

2 全自動包裝分揀生產(chǎn)線及工藝流程

2.1 生產(chǎn)線硬件系統(tǒng)

2.1.1 立體倉庫和碼垛機(jī)

立體倉庫用來存儲產(chǎn)品，通過判斷產(chǎn)品電子標(biāo)簽和條形碼，可以確定產(chǎn)品的位置；碼垛機(jī)可在立體倉庫中快速存取產(chǎn)品，主要利用變頻技術(shù)來控制X軸、Y軸及Z軸。在X軸方向設(shè)置渦輪減速裝置，可以發(fā)揮出自鎖性；在X軸和Z軸設(shè)置驅(qū)動電動機(jī)，并安裝剎車裝置，如果突遇斷電問題，可及時(shí)停止機(jī)器運(yùn)行；在X軸和Y軸中安裝防撞裝置。

2.1.2 焊接工作站

機(jī)器人焊接工作站主要包括焊絲桶和工業(yè)機(jī)器人，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作站中所選用的機(jī)器人是一款一體化弧焊機(jī)器人，其可高效焊接狹小部位，在窄小的空間中，焊槍也可自由伸入，機(jī)器人承重可達(dá)10 kg以上，同時(shí)還綜合了防撞功能和爆斷報(bào)警功能等，具有較高的操作安全系數(shù)和定位精確性，并能提高整體的焊接精度和焊縫質(zhì)量[2]。

圖1 焊接工作站的結(jié)構(gòu)

2.1.3 AGV運(yùn)料小車

隨著工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展應(yīng)用，機(jī)器人也開始應(yīng)用于自動化貼牌工作中，逐漸提高了生產(chǎn)和裝配工作的自動化，同時(shí)在物流傳送過程中也開始利用自動引導(dǎo)機(jī)。AGV運(yùn)送小車負(fù)責(zé)向運(yùn)輸線上輸送需要貼牌的產(chǎn)品，每次小車運(yùn)輸10個(gè)產(chǎn)品。AGV運(yùn)送小車主要包括上部運(yùn)輸裝置和下部車架兩部分，上部裝置利用皮帶來帶動小車的轉(zhuǎn)動過程，下部車架部分主要包括電動機(jī)和驅(qū)動輪等設(shè)備，電動機(jī)帶動驅(qū)動輪運(yùn)行，促使小車在磁條導(dǎo)向的方向上運(yùn)行。

2.1.4 視覺系統(tǒng)

在輸送線中安裝視覺系統(tǒng)，到達(dá)視覺檢測工位后，機(jī)器視覺系統(tǒng)可以識別出輸送線上待貼牌的產(chǎn)品，并且向工業(yè)機(jī)器人傳輸焊縫位置和焊點(diǎn)信息，并利用弧焊機(jī)器人完成產(chǎn)品抓取和焊接等動作。視覺識別系統(tǒng)中包括工業(yè)相機(jī)和光源控制器等設(shè)備。在實(shí)際工作中采用背光方式，如果產(chǎn)品符合拍照條件，光源控制器會在輸入端接收相關(guān)信號后，由相機(jī)落實(shí)拍照工作，隨后光源控制器輸出相關(guān)信號，再有序落實(shí)后續(xù)操作[3]。

2.1.5 產(chǎn)品輸送線

產(chǎn)品輸送線負(fù)責(zé)輸送待貼牌的產(chǎn)品，通過視覺系統(tǒng)的有效配合，可自動傳輸待貼牌的產(chǎn)品，同時(shí)還可自動檢測待貼牌產(chǎn)品的焊縫和焊點(diǎn)，并可利用異步電動機(jī)變頻控制輸送線的運(yùn)行過程，具有較高的自動化水平。

2.1.6 變位機(jī)

變位機(jī)主要包括變位機(jī)頭座、變位機(jī)尾座、夾具等部分，在實(shí)際工作中，利用雙工位單軸變位機(jī)、回轉(zhuǎn)變位機(jī)以及交流伺服電機(jī)，加之機(jī)器人的有效配合，可完成任意角度的變位操作工作，其不僅能提高驅(qū)動精確度，還能根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整工作速度。此外，利用優(yōu)質(zhì)鋼材焊接變位機(jī)的各個(gè)結(jié)構(gòu)件，并對其進(jìn)行退火處理，可使整體結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度大大提高。

2.2 自動焊牌工藝流程

在自動控制系統(tǒng)的通信過程中，利用碼垛機(jī)機(jī)器人在倉庫中取出待貼牌的產(chǎn)品，并且將產(chǎn)品放置于AGV小車，通過小車向產(chǎn)品輸送線中輸送產(chǎn)品，利用視覺系統(tǒng)采集產(chǎn)品焊縫和焊點(diǎn)等信息，并向主控PLC中傳輸這些信息，主控PLC分析處理相關(guān)信息之后，發(fā)送具體的工作命令，機(jī)器人接收到工作命令后開始抓取標(biāo)牌，從而實(shí)現(xiàn)自動化焊牌工作。

3 基于視覺技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人焊牌流程全自動控制的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 攝像機(jī)標(biāo)定

視覺系統(tǒng)在利用CCD攝像機(jī)之前，需要先標(biāo)定攝像機(jī)，攝像機(jī)選擇以太網(wǎng)工業(yè)相機(jī)，為了提高計(jì)算工作的便利性，設(shè)置像素為1 mm。攝像機(jī)標(biāo)定應(yīng)根據(jù)坐標(biāo)系關(guān)系來明確圖像空間點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置關(guān)系。標(biāo)定算法的模型為小孔成像，根據(jù)圖像點(diǎn)的關(guān)系，可獲取攝像機(jī)的各種參數(shù)。通過攝像機(jī)標(biāo)定，可以為自動焊牌系統(tǒng)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速定位及后續(xù)焊牌的高效識別[4]。

3.2 自動識別焊縫

利用視覺系統(tǒng)工業(yè)相機(jī)采集焊牌位置的圖像信息、利用灰度變換和二值化等方式，可明確焊縫特征值。確定焊縫實(shí)際位置后，對焊縫邊緣進(jìn)行檢測，以獲取準(zhǔn)確的邊緣數(shù)據(jù)，促使機(jī)器人準(zhǔn)確地抓取焊牌。此外，需嚴(yán)格控制焊牌中心和焊縫的偏差，并向工業(yè)機(jī)器人傳遞偏差值，利用控制算法落實(shí)自動跟蹤和焊接工作。

為了降低外界因素的影響，需要利用線性灰度來實(shí)現(xiàn)圖像信息的變換，從而使整體圖像的亮度提高。由于視覺系統(tǒng)在采集圖像的過程中受噪聲干擾比較大，為了精準(zhǔn)化識別，需要進(jìn)行濾波去噪工作，利用Prewitt算子檢測焊點(diǎn)的邊緣。

實(shí)施邊緣檢測處理后，需要獲取焊縫圖像特征，從而合理規(guī)劃工業(yè)機(jī)器人的焊接軌跡。按照由上到下的順序?qū)吘墮z測后的圖像進(jìn)行掃描，及時(shí)保存掃描的第一個(gè)黑點(diǎn)，以此作為上邊緣點(diǎn)；再按由下到上的順序掃描圖像，保存掃描的第一個(gè)黑點(diǎn)，以此作為下邊緣點(diǎn)。技術(shù)人員需要利用計(jì)算軟件來合理調(diào)整圖像間的匹配變量、幾何變換圖像點(diǎn)，最終確定匹配的區(qū)域位置，保證變化之后的特征點(diǎn)處于同一個(gè)坐標(biāo)，再通過GETDATA提取坐標(biāo)，從而明確具體的焊接目標(biāo)點(diǎn)。在提取和匹配圖像特征的過程中，需要平移、縮放、旋轉(zhuǎn)圖像，在圖像旋轉(zhuǎn)過程中，需要合理轉(zhuǎn)換圖像中的像素坐標(biāo)，并將像素坐標(biāo)和平移矩陣、縮放矩陣、旋轉(zhuǎn)矩陣依次相乘。

3.3 主控PLC和工業(yè)機(jī)器人通信

在實(shí)際工作中，弧焊機(jī)器人通過操作吸盤機(jī)械手來抓取標(biāo)牌；在自動控制系統(tǒng)中，利用自動化平臺使工業(yè)機(jī)器人和主控PLC進(jìn)行通信，通信采用特定通信協(xié)議進(jìn)行傳輸，PLC主動讀取數(shù)據(jù)后，向工業(yè)機(jī)器人發(fā)送焊縫信息和焊點(diǎn)信息，從而實(shí)現(xiàn)自動焊接標(biāo)牌。

4 圖像分析和定位系統(tǒng)

圖像分析和定位系統(tǒng)不僅可以識別未焊牌的產(chǎn)品，識別和定位該產(chǎn)品的端面，還可以檢測焊牌之后的產(chǎn)品。在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，圖像分析和定位系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，有利于提高焊牌的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)首先需要將采集的高清圖像進(jìn)行預(yù)處理，并采取圖像落實(shí)校準(zhǔn)和濾波等措施，落實(shí)邊緣檢測和特征提取等方式，從而準(zhǔn)確判斷出未焊牌的產(chǎn)品。圖像分析方法包括顆粒分析和模式匹配等，通過識別產(chǎn)品具體位置和外形信息，再根據(jù)獲取的信息對產(chǎn)品進(jìn)行分析，從而保證產(chǎn)品坐標(biāo)的準(zhǔn)確性[5]。

此外，根據(jù)產(chǎn)品外形特征和運(yùn)行規(guī)律，在外部運(yùn)輸條件中加入圖像分析算法，可避免因環(huán)境變化等外部因素影響到產(chǎn)品的識別效果，保障定位準(zhǔn)確率達(dá)到99%以上，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

利用圖像分析和定位監(jiān)控界面可以顯示圖像和系統(tǒng)狀態(tài)，同時(shí)可以反映出焊牌對應(yīng)的識別信息和定位信息，在圖像定位后可以顯示二維坐標(biāo)。在機(jī)器人夾具中安裝高精度激光測距傳感器，在焊牌工作之前，需要在坐標(biāo)中選擇三個(gè)點(diǎn)，以此完成測距工作，為焊牌工作奠定基礎(chǔ)，避免在實(shí)際工作中發(fā)生碰撞，使焊牌的適應(yīng)性得到提高。

5 焊牌信息跟蹤系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的工作模式下，在計(jì)量工作人員完成焊牌工作之后需要手動打印標(biāo)牌，再落實(shí)人工焊牌工作，整體工作效率比較低，同時(shí)具有較大的工作強(qiáng)度，且很容易發(fā)生錯(cuò)焊和漏焊等問題。為了提高整體工作的自動化水平，可利用焊牌系統(tǒng)跟蹤未焊牌的產(chǎn)品，自動落實(shí)焊牌流程；完成焊牌工作之后，需要向計(jì)量系統(tǒng)中發(fā)送焊標(biāo)牌的識別號，利用計(jì)量系統(tǒng)落實(shí)入庫處理。因此，實(shí)現(xiàn)計(jì)量工作的無人化，可使整體工作效率有所提高，同時(shí)可以保障焊牌準(zhǔn)確性。此外，系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)接口，可以無縫接入到全廠計(jì)量集中智能管理系統(tǒng)。

利用焊牌信息跟蹤系統(tǒng)界面可將產(chǎn)品跟蹤隊(duì)列中未焊牌產(chǎn)品的識別號和焊牌目標(biāo)位置等信息顯示出來，從而提高整體工作的便利性。

6 結(jié)語

隨著工業(yè)機(jī)器人和視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，其在工業(yè)制造中的應(yīng)用越來越廣泛。而基于視覺技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人焊牌流程全自動控制，可利用碼垛機(jī)器人在倉儲庫中取出待貼牌的產(chǎn)品，并將產(chǎn)品置于AGV小車中，再利用小車將產(chǎn)品送入運(yùn)輸流水線，最后向主控PLC中傳輸產(chǎn)品相關(guān)信息，并向工業(yè)機(jī)器人發(fā)送工作命令，最終實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的自動化貼牌和焊接，減少了整體人工工作量，提高了整體工作效率。