機(jī)器人視覺伺服控制柔性上料工作站設(shè)計

宋 科，王 媛

(西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安 710077)

0 引言

隨著我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和自動化的高速發(fā)展，在越來越多的行業(yè)，工業(yè)機(jī)器人逐步替代人的工作[1-7]。隨著現(xiàn)代智能化技術(shù)與電子技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人代替人工完成工件或物料的上下料作業(yè)，在機(jī)床上下料、白車身焊接、家電組裝等應(yīng)用領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用[8-19]。以某大型通訊企業(yè)射頻模塊(RRU)包裝生產(chǎn)線為例，傳統(tǒng)人工包裝，從上料、掃描、封膜、入箱、封箱及秤重、碼垛、纏繞、稱重、下線全工序，需要用工數(shù)為34 人/班，單班包裝產(chǎn)量約600至700件。隨著用工成本及企業(yè)產(chǎn)量的增長，傳統(tǒng)人工上料已經(jīng)難以滿足企業(yè)生產(chǎn)需求。在RRU的自動化包裝生產(chǎn)線中，迫切需要利用機(jī)器人提高包裝的上下料安全與效率。采用機(jī)器人實現(xiàn)工件的抓取和搬運，關(guān)鍵技術(shù)包括工件的定位及如何兼容不同規(guī)格抓取夾具的設(shè)計。為此，視覺定位采用圖像分析獲取工件的三維坐標(biāo)，與機(jī)械定位裝置相比，不需要人工干預(yù)，由于取消專用定位工裝，作業(yè)場地布局更加緊湊。采用柔性機(jī)器人夾具，在不增加夾具數(shù)量和規(guī)格的前提下，兼容不同規(guī)格產(chǎn)品的抓取作業(yè)，降低工作站總成本，進(jìn)一步提高上料作業(yè)工序的效率。

1 生產(chǎn)線上料機(jī)器人單元工藝流程及特點

機(jī)器人自動上料工藝工序流程如圖1所示。

(1)工件按擺放要求擺放在托盤上，每層最多6個， 最多3層，最上面一層可以不排滿，下面的層數(shù)必須排滿；

(2)操作工按開門請求按鈕，機(jī)器人回到非干涉區(qū)；

(3)操作工將托盤傳送至拆垛位置，拆垛位置需要固定，底部托盤需要有定位銷定位，并安裝有到位傳感器，托盤到位后由整線傳送到位信號和該托盤的料片型號傳送給機(jī)器人，并由機(jī)器人傳送給視覺系統(tǒng)開始視覺處理；

(4)由拆垛側(cè)面相機(jī)檢測到工件的高度，從而確定出工件的z方向信息；由托盤頂部相機(jī)檢測到相應(yīng)工件水平位置，從而確定出工件的x、y方向和旋轉(zhuǎn)角度信息，并將該位置信息通過串口傳送給機(jī)器人控制器；

(5)當(dāng)所有的安全信號滿足時，機(jī)器人根據(jù)視覺控制系統(tǒng)傳送的工件位置信息對工件進(jìn)行抓取并放置到放料工位；

(6)機(jī)器人放置完畢并退出干涉區(qū)后，通知PLC，開始物料輸送。

圖1 機(jī)器人自動上料工藝流程

2 生產(chǎn)線上料機(jī)器人工作站總體方案設(shè)計

工位由一臺機(jī)器人對應(yīng)兩臺拆垛小車，上料機(jī)器人單元布局如圖2所示。當(dāng)機(jī)器人將一臺拆垛小車上工件全部放到傳送帶后，拆垛小車退出重新上料，機(jī)器人開始另一臺小車的抓取。

上料機(jī)器人單元結(jié)構(gòu)設(shè)計：

(1)設(shè)計專用轉(zhuǎn)運車，要求每車能運載18個模塊；設(shè)計專用托板放置，每車放置3層，每層6個；根據(jù)不同工件尺寸定制化設(shè)計托盤，起到固定放置位置的作用，方便機(jī)器人定點抓?。?/p>

(2)采用柯馬機(jī)器人搬運上線；設(shè)計專用夾具，夾具采用伺服電機(jī)(帶剎車)+齒輪、齒條驅(qū)動，2根導(dǎo)軌導(dǎo)向定位；帶2個微動開關(guān)檢測夾具夾緊到位，帶一個接近開關(guān)檢測伺服零點；帶4個吸盤用于吸取托盤，吸盤采用4個氣缸驅(qū)動；帶一套氣動二聯(lián)件，用于氣壓調(diào)壓和油水分離；

(3)上線暫存線，暫存線長2 m，高0.7 m，有效寬度760 mm；使用防靜電橡膠輥子傳動；驅(qū)動系統(tǒng)采用SEW電機(jī)+變頻器控制；輥子線驅(qū)動分為2段；使用2組光電開關(guān)判斷位置；

(4)掃描儀上設(shè)計多個掃描頭，以適應(yīng)不同產(chǎn)品需要；掃描數(shù)據(jù)須上傳控制系統(tǒng)；

(5)每段設(shè)置暫停按鈕，按暫停按鈕黃色聲光報警并暫停該段；設(shè)置急停按鈕，按急停按鈕紅色聲光報警并急停整個生產(chǎn)線；

(6)設(shè)置光幕報警系統(tǒng)；

(7)設(shè)置手動自動模式轉(zhuǎn)換。

圖2 上料機(jī)器人單元布局

3 機(jī)器人選型及電動柔性夾具設(shè)計

3.1 機(jī)器人選用

機(jī)器人型號為SMART NJ110-3.0，最大有效負(fù)載110 kg(端拾器+工件)，SMART5 NJ110-3.0參數(shù)及性能如表1所示。柯馬NM-45-2.0系列機(jī)器人采用高可靠性技術(shù)。為了滿足特殊應(yīng)用，機(jī)器人應(yīng)具備不同的加速度、負(fù)載能力和工作區(qū)域等特性，同時也應(yīng)滿足一些常規(guī)應(yīng)用的要求，諸如縮短操作周期、提高生產(chǎn)率和穩(wěn)定的生產(chǎn)質(zhì)量。

表1 SMART5 NJ110-3.0參數(shù)及性能

3.2 電動夾具設(shè)計

對于機(jī)器人上下料應(yīng)用場合，常用的機(jī)器人夾具設(shè)計采用吸取、抱夾、抱托或者幾種方式的組合。本例應(yīng)用中，綜合分析工件重量(約40 kg)、工件幾何形狀以及工件表面結(jié)構(gòu)等多種因素，為滿足不同規(guī)格產(chǎn)品采用一套柔性夾具，機(jī)器人的末端工具采用雙邊同步抱夾方式，機(jī)器人夾具示意圖如圖3所示，夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。上線夾具外型尺寸580 mm×450 mm×360 mm；上線夾具重量40 kg；選用富士伺服電機(jī)驅(qū)動，配兩個限位開關(guān)。對電機(jī)的控制要有力矩控制模式，能夠限制夾具的夾緊力，防止夾傷工件，同時預(yù)留氣路控制，只需要控制一個電磁閥的通斷，以檢測真空發(fā)生器是否吸取成功。

圖3 機(jī)器人夾具示意圖

圖4 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

4 機(jī)器人用視覺定位系統(tǒng)設(shè)計

4.1 視覺定位系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

(1)機(jī)械手承重60 kg，可達(dá)性>3.0 m，視覺定位<0.5 mm；

(2)視覺定位時間100 ms；識別精度±0.5 mm。

4.2 視覺定位系統(tǒng)組成

工位共兩套視覺系統(tǒng)，每個托盤小車上配置一套，工作站視覺系統(tǒng)組成如圖5所示。

步驟1：視覺硬件部分包含2部工業(yè)照相機(jī)及照明光源，分別固定安裝于小車上方和側(cè)面，并通過以太網(wǎng)與視覺處理器相連；

步驟2：視覺子系統(tǒng)拍照，視覺處理器根據(jù)零件號調(diào)出板料尺寸，識別并計算工件相對于支撐木板的x、y位置以及偏移角度，并利用側(cè)面相機(jī)測量z方向的高度，將測量結(jié)果通知機(jī)器人；

步驟3：機(jī)器人根據(jù)工件平面位置和當(dāng)前的高度z進(jìn)行準(zhǔn)確的抓取，并放置于生產(chǎn)線上；

步驟4：機(jī)器人返回待機(jī)位置，并通知視覺子系統(tǒng)進(jìn)行下一工件位置測量操作；

步驟5：重復(fù)步驟(1)至步驟(4)，直至小車上工件被抓取完畢。

圖5 工作站視覺系統(tǒng)組成

4.3 圖像處理工作原理

相機(jī)A拍攝到的圖像A為托板上全體零部件的側(cè)面，側(cè)面拍照處理及高度計算原理如圖6所示，側(cè)面相機(jī)距料跺側(cè)面的距離L為定值，這樣就可以根據(jù)圖像在z方向的比例關(guān)系計算出H值，結(jié)合零部件的類型和尺寸，即可計算出yz平面上的零部件的擺放個數(shù)和分布情況。

圖6 側(cè)面拍照處理及高度計算原理

相機(jī)B由零件頂部向下拍攝，為xy平面上的投影，平面拍照計算原理如圖7所示。根據(jù)圖像的邊界處理可以得到平面料片的個數(shù)及圖片位置；結(jié)合圖像A的處理結(jié)果，即已經(jīng)獲取z的信息，結(jié)合x,y的圖像坐標(biāo)，即可以得出P1,P2,P3,P4的空間坐標(biāo)P1(x,y,z),P2(x,y,z),P3(x,y,z),P4(x,y,z)。取平均值即可以進(jìn)一步計算出待抓取零件的幾何中心坐標(biāo)。再根據(jù)P1(x,y),P4(x,y)可以計算出零件的旋轉(zhuǎn)角度θ，從而將該料片的中心位置及旋轉(zhuǎn)角度發(fā)送給機(jī)器人進(jìn)行抓取。

圖7 平面拍照計算原理

4.4 通訊接口

COMAU機(jī)器人C5G控制柜帶有Profibus卡，卡上帶有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口。機(jī)器人控制柜與主PLC之間采用RPOFIBUS總線通訊。

5 機(jī)器人上料工作站控制系統(tǒng)設(shè)計

5.1 電氣控制系統(tǒng)

機(jī)器人上料工作站電氣控制系統(tǒng)如圖8所示。X10/60是一個多極連接器，可收集所有機(jī)器人位置控制信號(帶EnDat 2.2接口的編碼器)，用于多達(dá)6個軸的配置。X10/60安裝在連接器接口面板上，并連接到X1，通過C5G和機(jī)器人之間的連接電纜連接機(jī)器人基座。X30是一個多極連接器，用于收集與C5G控制單元之間的所有安全信號。X20接口上的數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊，可選數(shù)字或模擬輸入/輸出。C5G-PFM-PDPM(ProFibus模塊-ProFibus DP主控)選項可用控制單元內(nèi)的ProFibus DP主接口模塊。該模塊將安裝在C5G-PFG-BCO總線耦合器模塊中。相應(yīng)的連接器是C5G-PFP。C5G-ETHK選項提供以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)連接器在操作面板設(shè)備上，遠(yuǎn)程連接AMS-APC820的ETH2端口模塊，允許連接個人電腦進(jìn)行維護(hù)編程和診斷。

圖8 機(jī)器人上料工作站電氣控制系統(tǒng)

5.2 控制軟件設(shè)計

機(jī)器人上料動作流程如圖9所示。機(jī)器人開機(jī)啟動后處于等待上料的位置，該位置被定義為“工作原點”。機(jī)器人首先完成機(jī)器人自檢，并通過通訊接口，確認(rèn)生產(chǎn)線工作狀態(tài)以及產(chǎn)品型號、代號、批次以及數(shù)量等信息。當(dāng)物料轉(zhuǎn)運到上料工位后，由視覺系統(tǒng)處理，獲取待抓取工件位置數(shù)據(jù)，引導(dǎo)機(jī)器人抓取工件上線，再回到工作原點，依次循環(huán)。

圖9 機(jī)器人上料動作流程

6 現(xiàn)場調(diào)試及應(yīng)用

RRU系列產(chǎn)品自動化包裝生產(chǎn)線為某大型通訊企業(yè)定制開發(fā)，作為其RRU模塊生產(chǎn)、檢測、物流自動化改造系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)場如圖10所示，機(jī)器人及搬運夾具如圖10(a)所示,工作站上位機(jī)操作界面如圖10(b)所示?，F(xiàn)場操作人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)視機(jī)器人工作站運行狀態(tài)、工件數(shù)量及規(guī)格型號，并遠(yuǎn)程進(jìn)行機(jī)器人的啟停、暫停以及急停等故障處理。

運行結(jié)果表明：與傳統(tǒng)人工流水線包裝相比，上料機(jī)器人工作站能夠兼容7種規(guī)格工件的自動上料，定位精度<0.5 mm，上料節(jié)拍>18 件/分鐘，單班產(chǎn)量提高到1 300 件。同時，機(jī)器人上料工位用工數(shù)為1人，生產(chǎn)線整線用工數(shù)減少至6 人。機(jī)器人的應(yīng)用極大降低了用工數(shù)量與工作強度，設(shè)備運行穩(wěn)定、可靠。

圖10 機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)場

7 結(jié)論

本文生產(chǎn)線為某大型通訊企業(yè)中RRU生產(chǎn)、檢測、物流自動化改造系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的設(shè)計在滿足場地、工藝流程及功能要求的同時，考慮了通訊產(chǎn)品的特點、品牌定位，在安全性、系統(tǒng)功能、可靠性、可操作性、生產(chǎn)保障等環(huán)節(jié)提出了有效實施方案。同時，本文所提出的方法對工件在垂直方向的擺放精度有一定的要求，目前通過定制托盤的方式得到處理。后期圍繞工件擺放角度過大，甚至發(fā)生工件之間干涉情況下，工件的視覺定位問題可進(jìn)一步的開展研究。