智能裝配生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計

王斌 孫志豪 陳宇豪

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；視覺；PLC；裝配

1引言

隨著自動化技術(shù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，以工業(yè)機器人為裝備的智能裝配系統(tǒng)在制造業(yè)中起到了越來越重要的作用[1-2]。傳統(tǒng)的基于人工裝配的方法工作效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，已無法滿足快速多變的市場需求。工業(yè)機器人智能裝配生產(chǎn)線大大縮短了產(chǎn)品加工周期、提升了裝配效率，減少了企業(yè)人工成本；同時，可以與MES和ERP等系統(tǒng)通信交互，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)出庫的全過程自動化，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。市場產(chǎn)品種類多樣化，顏色、形態(tài)各異的工件要求裝配生產(chǎn)線具有更高的柔性化程度，智能傳感器及其技術(shù)，尤其是視覺技術(shù)的發(fā)展，極大地提升了產(chǎn)品裝配的自動化和柔性化。

智能裝配生成線的一般工作過程在于，當光電傳感器檢測到工件到達視覺檢測位時，啟動相機拍攝，計算處理獲取目標的類別及位姿信息，引導(dǎo)機器人按一定的策略裝配工件。目前，針對不同的應(yīng)用場景，結(jié)合智能傳感器技術(shù)，學(xué)者已經(jīng)對機器人智能裝配系統(tǒng)進行了大量的研究[4-7]。文獻[5]采用深度學(xué)習方法提取目標的特征，避免了人工設(shè)計目標特征易受環(huán)境干擾因素的影響，選取工件表面的關(guān)鍵點作為數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)工件圖像關(guān)鍵點預(yù)測，進而實現(xiàn)工件位姿的準確估計。文獻[6]對機器人智能裝配系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，重點闡述了圖像畸變處理、坐標轉(zhuǎn)換、主控中心點計算法、裝配策略和調(diào)試技巧等關(guān)鍵方法，有效提升了裝配精度和速度。文獻[7]提供了結(jié)合快換工件和視覺裝配工作站仿真方案，結(jié)合RobotStudio和SolidWorks建立3D仿真模型，通過添加Smart組件建立邏輯連接，再經(jīng)路徑規(guī)劃等步驟完成離線程序編制，該方案優(yōu)化了裝配生產(chǎn)線的性能、節(jié)約了成本。在上述智能裝配系統(tǒng)中，處理的工件大多默認是合格產(chǎn)品，即獲取的是工件的類別以及位置角度信息，缺少對工件是否合格的判斷。當產(chǎn)線上出現(xiàn)缺陷工件時，由于無檢測環(huán)節(jié)，造成成品質(zhì)量不合格，進而有損品牌的形象。

針對以上問題，本項目主要設(shè)計了兼有檢測功能的智能裝配系統(tǒng)。首先進行裝配系統(tǒng)的硬件選型安裝設(shè)計，完成ABB機器人、西門子PLC以及康耐視智能相機的通信連接。通過AGV小車將工件運輸至傳送帶再流轉(zhuǎn)至視覺處理工位：獲取圖像后計算工件類別信息，同時判斷是否為良品。最后機器人按照策略執(zhí)行踢廢或裝配任務(wù)，實驗驗證了本系統(tǒng)的有效性。

2本文系統(tǒng)

2.1硬件系統(tǒng)

本文設(shè)計的智能裝配系統(tǒng)主要由ABB工業(yè)機器人、SIMATIC S7 1200 PLC，Cognex Insight、光電傳感器、傳送帶、AGV小車等設(shè)備組成，如圖1所示。

系統(tǒng)中的PLC作為主控設(shè)備，如圖2所示，與機器人之間采用socket通信，通過PROFINET與相機傳遞信息，利用IO口方式采集光電傳感器信號并通過變頻器驅(qū)動傳送帶。系統(tǒng)的工作流程為：AGV小車將裝有工件的托盤放置至傳送帶時，其端側(cè)的光電傳感器檢測到信息；PLC采集到光電信號后啟動傳送帶，當托盤被運送至視覺檢測區(qū)域后，觸發(fā)此區(qū)域的光電傳感器，皮帶停止運動，相機拍照并軟件分析；機器人根據(jù)檢測的結(jié)果，若為瑕疵品，則將其放置廢料區(qū)，若檢測合格，進一步判斷是否適合放置至裝配區(qū)，否則暫存于工件暫存區(qū)。

2.2工件位姿檢測

本系統(tǒng)中待裝配的工件有4個，見圖3（a），分別是關(guān)節(jié)底座、電機、諧波減速器和法蘭，其中減速器和法蘭易出現(xiàn)缺陷，如圖3（b）所示。

2.2.1像素當量

選用康耐視In-sight軟件檢測工件類別和位置信息。由于相機獲取的是目標的像素信息，若要進一步獲取其實際物理尺寸，則需要像素的當量信息[8]。像素當量表示每個像素代表的實際物理尺寸，計算公式為：實際物理長度／像素個數(shù)。

2.2.2模板匹配

選擇工件的輪廓形狀作為特征設(shè)置工件模板，注冊四個工件的基準圖像。將基準圖像通過旋轉(zhuǎn)、平移以及縮放等操作遍歷整個圖像進行匹配。采用相似度方法將當前處理工件判為基準中輪廓差異最小所對應(yīng)的類別。此時，若為減速器或者法蘭類別，則進一步判別高工件中所包含的孔洞的個數(shù)。采用斑點分析的方法檢測孔的數(shù)量，當檢測出的孔洞個數(shù)少于基準圖像時，則將此工件判斷為NG產(chǎn)品，否則判斷為OK產(chǎn)品。

將托盤中心位置標識為機器人抓取基準中心點。機器人抓取工件的位置信息需要計算工件匹配中心點與基準中心點的偏差。根據(jù)模板匹配獲取工件的中心位置信息，得到與基準中心的像素偏差，乘以像素當量，再根據(jù)相機安裝信息獲取機器人與圖像橫縱坐標對應(yīng)關(guān)系，最終得到機器人應(yīng)該偏移的位置信息。

2.3裝配

PLC編程統(tǒng)計當前裝配區(qū)的工件類別，判斷當前抓取的工件是否可以直接進行裝配。若可以，則發(fā)送指令至機器人將當前處理的工件抓放至裝配區(qū)。若當前處理的工件不能滿足裝配需求，則根據(jù)指令將工件按類別放置于工件暫存區(qū)。

2.4實驗

為了驗證本系統(tǒng)的性能，進行重復(fù)隨機工件抓取及裝配實驗。實驗時，將不同類型的工件隨機放置于托盤，每類工件均放置50個，本系統(tǒng)均可以正確識別并抓取，單個工件處理時間為20s。

將次品工件放置于托盤，驗證本系統(tǒng)對于缺陷工件的處理功能，實驗結(jié)果見表1。

3結(jié)束語

本文設(shè)計了智能裝配生產(chǎn)線系統(tǒng)，根據(jù)任務(wù)需求完成機器人、PLC、相機以及傳感器等選型安裝后，以PLC為主控單元建立各個設(shè)備之間的通信連接。裝載工件的托盤被AGV輸送至傳送帶，且光電傳感器檢測到物料后，PLC控制變頻器使得物料開始流轉(zhuǎn)：工件運動至視覺拍照位后，傳感器感應(yīng)到信息，進而觸發(fā)相機拍照；根據(jù)注冊的工件基準位置，計算偏移量及旋轉(zhuǎn)角度信息，引導(dǎo)機器人完成抓?。桓鶕?jù)質(zhì)量檢測結(jié)果，將工件進行踢廢或者裝配操作。實驗驗證了本系統(tǒng)可以有效完成待加工工件的質(zhì)量檢測和裝配操作。