分揀機器人在電機定子鐵心生產線上的應用

王衛軍,徐友法,趙 鵬,劉立冬,李亞運,蘇 陳

(中國電子科技集團公司第二十一研究所,上海200233)

0 引 言

工業機器人可以通過編程和調試,在工業生產中完成諸如焊接[1-2]、分揀、搬運[3]、裝配[4-5]等各種操作,在汽車生產、物流運輸等眾多自動化領域中得到了廣泛的應用。但是,在眾多領域的應用中,工業機器人都是基于精確示教法來完成預定目標的,即事先設置好預定的位置點,然后讓機器人嚴格按照預設的位置點進行運動。因此,如果當客觀的物體在位置上面出現偏差時,基于示教法的機器人就無法完成相應的工作,柔性較差。

人類獲取的外界客觀知識中,有超過80%來自于人眼的視覺功能。因此,在工業生產中加入機器視覺后可以獲得更多的外界客觀信息,提高生產中應對復雜外界的能力。本文將機器視覺引入到SCARA工業機器人系統中,形成了一種和人的手眼類似的工業系統,可以很好地提高機器人在工業生產中的智能化水平,并在分揀、搬運等工作中得到廣泛的應用[6-8]。

工件在進行大批量生產時,大量工件在內部工序間進行傳輸一般都是靠人工分揀和搬運。此時,如果工件的類型較多,并且搬運距離較遠,工件的傳輸則會占用大量人工。以機器人視覺分揀系統作為其核心的自動化輸送帶則可以完全對工件實現自動的識別、分揀和搬運,并進行位姿調整。本文以電機定子鐵心的搬運和位姿調整為例,設計了一條滿足技術要求的自動化輸送線。生產線以SCARA機器人作為抓手,以智能相機作為視覺處理模塊獲取工件的位置信息,實現了整個系統的自動化運作。

1 工業機器人

作為一種典型的機電一體化產品,工業機器人能夠通過預先設定的程序,自動執行工作,可以通過機器人自身的動力和控制系統來實現預定功能。在工業機器人工作過程中,工作人員可以對其進行控制指揮,也可由技術人員事先編程,使機器人自動完成工作。

作為一種典型的平面結構類型關節機器人,SCARA能夠分別沿X,Y,Z 3個方向進行旋轉運動和Z軸方向上進行直線運動,其結構如圖1所示。從SCARA機器人結構圖中可以看出,其主題結構主要由4部分組成,分別包括基座、大臂、小臂、升降桿和末端執行器。

SCARA機器人目前主要采用伺服系統作為機器人關節的驅動方式,這是因為伺服電機往往具有更高的精度、穩定的低頻特性以及較強的過載能力。本文所用的SCARA機器人也采用伺服電機和伺服驅動器作為電器伺服驅動系統。

圖1 自主研發的核心零部件的SCARA機器人

2 工業視覺模塊

工業視覺是指利用工業相機和計算機系統來完成人的眼睛所要完成的視覺功能。機器視覺系統主要包括三部分:基于相機的圖像獲取、基于計算機的圖像的處理和分析、輸出或顯示。

圖像的獲取是指利用工業相機、智能相機等將被測物體拍照后所得的數字化圖像和一些顯著特征轉換成為能夠可以被計算機進行處理的一系列數組數據。圖像的獲取過程主要由照明打光、圖像聚焦并形成、數字輸出信號3部分組成。

通過圖像視覺處理,系統就可以獲得圖像需要的各種信息,包括:位置信息、邊緣狀態等,通過與之相連接的外部設備,然后以各種形式輸出檢測結果及響應,其中外部輸出設備可以是網絡打印機、顯示器、報警器以及其他控制信號。

在本文中,基于機器視覺的分揀機器人系統流程圖如圖2所示。

圖2 視覺系統流程圖

從流程圖中可以看出,當目標物體通過傳送帶運送時,物體觸發相機進行拍照,相機通過預設程序對圖像進行處理,并快速有效地對其空間位姿進行定位,配合機械手進行抓取和操作的功能,從而大大地提高了自動化生產的效率。

如圖3所示,本文所采用的相機為某公司研制的CMOS智能工業相機,130萬像素,具備 DIO,RS232,GigE 3種通訊方式,并且采用圖形化語言編程,可方便研發人員迅速完成對視覺項目的開發。

圖3 某型號工業相機

3 測試生產線的搭建

結合電機定子鐵心在實際生產過程情況,本文設計了能夠對工件進行分揀、搬運以及位姿調整的簡易閉環流水線,用以模擬實際的工況。該生產線包含以下4個模塊:流水線模塊,抓取機械手模塊,視覺系統模塊,SCARA機器人模塊,其結構如圖4所示。

圖4 簡易閉環流水線的系統結構

為形成一個閉環的測試生產線系統,整個生產線系統由兩臺SCARA機器人工作站和流水線等模塊組成。

第一個工作站使用光電檢測技術,利用機械限位系統,實現被搬運物體的限位。工件在1號傳送帶的帶動下運動到光電開關固定位置,光電開關檢測到有障礙物經過,輸出IO信號發送給機器人運動控制器,工件最后停留在擋板固定位置不動,運動控制器根據示教指令,驅動SCARA機械手運動到工件當前位置點,同時使能氣動組件,使機械抓手抓住電機定子鐵心,搬運到2號傳送帶上,完成工件運動閉環。

第二個工作站使用視覺定位技術。工件在2號傳送帶的帶動下運動到工業相機固定位置附近,觸發光電開發,之后工業相機對工件進行照片采集,并將獲取的工件圖片信息傳送給視覺處理模塊,視覺處理模塊根據發送來的圖片信息進行數據提取以及分析,通過內部算法,得到工件的中心點位置坐標(X,Y),并將工件中心點位置坐標信息發送給機器人運動控制器,運動控制器根據示教指令以及工件中心位置點坐標信息,驅動SCARA機械手運動到工件當前位置點,同時使能氣動組件,使機械抓手抓住電機定子鐵心,搬運到1號傳送帶上。如此反復。具體的流程如圖5所示。

圖5 流水線工作流程圖

4 實驗

根據電機定子鐵心流水線的設計,完成了各零部件的設計和選購,搭建了相應的模擬流水線的平臺,其結果如圖6所示。

圖6 模擬流水線系統搭建

電機定子鐵心使用量大,并且目前主要靠人工搬運,耗費了大量的人力物力。本文以電機定子鐵心的分揀、搬運與位姿調整作為實驗的對象,某伺服電機定子鐵心的結構如圖7所示。

為了突出工件的輪廓,本文利用某公司生產的環形光源,對定子鐵心完成打光,通過工業相機拍攝出的圖像如圖8所示。

圖7 某伺服電機定子鐵心

圖8 電機定子鐵心的圖像

實驗的主要任務是通過工業相機對電機定子鐵心進行識別,之后對其中心進行定位,確定工件進行抓取的(X,Y)坐標,再將坐標傳遞給機器人來對鐵心進行抓取。同時,由于定子鐵心放到傳送帶上時是隨機的,位姿不確定。因此,可以對工件的位姿進行判定,通過測定突出部分與傳送帶方向的夾角并傳送給機器人,使機器人在搬運工程中對定子鐵心的位姿進行矯正,使所有工件的突出部分與傳送帶平行,以方便實際生產線中的裝箱。相機的定位程序的基本過程如圖9所示。

圖9 定位程序流程圖

實驗結果顯示,本文搭建的電機定子鐵心流水線中,工業相機可以準確地對電機定子鐵心進行識別,并獲得鐵心的位置坐標(X,Y)和偏轉角度。機器人能夠很好地對鐵心進行抓取,并能夠對鐵心的偏轉角度進行矯正。整個分揀和搬運過程都取得了理想的實驗結果。

實驗結果顯示,對于傳送帶上雜亂無章分布并傳送過來的電機定子鐵心。機器人系統可以快速地對工件進行識別,并進行相關的抓取和位姿調整,進行模擬裝箱。單個電機定子鐵心從識別到裝箱的周期是5 s左右,可以完全替代原有的人工識別和手動裝箱。即可以完全替代一個工人。實驗達到了預期的效果,可以設想,若應用到生產線上,將大大提升生產線的生產效率。

5 結 語

本文根據實際工況和約束條件完成了某電機定子鐵心分揀生產線的搭建,完成了各零部件的設計和選購。在搭建的生產線上,對SCARA機器人進行了分揀和抓取的動作規劃,完成了機器人對工件的分揀和搬運的工作。同時,完成了相機定位程序的編寫,實現了工業相機與機器人交互控制的集成。實驗結果表明,本文搭建的基于機器視覺的分揀機器人系統可以在電機定子鐵心生產線上很好地應用,并有較高的可靠性和較高的生產效率,可以完全替代人工。智能化自動生產線系統的搭建確立,將為相關的伺服電機企業在生產線的改裝換代上提供很好的范例。