基于機器視覺的熱固注塑機械手的研制

馮旭初 林嘉敏 尹振杰

（江門市智能裝備制造研究院有限公司，廣東江門529100）

1 項目立項依據

1.1 目的及意義

目前在熱固性塑料行業生產中，主要分為熱固壓制成型和熱固注塑成型這兩種生產方式。熱固壓制成型設備對人員要求較高，工作強度大，工作環境惡劣，容易造成人員流失且產能較低等。而熱固注塑成型設備相較于熱固壓制成型設備生產的產品質量有明顯的優勢，相同時間產量更高，技術人員工作強度有所下降，工作環境也有所改善。熱固注塑成型取代熱固壓制成型成為塑料制品行業改革的必然趨勢。雖然熱固注塑成型的生產方式比熱固壓制成型有一定的優勢，但由于受設備限制，大型產品人手取料困難，機器代人是大勢所趨。

該項目應用光機電一體化技術、現代設計技術、機器視覺技術及通信技術，實現注塑機的自動取料、模具內部飛邊檢測及去除，旨在為熱固注塑行業提供自動檢測及生產的解決方案。它通過編程來完成各種預期的作業任務，實現生產自動化，降低人員需求和人工成本；通過機器視覺實現注塑模具檢測，去除飛邊，保證生產質量要求；在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，體現了人的智能和適應性；其作業的準確性、高效性以及在各種惡劣環境中完成作業的能力，更好地實現了與機械化和自動化的有機結合，避免生產強度高、加工環境差對生產人員造成的嚴重影響。

1.2 國內外發展現狀與趨勢

在國內，目前應用于熱固注塑行業的專用機械手非常少。市面上存在的注塑機械手功能極其單一，更多的是實現制品快速從模具中取出并將制品傳送到下一道工序，缺乏對熱固注塑模具本身的檢測，每個生產周期內價值高昂的模具都有可能因為產品殘留或滑塊錯位等而有損壞的危險。從事熱固注塑產品生產的企業由于自身生產規模、資金、機械手無法滿足生產需求等諸多情況，主要依靠人工取件，直接導致機械化、自動化水平低下，且對于大型模具的制品，人工取料根本無能為力。

在國外，應用于注塑行業的機械手技術起步較早。伴隨著工業機器人技術的發展，更是推動了注塑機械手應用技術的提升，出現了熱固注塑專用的機器人，實現了全自動注塑生產。

1.3 項目的產業化前景分析

隨著中國經濟持續增長，在“中國制造2025”的強力推動下，中國制造業將面臨新的挑戰和機遇，制造業的蓬勃發展使許多依靠人工操作的傳統機械已被摒棄，漸而被代替的是自動化操作。近年來由于汽車、建筑、家用電器等產業對注塑制品日益增長的需求，極大地推動了熱固注塑成型技術水平的發展和提高，更對制造工廠的生產產能及節能都提出了更高的要求。

2 項目開發內容、方法、技術路線

2.1 主要研究內容

2.1.1 基于機器視覺的熱固注塑機械手的總體方案設計

基于機器視覺的熱固注塑機械手總體方案設計主要是研制一種集成機器視覺技術與伺服運動控制技術的熱固注塑機械手，克服通用性差、適用性不足等問題，并提高機械手的可靠性，實現對產品的智能識別定位、抓取、清除飛邊并自動檢測模具內部異常情況等功能。

2.1.2 熱固注塑機械手的結構設計

針對應用于熱固注塑機械手的組成部分、各組成部分的功能以及機械手的實現方式進行研究，應用機械結構設計原理，設計出相關機械結構，實現熱固注塑機械手自動取料、飛邊檢測及飛邊清除等功能。

2.1.3 開發機械手控制系統

通過對機械手運動軌跡研究，結合機器視覺系統和交流伺服系統，采用各種插補技術設計運動軌跡，簡化編程方法，提高機械手適應性，保證機械手的穩定性、高速性和易操作性。

2.1.4 開發視覺檢測系統

開發視覺檢測系統，實現非接觸性檢測。通過噪聲抑制、背景減除、圖像分割、動態閾值、特征提取等算法的應用提高系統的成像精度、檢測準確率及靈敏度，應用近紅外光線和工業攝像頭結合技術，解決工廠周圍環境光線明暗產生的潛在問題，滿足模具內部飛邊高精度、高準確率檢測的需求，并實現執行端軌跡智能規劃。

2.1.5 設計模塊化的末端執行機構

設計機械手末端模塊化執行機構，通過集成抓取、吸取、檢測、吹氣等功能，使得熱固注塑機械手適應不同的作業需求，如負載、取料方式、飛邊清除、工作范圍等。

2.2 擬解決的關鍵技術

（1）通過對注塑設備的實際應用情況進行研究，采用機械結構技術，研制一種集成機器視覺技術與伺服運動控制技術的熱固注塑機械手，使其適用于注塑產品的定位、抓取以及飛邊去除，保證機械手的穩定性、高速性、易操作性，且具備較高的性價比。

（2）通過研究目標的識別檢測技術，結合近紅外光線等相關技術，開發視覺檢測系統，提高檢測準確性和可靠性。

（3）通過伺服控制系統和機器視覺相結合，對機械手執行端軌跡進行智能運算，實現機械手運行高速、平穩、可靠。

（4）針對注塑設備應用范圍不同、作業需求不一，對末端執行機構進行模塊化設計，以滿足注塑行業作業多樣化的需求。

2.3 擬采用的方法、技術路線以及工藝流程

（1）對注塑生產工藝要求、品質要求、管理要求、注塑設備的運行情況和工作過程及市場需求進行調研，收集相關資料。

（2）分析研究各種注塑設備的下料模式、模具識別要求及運動要求，采用模塊化設計技術、協調作業技術，完成熱固注塑機械手的模塊分析。

（3）采用機械設計控制技術，對機械手執行機構、關節連接處的構造方式進行設計，通過建模、分析以及仿真技術，完成熱固注塑機械手的總體方案設計。

（4）根據機械結構的設計原理、工作原理，完成控制系統設計。

（5）通過幾何特征定位技術和圖像比對等一系列算法，結合模具內部特征，對機器視覺進行設計開發。

（6）系統樣機制造和測試。

（7）市場宣傳及技術推廣。積極開拓國內市場，并將基于機器視覺的熱固注塑機械手向相關行業進行推廣與應用。

2.4 項目的特色和創新突破點

（1）通過機器視覺檢測系統的開發，實現非接觸性檢測，及時識別模具上的異常情況，提高生產質量，實現模具保護。

（2）通過機器視覺與伺服控制系統相結合，智能計算出執行端的運行軌跡，并通過機械結構予以實現。

（3）通過末端執行機構的模塊化設計，集成檢測、取料、清除飛邊等功能，實現機械手在多變的工作條件下對物料進行提取。

3 項目預期的技術、經濟指標及社會效益

3.1 技術指標

（1）具備熱固性塑料產品自動取料、模具內部自動去飛邊、圖像采集及產品自動下料等功能；（2）自動取料成功率≥99%；（3）模具內部異常檢測成功率≥98%。

3.2 社會效益

基于機器視覺的熱固注塑機械手的應用，為注塑企業邁向機器換人的智能注塑生產提供了有效的解決方案，有效解決了注塑行業產品生產質量要求高、生產強度高、加工環境差、人力成本高、工人技術水平要求高等問題；提高企業對生產全過程的監督和控制能力，提升企業的生產效率；保護生產設備、模具，降低生產成本，提升產品質量，增強企業在國內、國際市場的競爭力。

3.3 對產業的帶動和提升作用

該項目研制的基于機器視覺的熱固注塑機械手，全面替代人工生產，降低了生產成本，提高工作效率，確保了產品質量，顯著提升了熱固性注塑生產的自動化水平，將在熱固性注塑企業迅速推廣發展。

4 結語

基于機器視覺的熱固注塑機械手的研制是對傳統熱固性塑料生產技術的升級，為熱固注塑行業提供了自動化檢測及生產方案，推動并實現了熱固性塑料行業的高端化、智能化發展，產生了良好的社會效益和經濟效益。