視覺對中在高速沖壓自動化生產線中的應用分析

文/劉志祥·北京寶沃汽車股份有限公司

汽車行業沖壓生產過程中，需要對板料進行對中才能實現自動化上料，而行業中解決方案大多為重力對中、機械對中和視覺對中，重力對中和機械對中系統響應速度慢、部件易磨損，且不能滿足高速沖壓線；而視覺對中具有響應速度快、系統穩定性強、維護工作量小、板料形狀適用性強，且可以滿足高速自動化生產線。

隨著人們生活水平的提高和科技的不斷進步，汽車生產技術日趨成熟，為了快速響應市場需求，滿足人們對汽車高質量、高性能的需求，汽車制造業中高速沖壓生產線應用日趨廣泛。適應于高速沖壓線，視覺對中系統為其提供了不可或缺的技術保障，本文就著重對高速沖壓生產線中視覺對中系統技術進行闡述，分析日常生產運行過程中的常見問題和處理措施。

現場布局

本生產線設計節拍為15SPM，整線由拆垛系統、清洗涂油系統、視覺對中系統、板料及沖壓件傳輸機器人、2400t壓力機、1300t壓力機、三臺1000t壓力機、出料傳輸系統、自動裝箱系統、控制系統組成。圖1所示為拆垛對中布局圖，線首部分由拆垛系統1、拆垛系統2、拆垛機器人1、拆垛機器人2、進料皮帶機、清洗機、涂油機及視覺對中系統組成。

視覺對中系統

系統組成

視覺對中系統由視覺皮帶機、上料皮帶機、上料機器人1(含控制系統)、上料機器人2(含控制系統)、網絡交換機、工控機、視覺相機1、視覺相機2、視覺照明系統、整線主控PLC 及其他控制單元組成。視覺相機、工控機、上料機器人和主控PLC 通過預設的PROFINET 通訊網絡完成數據的傳輸(圖2)。

工控機中預裝了視覺軟件，通過工控機網卡將2臺視覺相機聯網，實現數據采集，視覺機器人1 控制系統選配了PROFINET 通訊卡，從而通過網絡交換機將工控機中視覺相機、工控機、機器人控制系統集成在了同一個PROFINET 網絡中，機器人控制系統通過PROFINET 網絡與主控PLC 實現數據的傳輸和交互。

系統工藝流程

調試運行：新零件上線調試時，首先在各單元設定對應的零件編碼和零件名稱，然后啟動拆垛系統并設定拆垛機器人運行軌跡，拆垛機器人搬運一張板料放置于進料皮帶機，手動搬運板料至視覺皮帶上，根據板料特征制作視覺模板，然后將視覺系統切換至離線狀態并手動拍照，拍照完成后手動運行視覺皮帶機和上料皮帶機，將板料運送至上料皮帶；依據拍照數據設定上料機器人BEFORE PICK 點、PICK 點、AFTER PICK 點位置，根據板料在模具中的狀態設定上料機器人BEFORE DROP點、DROP點、AFTER DROP點位置，逆序運行設定WAIT LOAD 點、OUT LOAD 點、WAIT UNLOAD點、OUT UNLOAD點位置并保存機器人軌跡；將機器人運行至等待位，視覺切換至在線狀態，準備自動生產。

如圖3 所示，自動運行：按下整線循環啟動按鈕，拆垛工位機器人開始進行拆垛并運送板料至送料皮帶和清洗機、涂油機，經清洗涂油后將板料運送至對中皮帶，對中皮帶檢測皮帶機有料并停止運行，主控PLC根據預設的程序發送預啟動皮帶機指令并由此指令觸發視覺相機拍照，視覺相機拍照完成后，工控機將計算板料位置數據與預設板料模板的數據進行比對、計算；同時主控PLC 控制對中皮帶將板料運送至上料皮帶和上料機器人工位，上料機器人根據工控機傳送的板料位置數據進行計算，然后上料機器人修正PICK 位置、抓料，上料機器人運送板料至2400t 壓力機，上料機器人投放板料后返回等待位置。整個系統進入下一循環。

視覺模板

新零件上線時，在整線控制系統中設定對應的零件編碼，相應的在工控機中設定對應的零件編碼，手動從拆垛工位運送一張板料至對中皮帶機，使用預裝在工控機中的視覺軟件切換相機為手動模式，觸發視覺相機拍照，在軟件制作視覺模板：設定視覺特征—設定搜索范圍—設定特征得分下限—設定旋轉許可角度—特征TRAINING—查驗特征—保存模板—切換相機為自動模式—運送板料至上料工位—設定上料機器人PICK 和DROP 軌跡。關于視覺模板特征，設定過多的特征或許會影響數據傳輸速度，導致故障率提升；而設定的太少則不能準確識別板料位置；一般單件設定1 ～2 個特征，雙件設定2 ～4 個特征，且每個零件至少1 個特征。

信號交互

整線主控PLC 與上料機器人1、上料機器人2、視覺相機、工控機之間通過PROFINET 通訊進行信號交互，主要信號為皮帶機預啟動、觸發相機拍照、相機拍照完成、手動拍照、板料坐標X、Y 和轉角Deg，如表1、表2、表3 所示。

控制原理

整線具備生產條件后，在整線主控臺進行整線啟動，整線所有機器人運行至等待工位，拆垛工位機器人將板料從拆垛臺搬運至送料皮帶，經清洗機清洗和涂油機涂油后，板料到達對中皮帶，對中皮帶板料傳感器檢測到有料后發信號給主控PLC，主控PLC 運行對中皮帶停止控制程序，該控制程序按照預設的公式進行計算并停止皮帶運行，然后運行皮帶停穩濾波程序；此時主控PLC 觸發對中皮帶預啟動指令，并且觸發視覺相機拍照(圖4)，視覺相機拍照完成后發送TRIGGER DONE 指令給機器人控制系統，同時工控機計算板料位置數據并傳送給上料機器人控制系統，對中皮帶和上料皮帶以對中皮帶機為基準同時啟動并且運行定長2400mm，此時板料已經運送至上料皮帶，上料機器人也已經運行到了上料皮帶上方，上料機器人控制系統計算接收到的板料位置數據和修正PICK位置軌跡進行板料抓取，上料機器人按照預先設定的運行軌跡將板料準確的放入首臺壓力機的模腔內，整個系統進入下一個循環。

表1 主控PLC 與機器人1/2

表2 機器人與工控機

表3 板料位置數據

常見問題及處理措施

在生產過程中，系統的可靠運行無疑是每一位設備運營管理者最期望的，根據經驗總結了以下常見問題及處理措施( 表4)。在生產現場出現最多的就是找不到視覺特征、板料照片反光和視覺得分低，一般需要進行如下處理：調整板料在托盤位置/ 調整拆垛機器人投放板料位置/ 檢查調整皮帶機、減少涂油機噴油量/ 適當調大清洗機擠干輥壓力、清理皮帶機底板/ 清理皮帶/ 增大板料與皮帶機底板間色差/ 優化視覺特征位置；除此之外，要按照維護保養計劃定期對通訊線纜、線纜接頭、皮帶機傳動裝置、視覺燈具進行檢查和維護保養。

結束語

表4 常見問題及處理措施

隨著視覺系統應用的普及和技術的不斷完善，相信視覺對中系統在汽車以及家電等行業沖壓自動化生產中使用越來越廣泛，其產品應用方案也日趨成熟、穩定，視覺系統精度、性能也會逐步得到提升，為高速沖壓自動化提供強有力的技術保障。