基于機器視覺的食品自動化產線仿真平臺的設計

劉海燕，林春蘭，吳雪穎，蘇宇

廣西科技大學職業技術教育學院，工業機器人技術中心（柳州 545006）

條碼，又稱條形碼，是由一組寬度不同、反射率不同的平行相鄰的條和空按規定的編碼規則組合表示一定信息的代碼，也是一種能利用光電掃描閱讀設備識讀并實現將數據輸入計算機的特殊代碼[1-2]。條碼技術被廣泛應用于商業、金融、交通、醫療衛生、郵電、制造、食品、倉儲等領域[3]。條碼是一種經濟、實用的自動識別技術，具有輸入速度快、可靠性高、采集信息量大、靈活實用等優點[4]。

采用Visual Studio（VS）對機器人進行二次開發，張日紅等[5]在VS開發環境下實現機器人離線編程控制的方法；李靜等[6]對用VS創建一種磁吸附履帶式爬壁機器人的人機交互界面，實現上下位機的實時通訊。采用Python實現設備間的通信，張西波[7]用Python編寫串口程序，可實現對設備的集中控制和管理；呂煬[8]用Python完成USB通信和網絡通信開發。采用RobotStudio（RS）離線編程軟件的Smart組件進行機器人工作站的虛擬仿真；郝建豹等[9]通過SolidWorks構建三維仿真模型并導入到RS中構建機器人工作站的建模布局，通過創建Smart組件實現工作站的仿真運行。

基于工業實際生產案例，采用Python下的Pyqt5工具包和Pycharm編輯器開發串口通信軟件，實現對掃碼器掃描信號的讀取和發送；采用VS和RS的二次開發工具PC SDK完成對虛擬機器人的控制；采用RS的Smart組件構建仿真系統，完成對平臺的仿真運行。

1 平臺架構設計

平臺架構包括硬件系統和軟件系統：硬件系統主要由讀碼器組成；軟件系統由Python開發的串口通訊軟件、VS開發的虛擬機器人控制應用程序和RS構建的雙鏈仿真平臺構成。平臺整體框架如圖1所示。

圖1 平臺框架圖

2 Python+Pyqt5+Pycharm串口通訊軟件

Python是一種動態、面向對象的腳本語言，是最流行的編程語言。它易于學習，速度快、是一種免費和開源的高級語言，便于攜帶和解釋[10]。Pycharm是Python的一組工具，有助于使用者提高Python語言開發的效率。試驗應用Python 3.6.4（64位）中的GUI界面，選用Pyqt5工具包，Pycharm 2018.3.5（64位）版本。串口通信流程圖如圖2所示。

圖2 串口通信流程圖

調用Python編程所需的模塊→控制優先級，先執行初始化→接收掃碼數據→串口控件→掃碼數據顯示→網絡設置控件→機器人端串口發送程序。編碼完成后，運行代碼進行窗口檢驗，如圖3所示。

圖3 串口調試軟件界面

界面運行完成后，進行串口程序測試，測試結果如圖4所示。

圖4 串口測試

3 VS和PC SDK二次開發

3.1 Visual Studio 2017

Visual Studio軟件[11]是一套完整的開發工具，可生成ASP.NET Web應用程序、桌面應用程序、XML Web Services和移動應用程序。Visual Basic、Visual C#和Visual C++都使用相同的集成開發環境（IDE），實現工具共享。創建新項目時，Visual Studio會自動生成一個解決方案，可根據需要將其他項目添加到解決方案中。系統使用Visual Studio Community 2017版本15.9.11，NET Framwork版本4.0以上。通過添加PC SDK動態鏈接庫，使用C#編寫PC應用程序控制RobotStudio中的機器人，實現與ABB機器人的通信及數據讀取和寫入。

3.2 PC SDK二次開發

對ABB機器人進行二次開發的目的在于能夠在PC機上通過網絡對機器人進行遠程操控，可獲取機器人的工作狀態、程序數據、程序模塊、IO模塊等信息。ABB機器人為使用者提供大量便捷的二次開發及應用工具，PC SDK就是其中一項。利用PC SDK對ABB機器人進行二次開發時，只需要在其官網上下載相應版本的動態鏈接庫文件，用到的PC SDK版本為6.07。

3.3 與ABB虛擬控制柜建立通訊

PC SDK的類庫被封裝在不同的功能域中，其動態鏈接庫文件通過編譯軟件Visual Studio（簡稱VS）引用至用C#建立的Winform項目，根據開發需求在VS中構建與PC SDK的類庫相關的類，并建立起各個功能域之間的關系。

1) 通過創建Winform窗體，建立網絡掃描和連接等句柄，可顯示網絡上所有機器人信息。

2) VS與ABB Virtual Controller建立通信，獲取ABB機器人端的變量，并寫入產品A和產品B的控制信號，生成的控制應用程序界面如圖5所示。

圖5 ABB機器人控制應用程序

4 RS離線編程軟件

ABB模擬與離線編程軟件RS，可在辦公室PC機上完成機器人編程，無需中斷生產。RS基于ABB Virtual Controller，與機器人在生產中運行的軟件相同。因此，RS可以執行非常逼真的模擬，并且可在生產現場直接使用編程的機器人程序和配置文件[12]。

4.1 工作站模型

應用UG 10.0軟件構建簡單的AGV小車模型和食品包裝產品A和B模型。簡易AGV小車模型主要參數為：輪直徑80 mm，寬度150 mm，車身長度1 600 mm，車身寬度1 000 mm，可用裝載車身長度1 200 mm，離地高度135 mm。產品A和B模型為：長度600 mm，寬度400 mm，高度200 mm。模型如圖6所示。

4.2 動態Smart組件的設計

在機器人雙鏈路平臺仿真系統中，為更好地展示效果，從分析物料出發定義2條輸送鏈（產品A和產品B），創建輸送鏈子對象組件：要求物料在輸送鏈前端自動顯現；物料自動輸送到輸送鏈末端，與傳感器發生碰撞后，發出產品到位信號，從而啟動機器人搬運工作。

4.3 機器人生產線仿真I/O信號

在企業實際生產案例中，PLC是中央控制單元，通過Profinet或Profibus等現場總線，將數控機床、工業機器人等設備連接起來進行信號通信。而在仿真系統中，Smart組件可以看成是PLC，只需要將該組件的I/O信號與機器人的I/O信號進行關聯，模擬PLC與機器人的信號通信實現仿真效果。仿真I/O信號如表1所示。

圖6 平臺模型圖

表1 機器人自動上下料生產線部分I/O信號

4.4 Smart組件的I/O信號設置及連接

Smart組件中各子組件之間的邏輯控制，主要是通過I/O信號的連接來實現，部分I/O信號邏輯連接如表2所示。

表2 Smart組件_輸送鏈的部分I/O信號邏輯關系

5 RAPID程序編譯及仿真

在搭建好各種模型和Smart組件后，可以根據工作流程要求，利用RS的離線編程功能編寫和調試出相應的程序，進行模擬仿真查看結果是否滿足要求。在RS中主要是利用其RAPID對機器人進行編程。RAPID是一種英文的編程語言，里面包含著可以移動機器人、設置輸出、讀取輸入等指令，還能實現決策、重復其他指令、構造程序、與系統操縱員交流等功能。部分主程序如下所示。

Main主程序：

6 仿真運行

搭建整個雙鏈平臺后，單擊“仿真控制”選項卡的“播放”，使機器人處于自動仿真運行狀態。在VS開發的ABB機器人控制器應用程序中啟動程序，完成對虛擬控制柜的通信連接；產品A的掃碼數值發送給ABB機器人，機器人就啟動產品A的搬運和碼垛任務；產品B的掃碼數值發送給ABB機器人，機器人就啟動產品B的搬運和碼垛任務；若同時發送A和B的掃碼數值，ABB機器人就執行搬運先到達物料的任務；AGV小車按照3×5的結構進行碼垛。仿真結果如圖7所示。

圖7 VS控制ABB機器人仿真結果

7 結語

在此仿真系統中需要依次完成：1）在Python+Pyqt5+Pycharm中完成串口通信軟件的設計及界面搭建工作；2）在Visual Studio軟件下完成PCSDK動態鏈接庫的引用、C#程序編寫、Window窗口搭建、與機器人通信的建立等；3）在RobotStudio軟件下完成SMART組件的搭建，包括雙鏈路碼垛工作站I/O配置及邏輯信號搭建、機器人邏輯信號搭建、程序數據創建、目標點示教、仿真程序編寫及調試。

完成雙鏈路仿真實系統的上位機設計、下位機機器人工作站的仿真運行。仿真環境下的搭建，使流水線的物料通過掃碼、分類、ABB機器人裝載和AGV小車運送、計算機總控的一整套視覺自動化研究。該設計可節約人力成本，提高工作效率，為工控中的商品包裝倉儲運輸提供一套高效的視覺自動化系統方案。