基于視覺引導的機器人缸蓋上料系統的應用

陸賢輝　張善文

摘 要：本文主要描述一種由機器視覺定位引導機器人抓取缸蓋，經過PLC傳遞控制信號，最終完成自動上料過程的系統。利用機器人代替人工，不僅可以減少在搬運過程中發生的工件掉落砸傷事故，保證生產順利進行，還可以節約高昂的人工費，降低生產成本，為企業帶來更大的經濟效益。

關鍵詞：機器視覺 機器人 PLC 控制 自動上料

Application of Robot Cylinder Head Feeding System based on Vision Guidance

Lu Xianhui，Zhang Shanwen

Abstract：This paper mainly describes a system that guides the robot to grab the cylinder head by machine vision positioning， transmits control signals through PLC， and finally completes the automatic feeding process. The use of robots instead of labor can not only reduce the accident of falling and smashed workpieces during the handling process， and ensure the smooth progress of production， but also save high labor costs， reduce production costs， and bring greater economic benefits to enterprises.

Key words：machine vision， robot， PLC， control， automatic feeding

隨著人工成本的不斷上升，運用機器代替人工已經成為很多制造企業轉型升級的主要手段。利用機械手完成物料的搬運和運輸，與傳統的人工相比，它可以穩定地按照我們設置好的節拍不間斷地重復完成工作。而且，在一些較重物料運輸，或者工作環境比較惡劣的情況下，機械手可以更加高效的工作，同時可以避免砸傷、壓傷等意外的發生，降低安全成本[1]。隨著“中國制造2025”的提出，企業對生產自動化的要求也越來越高，生產過程已經逐漸由機器人來完成，在一些難度比較高且枯燥的工作中發揮了重大的作用。而機器視覺的研發，提高了機器人的精度，保證工作可以以更高的穩定性進行。本文旨在研究基于機械視覺引導機器人，實現無序擺放零件的精確抓取，并應用于現場自動化改造項目。

1 機器人搬運系統框架

本項目采用Fanuc M-900iA，可搬運140KG重物，重復定位精度±0.5mm，并集成自主開發的AGV送料系統和自主開發的機械視覺系統，系統框架如圖1所示。

目前生產線上應用的搬運工業機器人大多是通過示教再現或預編程來實現機器人的操作，機器人只是完成點到點的任務動作，外部參數變化的物體則是無能為力[2]。本文應用場景中，缸蓋在托盤中的擺放間隙有5mm左右，托盤在藍色叉車底托上的位置差異也有15mm左右，所以對機器人而言每個抓取目標的誤差接近20mm左右。而本文采用的缸蓋上料工裝，利用缸蓋火花塞孔導向預定位，導向間隙單邊僅5mm。如果僅依靠機器人示教位置來進行零件的抓取，成功率非常低，還會頻繁壓傷工件。

為此，本文采用自主開發的視覺引導系統，通過算法實現視野中心300mm內缸蓋目標的定位孔位置計算，重復定位誤差能控制在1mm以內。

如圖2所示是本系統布局圖。

①物流車沿著運輸通道將毛坯件運輸至滿料位;

②工業相機拍攝滿料位工件，并識別出工件的位置，然后將位置信息傳到PLC;

③PLC將傳過來的位置信息進行數據運算，再將結果傳至機器人;

④機器人接收PLC傳過來的運算結果，再進行內部補償，完成毛坯件的精準定位，然后抓取，最終完成毛坯件自動上料的整個過程[3]。

2 系統硬件集成與開發

2.1 上料系統集成與開發

如圖3所示是上料系統的俯視圖。

該項目是針對現有人工上料系統的自動化開發，圖中藍色框部分為原有生產線輸送輥道布局，紅色框部分為擬定開發機器人上料系統。因此，根據抓取零件重力、夾具重力、臂長、定位精度、經濟性等綜合因素選擇好機器人信號后，現場的布局設計要依據機器人選型兼容原有的輸送輥道、新增的零件抓取位置和空托盤堆放位置如圖中A和B所示。該系統選擇的是FANUC機器人，它實際上是一個由六個電機驅動的六軸機械臂，通過電機之間的配合，實現在空間上的定位。

如圖4所示是用于抓取缸蓋毛坯件的夾具。當相機識別出特征孔后，機器人會帶動夾具轉到缸蓋的正上方，然后在定位銷導向下，到達抓取位置。

所夾取的缸蓋零件采用8個×5層的堆料方式，中間使用塑料板隔離，為此還有設計塑料板抓取的夾具。

如圖5所示是此次設計的系統抓取空托盤的夾具。夾具主要一塊電磁鐵組成和固定支架組成，但由于托盤材料不含鐵，因此我們要改造托盤，給它加上一塊鐵板。當機器人抓完這一層的工件后，會移動到托盤上方然后旋轉夾具，再移動夾具靠近鐵板并給電磁鐵通電，將托盤吸起來，最后放至空托盤位置，如圖6所示。

2.2 上料系統與AGV集成應用

在進行機器人抓取之前，我們需要通過物流小車將缸蓋毛坯件拉到滿料位，如圖7是物流車運輸空托盤的圖片。

為提高機器人抓取的成功率，需要設計專用的支架保證缸蓋毛坯件運輸過程中的定位精度。如圖8所示分別是叉車上料支架、滿料位支架、空托盤支架。其中叉車上料支架，采用了兩個方向的自由度約束，能保證叉車上料過程中，藍色底托的定位誤差提高到10mm范圍內，支架周邊采用了斜邊導向同時降低了叉車司機的作業難度，保證了一次叉裝到位的合格率。驗證發現AGV小車送料，主要是在AGV前進后退方向上定位誤差較大，因此在滿料位支架上安裝一個方向的約束，降低AGV頂升機構與藍色底托之間存在的隨機定位誤差。空托盤支架定位要求相對較低，設計時主要避開AGV運動時的干涉。

2.3 相機識別

視覺識別功能：料車到達上料位置后，機器人將自動移至要抓取的位置的上方，通過相機拍照識別位置完成抓取;通過工控機，我們可以實時查看相機的拍照識別狀態及機器人夾具抓取感應狀態;通過對工控機和機器人示教器的操作，可以實現對系統的所有監控，可靠、方便[4]。

視覺識別部分包括一個相機和一個光源。除去電源線外，相機上還有網線插孔，通過網線將相機識別到數據傳輸給工控機。

由于使用的是工業相機，相機本身不會自動聚焦，于是我們需要對每個缸蓋都識別一次，從而保證識別的準確度。當毛坯件被運到滿料位后，機器人將會啟動，到達將要抓取的缸蓋的上方進行拍照識別特征，得出毛坯件在相機坐標系中的位置，然后傳到PLC中。

3 系統軟件開發

3.1 通訊模塊

如圖9所示是該系統各個部分之間的通訊原理圖。PLC作為中轉站，不僅需要接收工控機、機器人和物流車傳過來的數據并作相應的處理，同時還要控制相機開關及安裝在機器人上的控制閥，從而完成系統的自動運行。

3.2 機器人與相機間的標定

固定在夾具支架上的相機主要用來獲取托盤上缸蓋毛坯件的圖像。光源采用白色LED光源，為相機采集圖像提供光源，支架主要用來固定相機和光源，其相對于夾具的位置是不變的，但與機器人底座的相對位置是一直變化的[5]。

由于相機坐標系與機器人坐標系是不一樣，比例尺也是不相同的，所以，為了保證相機傳輸過來的數據可以讓機器人直接引用，我們需要通過標定，計算出兩個坐標系坐標數據的比值。

相機標定過程：

①用白紙畫一個帶有刻度的坐標系，然后移動機器人去拍照;

②用看圖軟件打開拍好的圖片，測量對應刻度在圖片中的像素值;

③用（像素值/實際長度）得出兩個坐標系坐標數據的比值。

如圖10所示，該圖是機器人標定相機時需要修改的參數。

參數解釋：

參數1：相機拍照識別到的孔在相機坐標系中的位置;

參數2：計算得出的兩個坐標系坐標數據的比值;

參數3：標定的第一個缸蓋毛坯件在機器人坐標系中的位置;

參數4：相機坐標系與機器人坐標系正方向之間的關系。

3.3 安全模塊

當設備出現故障時，工作人員需要進入防護區域展開故障維修，此時工人進入機器人的工作范圍內會出現碰撞危險，因此我們需要采取相應的安全措施。

將進入生產區域的安全門的打開信號和安裝在防護網上的光幕的信號輸入PLC和FANUC機器人，當光幕信號或者安全門信號被觸發時判定區域內有人員進入，如圖11和圖12分別是安全門及安全光幕的電路圖。

在防護網上安裝急停按鈕，當出現緊急情況時，我們可以通過急停按鈕暫停機器人，避免發生意外傷亡事故。

4 結語

本文基于當前汽車發動機缸蓋生產線的特點，結合智慧物流小車及FANUC六軸機器人的應用，設計了一套從運輸到上料的全自動化系統。針對抓取缸蓋毛坯和隔板兩種不同的場景，我們分別設計了專屬的夾具，并自主開發視覺識別系統，解決了工業機器人因零件擺放的位置誤差大而產生的點對點抓取合格率低等問題。所設計的缸蓋夾具工裝和托盤夾具工裝在其他自動化項目的基礎上進行了升級，不僅降低了設備制造成本，也提高了零件和托盤抓取的合格率。

本文所設計的缸蓋上料系統經過現場一年多的應用，驗證該系統具有較高的穩定性和可靠性，不僅滿足我國當前工業自動化的發展趨勢，而且大幅度降低操作人員工作強度，節約了制造成本，避免了人工上料過程中砸傷風險。該系統的成功應用將進一步提高我國的自動化生產水平，并為發展全自動化產線做好鋪墊。

參考文獻：

[1]冼業榮.自動上料機械手的研究與設計.廣東省機械研究所，廣東廣州.510635.

[2]基于機器視覺的工業機器人抓取技術的研究[D].華中科技大學碩士學位論文，2011，第4～5頁.

[3]工業機器人自動紙箱坯拆垛——上料系統的研發應用——李 欣，河北省機電一體化中試基地，河北石家莊.050081.

[4]閆志明，王家勇.FANUC 機器人在汽車發動機生產線上的應用.沈陽新松機器人自動化公司.