自動上下料機器人的實現及研究

鄭州曠臨智能科技有限公司 李艷 盧國建 邢軍偉 葛玉朝

引言

隨著科學技術的快速發展，使用機器人來代替人類從事日常的生產勞作已是大勢所趨，自動化必將代替人類以往的生產方式。近年來工廠自動化水平在飛速提高，工業機器人應用的領域也越來越多。在工業生產領域，采用機器人來替代人工，完成物料的自動抓取、上料、下料、裝卡、工件移位翻轉、工件轉序加工等一系列上下料工作任務，從而極大地節約了人工成本，提高了生產效率。

在信息化與工業技術不斷融合的背景下，智能化生產也在飛速發展，其中以機器人為核心代表的智能化產業，已經成為一個國家現代化程度的重要標準。發達國家的工業機器人自動化水平已經處于世界前列，而我國工業機器人在制造業領域的應用還有待提高，其中功能單一化、智能化程度不高、操作復雜等是現階段我國工業機器人的重要缺陷，由此導致我國生產線自動化水平比較低，根據有關研究顯示，現代工業生產線仍然依靠人工進行取料操作，而一般的生產線環境較惡劣，噪聲較大，上下料人員需要不停歇地單一進行上下料操作，不僅勞動強度大、易疲勞，而且生產效率低下。根據這種實際情況非常需要一種能夠代替人工進行自動上下料操作的機器，而本文自主設計的基于PLC 和視覺識別系統的自動上下料機器人不僅可以按照生產需求對工件進行準確的抓取，完成上下料操作，而且可以對加工對象進行檢測。

如圖1 所示，自動上下料機器人系統主要由機器人的控制系統、視覺識別系統、電氣控制系統和機械部分組成，包括機器人、攝像頭、工控機、操作控制臺和工作臺?？刂葡到y主要是根據設定的程序驅動機械臂完成氣門取料、放料動作。視覺識別系統主要是根據攝像頭拍攝的照片，依據算法分析照片上氣門的位置坐標，然后將位置坐標信息發送給機器人的控制中心。電氣控制系統主要負責給其他設備供電，調度機器人、視覺識別系統和人機交互顯示等。由視覺系統識別，將坐標信息傳遞給控制系統，控制機械部分進行實現上下料操作。機器人的改進和研究有助于提高工業生產力水平，那么本文將主要介紹自動上下料機器人的組成以及如何實現自動上下料的操作。促進上下料機器人的廣泛應用，可以滿足工業上快速、大批量的生產節奏，達到節約人力資源成本、提高生產效率的目的[1]。

圖1 自動上下料機器人

1 電氣控制系統

機械手臂由機械部分和控制部分組成，機器人的機械手臂可以由控制部分完成對氣門零件的取料、放料動作。機器人的控制器是基于PLC 進行開發設計的，由于本文所設計的自動上下料機械臂的動作過程相對簡單，系統的控制流程也相對簡單，因而控制器選用PLC 作為主控單元，其可靠性高、抗干擾能力強；PLC發展至今，已經具有各種規模的系列化產品，因而PLC的功能比較完善，配套齊全。

在整個上料的過程中，工人將裝滿氣門的料盤放置在工作臺上，控制器控制機械臂從料盤中夾取氣門，送到傳送帶上完成一個工序，異步電機的轉動、視覺識別系統的位置信息傳輸抓取都需要精準地接收控制器的指令信號；同時，料盤是否旋轉到位、氣門是否正確擺放、視覺識別系統是否可以正常獲取氣門的位置姿態信息等也是控制器需要準確獲知的信息，只有這樣，才能保證整個自動化流程順利進行。

2 視覺識別系統

為了讓機器人準確快速地抓取物體，如圖2 所示，可將攝像頭和光源固定在機器的上方，這種固定方式可以使成像設備更好地感知料盤上的物料信息，視覺檢測階段獲得物料的類別和目標物在像素坐標系下的位置。如圖3 所示，視覺定位需要標定相機和標定手眼，前者是為了消除相機本身存在的誤差，后者則是為了將相繼獲得的在像素坐標系下的平面二維坐標轉到機器人極坐標系下的三維坐標，這樣才能助力機器人順利完成抓取任務。視覺定位是機器人抓取的前提，并且定位的精度將直接影響機械臂抓取物體的準確率。

圖2 光源和攝像頭

圖3 氣門識別定位

要完成對零件的抓取工作，機器人的運動控制單元也是必不可少的。首先機器人處于初始位姿狀態，在經過視覺檢測和視覺定位，獲得目標物體的位置信息后，機械臂開始移動。在運動到目標物體的上方后立即張開機械手，然后下降到指定位置抓取物體。如果抓取成功，則要繼續完成提升物體的任務。如果機器人不能到達指定的位置，機械手在抓取零件過程中出現不能抓取或掉落的情況，則判定為抓取失敗。

自動上下料機器人的視覺識別軟件在電腦開機后將自動啟動，若沒有啟動，可以雙擊視覺軟件手動打開。軟件分為菜單欄、操作界面兩大模塊，菜單欄主要是實現用戶登錄的功能，輸入用戶名和密碼，點擊登錄即可進入操作界面，單擊退出按鈕，退出登錄頁面，就無法再進行其他的操作。操作界面模塊主要實現產品類型、產品得分、距邊緣像素距離、拍照、機器人ip 地址、相機、機器人連接狀態顯示等幾方面的功能[2]。

3 人機交互系統

自動上下料機器人的人機交互系統主要包括主控界面、IO 檢測。主控界面主要包括運行參數設置與監控、系統運行狀態監控、數據設定、機器人手動移動控制、氣門上料數目統計和圖像識別。

在人機交互界面可以對系統運作的相關參數進行設定，如運行速度、視覺補償值、物料種類、掉件測試、物料高度等。輸入正確的參數，點擊寫入按鈕，參數就會被寫入到系統中，控制系統則按該參數執行。

人機交互界面也對當前系統出現的問題進行報警提醒，報警界面會出現報警提示。視覺通訊故障：（1）視覺軟件通訊超時、出錯或退出，點擊復位按鈕無效后重啟視覺軟件或系統重新上電；（2）機器人控制器與工控機網線連接斷開，檢查網線連接情況。

4 機械系統

如圖4 所示，機械部分主要是工作臺和氣路部分，工作臺由0.55KW 三相異步電機驅動蝸輪蝸桿使工作臺旋轉。工作臺可放置4 個料框，如圖5 所示，工作臺下裝有工位檢測傳感器，控制工作臺每次旋轉一個工位。

圖4 工作臺

圖5 工位檢測傳感器安裝位置圖

料盤放置在工作臺上的支撐塊上，料框必須水平放置，防止與機器人抓取物料時發生碰撞。當異步電機驅動蝸輪蝸桿帶動工作臺旋轉時，工位檢測傳感器感應到信號后延時停止旋轉，視覺系統獲取物料的位置姿態信息，將姿態信息傳輸到控制器，控制器控制機械臂抓取物料。

5 上下料過程

人工將物料氣門放置在料框上，步進電機驅動工作臺上的料盤進行旋轉運動，機器視覺系統的光源照射到料盤上，工業相機對料盤拍照，通過視覺算法識別、計算和確定氣門的直徑大小和中心位置，將氣門中心坐標的數據傳輸到機器人的控制器，由機器人控制器控制機械臂到指定位置，采用真空吸盤抓取指定位置的氣門，然后移動到物料傳輸帶的放料點放料，完成一個上下料操作，循環往復即可代替人工進行上下料操作。

6 總結

與傳統的人工上下料相比，自動上下料機器人有著極大的優勢，能夠在程序的控制下實現精準的上下料作業，自動化程度高[3]，提升了工作效率，可以較為精準地控制生產節拍，避免因為人的因素而造成對生產節拍的影響。上下料機器人自動化生產線，減少了中間環節，避免零件的質量因轉運環節造成損傷。對于不同零件的上下料操作，可以通過更換手爪夾具和視覺識別系統程序，迅速改變生產的工藝，調整速度快，免去了工人對新零件的培訓和適應過程，節省了大量的時間，提高了生產效率。

另一方面，機械加工過程中，采用自動上下料機器人可以有效避免工人在生產過程中受到傷害。我國工業機器人廣泛應用于各個領域，極大地減少了對工人的依賴程度，但是與西方發達國家相比，在人才、技術、創新上還都有很大的差距，因此還需加大對機器人的研究力度，提高機器人的創新性與實用性[4]。