基于PLC和智能相機的機器人關節自動裝配系統設計

顧宇峰，王 杰，李友節，劉 凱，曹 寧

（1.江蘇聯合職業技術學院蘇州工業園區分院，江蘇蘇州 215123；2.江蘇匯博機器人技術股份有限公司，江蘇蘇州 215000）

0 引言

隨著人力成本的增加，機器人的應用越來越廣泛。引入智能工業機器人、智能2D和3D相機等智能設備，加速工廠自動化程度的提升是必然的選擇。通過對國內外自動化生產線進行研究，發現裝配任務是工廠自動化生產線必不可少的一個環節[1]，現階段如果采用人工進行裝配，費時費力，而且合格品和次品混雜，容易產生誤裝配和廢品。而難度更高的就是使用工業機器人對工業機器人本體進行裝配，通過閱讀國內外相關文獻，主要集中在裝配特定的產品或者是理論研究層面，工業機器人裝配工業機器人本體關節非常具有理論和實踐的研究價值，故采用理論和實踐研究相結合的方法，研制關節自動裝配系統，為工業機器人本體自動化裝配設備研制提供借鑒。

為了有效提升裝配效率，設計了一種基于PLC和智能相機的機器人關節自動裝配系統，該系統能自動裝配合格工件，處理缺陷工件。在自動化生產線上使用智能相機、PLC、工業機器人等智能化設備能極大提升勞動效率。搭載智能相機，能夠有效地識別工件類型和顏色，數據通過以太網通訊技術傳送到PLC中進行數據處理，PLC再將數據傳送到工業機器人，工業機器人根據數據進行工件的自動裝配。

本文將從工作原理、系統硬件設計、系統軟件設計、測試驗證與結果分析等方面詳細介紹機器人關節4個工件的組成，13種類型的分類和4種顏色的處理；托盤流水線、裝配流水線等硬件構成；關鍵部件視覺識別系統、PLC、工業機器人；視覺編程軟件In-Sight Explorer 6.1.0的使用，完成工件的圖案定位和顏色識別，相機與西門子1200 PLC之間的Profinet通信等；PLC博圖軟件的相機通信數據地址和對顏色數據的處理；工業機器人編程的基本思路；最后介紹了設備測試的結果和分析。

1工 作原理

1.1裝配對象說明

機器人關節由4個工（部）件組成，分別是關節底座、電機、諧波減速器和輸出法蘭[2]。關節底座、電機、諧波減速器和輸出法蘭有8種類型，諧波減速器和輸出法蘭存在次品[3]。各工（部）件類型如圖1所示，顏色分為黑、紅、黃、藍4種。次品類型如圖2所示，顏色分為黑、紅、黃、藍4種。

圖1 合格工件類型

圖2 次品工件類型

1.2 功能說明

放置有單個關節工件的托盤從工位G6放入，入口光電傳感器檢測到托盤后，托盤流水線開始運行，托盤在智能相機拍照工位G4處停止，智能2D視覺相機對放置在單個托盤中的工件進行拍照，拍照識別結束，托盤流水線繼續運行，在機器人抓取工位G1處停止，如果識別到的工件類型是關節底座，機器人會使用手抓工具，否則會使用吸盤工具，接著工業機器人在工位G1處拾取工件，然后將工件搬運到裝配流水線工位G8處定位，當裝配工位有4個不同關節部件后，機器人就會進行關節裝配，裝配成功后放置成品庫工位G7。備件庫主要是用來放置相同類型的關節部件或次品，托盤流水線和裝配流水線工位分步如圖3所示。

圖3 托盤和裝配流水線工位分布

2系 統硬件設計

系統硬件部分主要有機械部分和電氣部分[4]。機械部分主要由托盤流水線、裝配流水線構成。托盤流水線選用三相220 V、采用變頻器驅動齒輪電機，齒輪傳動比1∶300，托盤流水線上安裝有入口光電開關、拍照工位光電開關以及抓取工位光電開關，阻擋氣缸等部件，如圖4所示。裝配流水線由步進電機進行驅動運行，由成品庫、裝配工位、備件庫組成，如圖5所示。電氣部分主要由電氣主控柜、機器人控制柜組成[5]。關鍵部件包括視覺識別系統、PLC、工業機器人。視覺識別系統包括康耐視IS2000C相機、可控背光源、鏡頭等硬件組成，如圖6所示。PLC采用西門子1200PLC，CPU為1215DC/DC/DC，拓展模塊為SM1223。工業機器人為HB20-1700-C10機器人。機器人控制系統硬件采用KEBA控制器，有控制器模塊（CP 252/X）、數字輸入輸出模塊（DM272）、驅動器通信模塊（FX271/A）、擴展I/O模塊、CF卡[6]。工業機器人電控系統包含伺服系統、控制系統、主控制部分、變壓器、示教系統與動力通信電纜等[7]。

圖4 托盤流水線

圖5 裝配流水線

圖6 相機和背頭光源

3 系統軟件設計

3.1 相機軟件

采用視覺編程軟件In-Sight Explorer 6.1.0或更高版本，進行相機配置[8]。在視覺編程軟件上進行設置和程序，完成圖像的標定、樣本學習任務。要求如下：對圖像進行標定，實現相機中出現的尺寸和實際的物理尺寸一致；對托盤內的單一工件進行拍照，利用視覺工具，編寫相機視覺程序對工件進行學習，獲取該工件的外觀顏色信息；對托盤內的單一工件進行拍照，獲取該工件的形狀和位置、角度偏差，利用視覺工具，編寫相機視覺程序對工件進行學習[9]。規定相機鏡頭中心為位置零點，智能相機學習的工件角度為零度；編寫12種工件及缺陷件識別程序，規定每個工件地址空間的第1個信息為工件位置X坐標，第2個信息為工件位置Y坐標，第3個信息為角度偏差。測試要求如下：依次手動將擺放有1-12號工件以及缺陷工件的托盤（每一個托盤放置1個工件）放置于拍照區域，在Insight Explorer軟件中能夠得到和正確顯示12種工件及2種缺陷件的位置、角度數據。

物體形狀及坐標識別，需要打開背光源，采用圖案定位工具來識別物體[10]，在相機下方放置需要識別的物體，在放置物體時盡量將物體放正，調整外部搜索框和內部模型框的大小，根據實際情況，更改名稱、旋轉公差、部件查找范圍、模型區域等，如圖7所示。參考以上方法，添加工具并學習其他工件，調整合適的“部件查找范圍”值。配合使用“斑點計數工具”識別孔的數量，來區分減速器和法蘭。

圖7 圖案定位

物體顏色識別，需要關閉背光源，以識別紅色工件為例，采用檢查部件-顏色像素計數，調整識別框的大小，然后訓練顏色[11]。如圖8所示。

圖8 顏色識別

相機與西門子1200PLC通訊主要采用Profinet通信，在“應用程序步驟”區、點擊“通信”“添加設備”；“設備設置”中，“設備”選擇“PLC/Motion控制器”，“制造商”選擇“Siemens”，“協議”選擇“PROFINET”，點擊“確定”；選擇添加需要傳送的數據，本文選擇工件的

位置坐標、角度和顏色識別結果。首先添加工件的X坐標，點開“底座”，選中“底座.定位器.X”，點擊“確定”，數據類型為“32位浮點型”，勾選“高字節/低字節”和“高字/低字”交互數據的高低字或者字節見圖9；按照上述方法添加工件的Y坐標與角度；添加工件顏色識別結果。點擊“添加”，選擇“紅色”，選中“紅色.通過”，點擊“確定”，設置顏色結果數據類型為“16位整數”。

圖9 工件的X坐標

3.2 PLC軟件

采用博圖V15以上版本進行PLC軟件設計，設置相機通信數據地址，設備視圖下，根據地址配置需要設置通信地址，Q10.0相機準備，Q10.1拍照觸發采集狀態，I10.0準備完成，I10.1拍照完成，I10.7相機聯機模式，結果250個字節IB100，…，IB353，從IB104開始采集數據。如圖10所示。

圖10 相機通信數據地址

PLC對相機傳過來的顏色數據處理如圖11所示。

圖11 PLC對顏色數據的處理

3.3 工業機器人編程

工業機器人采用模塊的編程方法，建立主程序MAIN，抓取工件子程序，放置工件子程序，裝配工件子程序等，抓取托盤子程序，放置托盤子程序，點位示教子程序，通過KEBA示教器輸入的方式或通過KeMotion3仿真軟件編程然后導入示教器的方式完成，再通過工業機器人示教相關點位，最終與PLC通訊完成關節部件裝配工作[12]。

4 測試驗證與結果分析

4.1 手動測試

首先進行相機測試，人工先將托盤放置到拍照工位G4處，將12種類型的工件依次放置于托盤中，打開背頭光源，手動進行拍照觸發，觀測12中類型工件是否能正確區分出來。然后關閉背光源，再次手動進行拍照觸發，觀測4種顏色是否能正確區分出來。經過多次檢測發現紅色關節底座-1和紅色關節底座-2類型識別會出錯，主要原因是這兩種工件類型太相似造成，經過在視覺軟件中增加圖案定位工具和特征分析，從而提升了識別率[13]。

手動測試托盤流水線。手動點擊觸摸屏按鈕，控制倍速鏈正反向運動、停止運動。手動點擊觸摸屏按鈕，控制各工位氣檔升降。手動將托盤放置到托盤流水線入口處，入口光電開關檢測到信號，倍速鏈啟動正轉；當拍照工位光電開關檢測到托盤，拍照工位氣擋升起，延時3 s拍照工位氣擋下降；當抓取工位光電開關檢測到托盤，抓取工位氣擋升起，延時3 s后倍速鏈停止運行。

手動測試裝配流水線。通過觸摸屏控制裝配流水線，實現尋原點操作運行及狀態顯示。通過觸摸屏控制裝配流水線，分別運行到G7、G8、G9工位，并顯示相應運行數據。

手動測試工業機器人運行。設定手爪1雙吸盤的工具坐標系，設定手爪2三爪卡盤的工具坐標系，通過工業機器人示教器示教、編程和再現，能夠實現依次將4種工件從托盤流水線工位G1的托盤中心位置，搬運到裝配流水線G7、G8、G9指定的位置中。

4.2 自動測試

將PLC主控柜和機器人控制柜和機器人示教器打在聯機狀態，點擊觸摸屏上的自動運行按鈕，進行測試，經過100次檢測，相機識別元件類型和顏色誤差為0，在相機拍照工位對托盤上的工件進行識別，把識別結果傳輸給主控PLC。主控PLC經過處理，傳輸視覺識別的數據給工業機器人，工業機器人根據PLC傳輸的數據，在工位G1抓取識別后托盤上的工件。抓取合格工件后，放置于裝配作業流水線的裝配工位G8的任意位置，并控制氣缸對合格工件進行二次定位。抓取缺陷工件后，放置于裝配作業流水線的備件庫G9的配套位置。托盤為空時，工業機器人把空托盤放入空托盤收集處。系統運行較為穩定。

4.3 結果分析

測試時出現了工業機器人用吸盤工具吸取工件時有誤差，沒吸到的情況，經過調整PLC編程軟件內工件高度參數，得到解決，為了更好地吸取轉配后的關節，在工業機器人安裝輸出法蘭時，需要將輸出法蘭安裝后，再逆時針旋轉90°，這樣裝配才能更加穩定[14]。

5 結束語

基于PLC和智能相機的機器人關節自動裝配系統，采用康耐視智能2D相機、西門子PLC、匯博工業機器人能夠非常便捷的完成對機器人關節裝配，解決了人工裝配關節元件費時費力的問題[15]。

該系統利用視覺相機和軟件對4個工件的13類型和顏色進行識別，通過以太網通訊技術將數據傳送到西門子PLC中，PLC對工件類型、顏色數據進行處理并發送給工業機器人，工業機器人采用模塊化編程的方式完成了工件裝配任務[16]。在實際編程和調試時要注意根據元件的類型添置圖案定位工具來將視覺特征進行區分，以更好地提升元件類型識別率。在PLC編程時一定要對4個元件的物理高度有測量，有計算，有數字存儲，才能精準地抓取或吸取到工件。

經過方案制定、系統安裝、編程、調試，證明該系統具備了機器人關節自動裝配功能，運行穩定，具有安全性，此方案采用智能2D相機進行視覺識別，需要工件放置放正。對于凌亂的工件，則需要借助智能3D相機進行識別、可以繼續開展研究、進行設計。