基于PLC和機器視覺的藥瓶包裝系統設計*

王 琰，高麗華

（南京科技職業學院電氣與控制工程學院，南京 210048）

0 引言

在“中國制造”向“中國智造”轉變的背景下，推動智能制造、提高企業產線的智能化水平已是大勢所趨。PLC、機器視覺及工業機器人等核心技術已成為先進制造業中不可替代的重要裝備[1-3]。

隨著智能制造在包裝工程領域的應用，藥瓶灌裝包裝生產線智能化已經達到了一定的水平，如孟靜靜等[4]融合工業機器人與PLC技術實現生產線智能包裝，并通過觸摸屏實現上位機監視與控制。馬曉燕等[5-6]提出一種基于機器視覺的末端執行器定位方法，提高包裝搬運機器人的定位精度。陳偉卓等[7-8]采用工業機器人并結合RFID（無線射頻識別）技術完成藥瓶包裝貼標和信息寫入，實現藥品的可追溯性。在已有研究中，搬運包裝貼標部分標簽存放位置固定且需要人工擺放，通過機器人程序中的位置偏移獲取標簽位置信息，不利于機器人對標簽的高精度、智能化抓取，且對于PLC、機器視覺和工業機器人三者之間的編程研究還不夠深入。

在已有的研究基礎上，本文作者針對藥瓶灌裝生產線的包裝單元，以PLC為控制核心，通過控制標簽臺的震動自動提供包裝標簽，標簽無需人工固定擺放。引入機器視覺技術實時檢測包裝標簽信息并與工業機器人通訊，工業機器人在PLC的控制下更高精度地實現藥瓶的智能化包裝，通過實驗調試來驗證該系統的有效性，取得了較好的實驗效果。

1 硬件系統構建

1.1 系統硬件組成

藥瓶包裝控制系統主要包含機器人搬運、視覺檢測以及PLC控制三大模塊，系統硬件布局如圖1所示。機器人搬運模塊用于執行藥瓶包裝動作，由ABBIRB120六軸機器人、IRC5控制器、機器人末端執行器、包裝臺升降機構、藥瓶檢測及輸送機構組成。視覺檢測模塊用于識別包裝標簽信息，由標簽振動臺、相機及鏡頭、環形光源、視覺控制器組成。PLC控制模塊是系統的核心，以匯川H2U-3232MTPLC為主控單元，控制機器人和其他元器件有序工作。PLC與ABB機器人D652板卡進行點位數據交互，控制機器人末端執行器完成智能包裝過程。工業機器人、機器視覺以及計算機之間通過工業以太網交換機實現連接，并將三者IP地址設置在同一網關下。

圖1 系統設備布局

1.2 系統工作流程

藥瓶包裝控制系統工作流程如圖2所示。藥瓶瓶蓋顏色檢測后送入輸送帶末端，等待機器人搬運。PLC控制包裝臺升降機構準備好包裝盒和包裝蓋，控制機器人按“裝瓶—加蓋—貼標”順序執行包裝動作。機器人首先從輸送帶末端抓取藥瓶，依次放入包裝盒的4個工位中。接著從包裝臺的盒蓋升降機構上吸取盒蓋，蓋在包裝盒上。最后完成貼標簽動作，機器人接收來自視覺發送的數據，若數據正常則從標簽振動臺上吸取藍色和白色標簽并貼放在盒蓋的對應位置上，標簽顏色與盒內瓶蓋對應位置的顏色一致，貼完4個標簽即完成一次包裝任務。若數據異常則向PLC反饋，PLC控制標簽振動臺震動將標簽重新震落和震散，供視覺系統重新識別。

圖2 藥瓶包裝控制系統工作流程

2 機器視覺處理

選用邁科誠工業視覺系統識別標簽信息，該系統主要由MK800視覺控制器、24 V環形光源及控制器、300萬像素相機及鏡頭等構成。機器視覺處理流程如圖3所示。首先以當前相機采集到的標簽圖像作為圖像源，設定標簽振動臺為搜索區域，選取環形學習區域和輪廓匹配模式，設定藍色和白色標簽目標輸出數量均為2，進行目標識別。然后對識別到的目標輪廓進行視覺標定，得到標簽在機器人坐標系下的坐標。設置坐標數據輸出格式為3位整數位和2位小數位，并以兩藍兩白坐標順序完成數據合并。最后添加網口通訊功能模塊連接機器人，最終發送數據到工業機器人。

圖3 機器視覺處理流程

2.1 圖像匹配檢測原理

因待檢測標簽均為規則的圓形，采用輪廓匹配模式。輪廓匹配的原理是利用輪廓的旋轉、縮放和平移的不變性特征來判斷輪廓之間的相似度[9-11]。利用Hu矩方法對環形目標輪廓進行輪廓匹配，首先計算樣本輪廓M的Hu矩，然后分別計算分割后圖像中所有輪廓（m1，m2，…，mn）的Hu矩，并且與樣本輪廓M的Hu矩進行比較，得到匹配系數?n，式（1）中：和分別為M和m n的7個Hu矩，匹配系數?n(M,m n)越小，輪廓相似度越高。在噪聲和背景條件要求不高的應用中，當匹配系數小于給定閾值時，匹配得到目標輪廓。

2.2 標定轉換

標定轉換即手眼標定，在視覺中起著至關重要的作用，其目的是求取機器人與相機之間的變換矩陣，將視覺識別的結果轉換到機器人坐標系下，從而實現準確吸取[12-13]。采用與標簽臺尺寸相同的自制標定板，相機識別出標定板左上、左下、右上、右下4個圓點位置，得到相機坐標系下4個點的坐標（u，v），然后將工業機器人末端工具依次移動到這4個位置，得到機器人坐標系下4個點的坐標（X w，Y w）。根據針孔成像模型，構建反映機器人坐標系與相機坐標系之間轉換關系的超定方程：

由于待吸取的標簽均位于同一平面，所以設定圓心坐標Zw=0，基于最小二乘法原理計算得到式（2）的變換矩陣M-1：

M-1即標簽的相機坐標與機器人坐標的轉換關系，將式（3）代入方程（2）可得到被檢標簽在機器人坐標系下的坐標，從而實現機器人的準確吸取。

2.3 網口通訊

添加網口通訊，連接機器人IP192.168.0.120和端口8000。通過視覺內部的PLC程序調用通訊模塊，主要功能為執行“讀取M”命令，接收機器人發送的觸發拍照信號M，啟動視覺處理流程。若拍照正常，執行“拍照OK”命令，發送給機器人兩藍兩白標簽坐標；若拍照失敗，即沒有識別到兩藍兩白標簽，執行“拍照NG”命令，發送給機器人NG信號，網口通訊命令格式如表1所示。按照圖3視覺處理流程檢測出兩藍兩白標簽如圖4所示。

表1 網口通訊命令格式

圖4 檢測出兩藍兩白標簽

3 機器人示教

3.1 機器人工具坐標

采用多功能工業機器人末端夾具，如圖5所示。其中，選用手爪工具抓取瓶子，選用吸盤工具吸取標簽和搬運包裝盒蓋。吸盤工具與手爪工具夾角為0°，吸盤工具可滿足同時吸取兩個標簽。為提高機器人吸取標簽的精度，創建工具坐標tool1和tool2，采用四點法標定，手動操縱機器人使當前TCP點以4種不同姿態與固定尖銳的定點相碰，修改相應位置，獲取當前TCP點(tool1、tool2)相對機器人法蘭盤中心點（tool0）的X、Y、Z方向的偏移量，得到tool1和tool2工具坐標數據為：

圖5 工業機器人多功能末端夾具

機器人在tool1和tool2工具坐標下使用吸盤工具依次完成兩個標簽的吸取，在默認的tool0工具坐標下使用手爪工具完成瓶搬運、使用吸盤工具完成蓋搬運和放標簽動作。

3.2 位置示教

利用示教器使機器人末端夾具到達預期位置并記錄位置數據，采用坐標偏移法獲取相近坐標位置，減少機器人示教位置提高機器人的位置精度[14]。機器人完成“裝瓶—加蓋—貼標”動作共需6個工位，如圖6（a）所示。分別是G1取瓶，G2放瓶，G3取盒蓋，G4放盒蓋，G5取標簽，G6貼標簽。

機器人軌跡如圖6（b）所示，在瓶搬運軌跡中，需示教原點pHome、過渡點pQ1和pQ2、取瓶點pPickQ以及放瓶偏移基礎點pPlaceBaseQ。pPlaceQ代表4個放瓶位置，通過pPlaceBaseQ位置偏移所得。在盒蓋搬運軌跡中，需示教過渡點pQ3、取盒蓋點pPickLid和蓋盒蓋點pCoverLid。在標簽搬運軌跡中，需示教過渡點pQ4以及2個貼標簽位pPaste1和pPaste2。取標簽點位pBule和pWhite通過讀取視覺檢測數據獲得，標簽1和標簽2代表讀取的藍色或白色標簽坐標，標簽顏色由PLC和機器人控制程序確定。機器人軌跡圖中所有的安全點均為位置偏移所得。

圖6 機器人工位及軌跡示意圖

4 軟件程序設計

4.1 PLC與機器人通訊程序

將ABB機器人D652板卡與匯川H2U-3232MT PLC點對點連接通信，I/O地址分配如表2所示。

表2 PLC與機器人I/O地址分配表

按照“裝瓶—加蓋—貼標”包裝動作順序設計PLC和機器人通訊程序，當滿足動作條件時，PLC將相應的輸出信號置1，向機器人發送動作啟動信號。當機器人執行完動作后，向PLC反饋動作執行情況，也將相應的輸出信號置1。PLC收到動作完成信號后，進行數據處理或向機器人發送下一個動作啟動信號。在簽搬運環節，PLC需根據瓶蓋顏色向機器人發送標簽顏色信息，機器人根據標簽顏色信息讀取視覺系統發送的數據，機器人每吸取一個標簽或放一次標簽就向PLC反饋一次，PLC收到一次反饋信號就發送一次標簽顏色信息。機器人每吸取滿2個標簽后執行一次放標簽動作，執行2次放標簽動作即貼完了4個標簽后，機器人回原點。PLC與機器人通訊及程序流程如圖7所示。

圖7 PLC與機器人通訊程序流程

4.2 機器人與視覺通訊程序

ABB機器人通過Socket通信與視覺系統發送和接收數據[15]，根據表1命令格式，視覺以字符串的格式發送給機器人數據并以“|”號間隔開。如識別到兩藍兩白標簽，視覺發送的命令格式為“OK|”&{兩藍兩白標簽坐標}，其中“OK|”長度為3，{兩藍兩白標簽坐標}共8個坐標數據，每個數據長度為6，格式為3位整數位+1個小數點+2位小數位，利用ABB機器人的StrPart、StrFind指令循環提取獲得。機器人與視覺系統通訊程序流程如圖8所示。

圖8 機器人與視覺系統通訊程序流程

首先創建套接字，與視覺建立連接。發送字符“M”給視覺，通過視覺網口通訊模塊觸發視覺處理流程。機器人將接收到的數據存入字符串變量result中，判斷re?sult的前2位字符是否為“OK”，如果是，開始循環提取坐標數據。使用StrFind指令從result的第startbit位字符開始查找間隔符“|”，將其位數存入endbit中，然后使用StrPart指令提取result中從第startbit位開始的6個字符存入data{i}數組中。因標簽坐標數據從result的第4位開始，故第一次提取時startbit初始為4，endbit為10。按此方法循環8次，依次提取到兩藍兩白標簽的8個坐標數據后，關閉套接字。如果result的前2位字符不是“OK”，機器人將異常信息反饋給PLC，PLC控制振動臺震動重新提供標簽，機器人收到PLC發送的允許再次拍照信號后，將重新觸發視覺開始檢測。

5 系統調試結果

為驗證藥瓶包裝控制系統功能，在實驗設備上對系統軟硬件進行調試。經多次調試和優化，PLC控制系統穩定運行，視覺處理系統能實時準確檢測出兩藍兩白4個標簽且與機器人成功通訊，機器人能按照預定動作順序準確執行藥瓶的包裝，如圖9所示。

圖9 機器人包裝過程

6 結束語

文中融合PLC技術、機器視覺以及工業機器人設計并實現了一種藥瓶包裝智能控制系統。詳細介紹了系統硬件結構、機器視覺處理流程、機器人示教、模塊間通訊及程序設計方法等。設備調試結果表明，各模塊通訊正常，在PLC控制下，機器人實現了對藥瓶的“裝瓶-加蓋-貼標”包裝過程，系統運行穩定。該藥瓶包裝控制系統滿足實際生產包裝要求，對實現智能化藥瓶包裝具有一定的實用價值。