面向工程機械領域的視覺引導重載桁架智能分揀控制系統

馬迎召, 邱永峰,*, 鄭 祎, 彭 康, 吳亞輝, 路 輝

(1.湖南天橋嘉成智能科技有限公司, 湖南 株洲 412007; 2.貴陽鋁鎂設計研究院有限公司, 貴州 貴陽 550081)

0 引言

近年來,隨著自動化、信息化、數字化技術在有色冶煉、鋼鐵冶金和工程機械等行業中的不斷發展和廣泛應用,智能制造逐漸成為一種趨勢[1-3]。在制造業的物流輸送環節中[4-5],分揀是一個熱門話題,關于分揀機器人、桁架機器人和相關算法的研究眾多[6-7]。在工程機械領域,對于切割后的鋼板零件分揀,傳統的人工分揀效率低且勞動強度大。通用工業機器人的臂展、載荷有限,一般僅用于小零件的分揀,對于一些超大件已不適用。重載桁架為龍門式結構[8],可根據最大零件設計有效行程和最大載荷,還可根據分揀工位的實際情況靈活配置各種類型的抓手。

基于鋼板零件智能分揀的工業項目需求,結合機器視覺輔助技術[9-10],本文設計并研制了面向工程機械領域的視覺引導重載桁架智能分揀控制系統,該控制系統有助于打通工程機械智能制造全流程中的信息孤島,實現從原材料入庫到整車裝配全過程的智能化生產管理。

1 系統設計

本文設計的重載桁架智能分揀控制系統包括視覺系統和桁架控制系統。視覺系統由工業相機及光源、視覺軟件及工控機組成;桁架控制系統由伺服驅動單元、抓手控制單元、主控制器組成,其中抓手控制單元采用矩陣式電永磁結構。整體的控制邏輯如下:車間中控服務器是桁架智能分揀控制系統的上級控制源,將鋼板切割零件的排圖解析數據發送給視覺系統,同時接收視覺系統的反饋信息,并實時采集桁架系統的多種數據,如設備運行狀態、報警參數等。視覺系統向桁架控制器發送執行任務數據,包括拍照點坐標、抓取點坐標、聯動模式、磁吸點配置、放置點坐標等,桁架控制器根據控制邏輯依次執行單個零件的分揀任務,任務完成后向視覺系統反饋信息,其中安全防護檢測模塊為桁架運行提供實時保護檢測。

1.1 硬件設計

如圖1所示,為本文研制的重載桁架智能分揀控制系統硬件結構拓撲圖。其中主控制器采用西門子S7-1515系列PLC;桁架驅動機構包括X軸、Y軸、Z軸和R軸,考慮到跨距較大,其中X軸采用雙側電機驅動方式,因此單抓手共計5套伺服軸,整套系統需10套伺服軸。抓手為點陣式布局結構,由52組電永磁塊組成,通過電永磁控制器配合中間繼電器,可由PLC通過IO模塊選通任意通道組合充退磁,具有吸力強、安全可靠、操作方便等優點。相機采用Basler 2D工業相機,像素可達500萬Pixel,鏡頭采用Computar工業級鏡頭,具有低畸變特性,可根據相機高度調整焦距。

圖1 基于機器視覺的雙抓手桁架控制拓撲圖

1.2 軟件設計

如圖2所示,為重載桁架智能分揀控制系統執行單次分揀任務的控制流程圖。視覺系統將單個零件分揀任務發送給桁架控制器,桁架控制器依次執行抓放零件任務,單次任務完成后向視覺系統反饋,視覺系統判斷整板上的零件是否全部完成分揀,然后向上位機反饋信息并等待新的任務。

圖2 智能分揀系統控制流程圖

上位機向視覺下發分揀任務,分揀任務數據被直接解析為套料圖,如圖3所示。該套料圖將數據圖形化,使界面簡潔直觀,且包含了整張鋼板切割后的零件信息,最終以文件形式存儲于視覺工控機硬盤中。

圖3 鋼板零件套料圖

桁架PLC控制器為每只抓手定義單獨的數據存儲區DB1和DB2,視覺系統分別向DB1和DB2中發送任務數據。相機安裝在桁架抓手上隨動,桁架抓手運動到拍照點并觸發相機拍照。因零件較大,相機無法對所有零件進行整體拍照,而是選取特征點拍照(如零件的邊角處),經兩次拍照對比后,視覺計算出抓取點坐標及磁吸點配置。

單個抓手采用52個小磁柱組成了矩陣式磁吸抓手,單個磁柱可用1bit來表示,當單個bit為1時表示磁柱充磁、為0時表示退磁。視覺系統按零件尺寸預先定義了中大件、超大件。當零件為中大件時,發單獨作業標志給桁架系統,桁架執行獨立分揀任務,抓手磁吸配置效果如圖4所示。

圖4 單抓手磁吸配置(藍色為充磁)

當零件為超大件時,視覺系統將發出聯抬作業標志給桁架系統,桁架雙抓手配合作業,抓手磁吸配置效果如圖5所示。

圖5 雙抓手磁吸配置(藍色為充磁)

分揀任務的執行流程如下:

Step1:桁架系統進行狀態自診斷,設備就緒后向視覺系統寫命令編號1;

Step2:視覺系統收到命令編號1后發送拍照點坐標;

Step3:桁架系統控制抓手運動至拍照點,相機觸發2兩次拍照;

Step4:視覺系統計算抓取點坐標和磁吸配置,發送給桁架控制器;

Step5:通過防干涉判斷后,桁架系統按視覺引導執行抓取、放件動作;

Step6:抓放任務完成后,桁架系統向視覺系統寫命令編號3,否則寫4,放棄當前任務,然后桁架系統回到零點,等待下個任務。

桁架系統HMI界面如圖6所示,該界面展示了自動模式下桁架系統各軸實時位置、視覺引導下的各軸目標坐標、命令編號和磁吸配置等參數,其他未展示界面還包括手動操作界面、基準參數標定界面、異常處理界面等。

圖6 桁架控制HMI自動參數界面

2 系統測試驗證

重載桁架智能分揀控制系統的實物圖如圖7所示,在某工程機械頭部企業的生產現場,對研制的重載桁架智能分揀控制系統進行了實際運行測試。

圖7 重載桁架智能分揀控制系統

表1為智能分揀控制系統完工數據記錄,根據表中的統計數據,大件分揀成功率達到了90%以上,當單張鋼板上大件零件數不超過30個時,單張鋼板零件分揀完成耗時控制在20 min以內,單個零件分揀平均耗時在40 s左右。而傳統人工分揀完一張鋼板平均耗時30～40 min,本設計提高了生產效率、降低了勞動強度。

表1 智能分揀系統完工數據記錄

3 結語

針對工程機械行業對新型智能分揀控制系統的迫切需求,本文研制了基于視覺引導的重載桁架智能分揀控制系統,通過在生產現場的實際運行測試驗證,該控制系統有效提高了生產效率,極大降低了勞動強度,并將分揀設備和車間信息系統打通,實現了生產狀態的實時監控,使智能化下料分揀線的雛形初現。目前,該智能分揀控制系統采用零件混放策略,在工序上可能需要二次混揀。因此,后續將重點研究多種類零件碼放優化策略。