基于機(jī)器視覺和PLC技術(shù)的螺紋緊固裝置設(shè)計

劉永東

江西新能源科技職業(yè)學(xué)院,江西 新余 338000

0 引言

螺紋連接是緊固件加工最廣泛的方式,但常規(guī)的連接加固方式容易受振動、沖擊和高溫荷載的影響,導(dǎo)致螺紋連接預(yù)緊力達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn),甚至出現(xiàn)松脫問題[1]。本文采用機(jī)器視覺技術(shù)精準(zhǔn)采集和處理螺母螺紋與螺桿螺紋的連接圖像,通過陣元量化算法驗證兩者的加固定位精度后,由PLC發(fā)出指令驅(qū)動氣動緊固夾具加固螺紋,并通過位置傳感器檢測螺紋加固情況,整個加固工藝實現(xiàn)了自動化、智能化和精準(zhǔn)化,對提升螺紋緊固的作業(yè)質(zhì)量、改進(jìn)工藝水平具有重要價值。

1 整體設(shè)計方案

該裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示:由工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手將螺母與螺桿拼接至初始位置后進(jìn)行緩慢調(diào)整,CCD圖像傳感器實時采集兩者的連接圖像,并通過算法進(jìn)行實時運(yùn)算;當(dāng)兩者連接情況符合緊固要求后,PLC接收到機(jī)器視覺模塊發(fā)送的信號,并向氣動夾具發(fā)出夾緊指令,之后氣動夾具動作進(jìn)行螺紋緊固操作,過程中由位置傳感器實時檢測螺母與螺桿的緊固情況,一旦兩者緊固位置達(dá)到預(yù)設(shè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),PLC便向氣動夾具發(fā)出松開指令,由工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手將緊固加工好的螺紋工件搬運(yùn)至指定區(qū)域。此后,工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手夾取下一批帶緊固加工的螺母和螺桿至拼接位置,并循環(huán)執(zhí)行上述加工流程。技術(shù)人員可在組態(tài)控制觸摸屏上啟動、停止加工過程,并實時監(jiān)測螺紋緊固的作業(yè)情況,整個加工過程實現(xiàn)了全自動化作業(yè)。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)

2 軟硬件及組態(tài)設(shè)計

2.1 機(jī)器視覺算法方案

本裝置利用CCD視覺傳感器采集螺母螺紋與螺桿螺紋的連接圖像,并運(yùn)用陣元量化算法[2]對圖像進(jìn)行優(yōu)化處理后傳給PLC,當(dāng)螺母螺紋與螺桿螺紋的連接達(dá)到緊固加工要求后,PLC向氣動夾具發(fā)出緊固加工指令。具體的機(jī)器視覺算法方案為:首先,假定待緊固的螺母螺紋與螺桿螺紋連接圖像函數(shù)為f(x,y);其次,將該圖像函數(shù)矩陣化,并劃分為(A×B)個數(shù)據(jù)點(diǎn),對矩陣化后的圖像函數(shù)進(jìn)行陣元量化處理,得到全新的矩陣fL(i,j)。具體的算法過程如下:

f(x,y)→

→f[(i,j)]A×B→[fL(i,j)]A×B

(1)

此后,對陣元量化處理后的矩陣圖像信息進(jìn)行均值濾波降噪處理,并利用灰度直方圖提升像素點(diǎn)質(zhì)量,直至提取出符合識別標(biāo)準(zhǔn)的螺母螺紋與螺桿螺紋連接圖像數(shù)字信號傳遞給PLC。

2.2 硬件設(shè)計

該裝置的硬件裝配接線如圖2所示,其中,輸入部分占用了PLC的I0.0～I(xiàn)0.4五個端口,功能分別為:I0.0(啟動開關(guān))、I0.1(停止開關(guān))、I0.2(CCD圖像傳感信號輸出信號端)、I0.3(位置傳感器信號輸出新號端)。輸出部分占用了PLC的Q0.0～Q0.1兩個端口,功能分別為:Q0.0(氣動夾具夾緊輸出線圈)、Q0.1(氣動夾具松開輸出線圈)。同時,將PLC內(nèi)部中間繼電器M0.0～M0.3分配給組態(tài)控制地址使用,分別用于控制裝置啟動、停止,監(jiān)測位置傳感器運(yùn)行狀態(tài),以及氣動夾具的工作狀態(tài)。此外,在硬件設(shè)計上,外圍的工業(yè)機(jī)器人作為作業(yè)本體單獨(dú)供電,與PLC控制模塊通過總線進(jìn)行通信連接,當(dāng)氣動夾具完成螺紋緊固作業(yè)后,由PLC向通信總線發(fā)出高電平信號,工業(yè)機(jī)器人接收到該信號后抓取緊固好的產(chǎn)品放置到指定位置。

圖2 硬件接線圖

2.3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)應(yīng)用梯形圖編譯軟件程序,具體的程序模塊及設(shè)計思想如下。

1)啟動及初始化模塊。用戶按下裝置啟動按鈕后,系統(tǒng)得電啟動,內(nèi)部進(jìn)行自動初始化自檢,自檢無誤后開始檢測工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手臂抓取螺母狀態(tài)、螺桿到位狀態(tài)。

2)機(jī)器視覺循環(huán)掃描模塊。當(dāng)螺母和螺桿到位后,機(jī)械手臂會微調(diào)兩者的緊固初始位置,CCD視覺傳感器則實時采集現(xiàn)場畫面,通過視覺算法處理后傳遞給PLC。

3)緊固加工作業(yè)模塊。當(dāng)兩者間位置距離達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn),PLC啟動緊固加工子程序,氣動夾具對螺母和螺桿進(jìn)行緊固加工,同時位置傳感器實時采集兩者的緊固間距,一旦達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),氣動夾具松開,工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手臂抓取加工好的工件放置堆料盤中。

圖3為主要程序模塊。

圖3 主要程序模塊

2.4 組態(tài)控制設(shè)計

本裝置的人機(jī)交互姿態(tài)控制界面如圖4所示。根據(jù)螺紋緊固自動化作業(yè)的需求設(shè)計界面模塊及功能,主要模塊及控件功能如下。

圖4 人機(jī)交互組態(tài)控制界面

1)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手臂運(yùn)動軌跡設(shè)置模塊。選用MCGS軟件[3]中的文本框、輸入框2種控件,包含x、y和z這3個坐標(biāo)軸參數(shù)的設(shè)置輸入框,用戶可在該模塊中預(yù)設(shè)機(jī)器人機(jī)械手臂抓取及搬運(yùn)工件的軌跡及路徑參數(shù)。

2)系統(tǒng)啟停控制模塊。選用MCGS軟件中的標(biāo)準(zhǔn)按鈕控件,包含系統(tǒng)啟動和系統(tǒng)停止2個按鈕,用戶可在觸摸屏上操作這2個按鈕,實現(xiàn)對整套裝置的上電啟動和斷電停止控制。

3)指示燈模塊。選用MCGS軟件中的指示燈和文本框2種控件,用戶可在該模塊中監(jiān)測CCD視覺傳感器、氣動夾具和位置傳感器的工作狀態(tài)。

此外,各組態(tài)模塊應(yīng)與PLC對應(yīng)的I/O和中間繼電器建立起通信連接,選用昆侖通泰有限公司生產(chǎn)的TPC7062K觸摸屏作為人機(jī)交互操控硬件。

3 緊固測試結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計完成后,在螺紋緊固加工現(xiàn)場進(jìn)行了測試,測試的流程為:選擇M5、M12和M20三種規(guī)格的六角螺母,并匹配對應(yīng)規(guī)格螺桿,各規(guī)格螺母和螺桿均選擇100對;分3批次對3種規(guī)格的螺母和螺桿進(jìn)行緊固加工作業(yè);收集3批次螺母和螺桿加工的相關(guān)數(shù)據(jù),包括單個螺母螺桿視覺處理平均耗時、單個螺母螺桿緊固加工平均耗時、緊固加工有效率。

各項數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 現(xiàn)場緊固加工測試數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可知:應(yīng)用該裝置對工業(yè)現(xiàn)場常見的3種規(guī)格螺母進(jìn)行自動化緊固加工,所用的視覺處理耗時、緊固加工耗時和緊固加工有效率均符合預(yù)期設(shè)計需求,且緊固加工過程完全實現(xiàn)了自動化和智能化控制,大大提升了生產(chǎn)效率,有利于降低人為作業(yè)可能帶來的誤差率和事故率。

4 結(jié)束語

通過將機(jī)器視覺技術(shù)和PLC技術(shù)引入螺紋緊固加工中,設(shè)計了一套全自動化的生產(chǎn)作業(yè)裝置,該裝置扭轉(zhuǎn)了傳統(tǒng)模式下半自動化作業(yè)或人工作業(yè)產(chǎn)生的弊端,以人機(jī)交互組態(tài)操控的形式,實現(xiàn)了整個加工工藝的自動化操控,有效地提升了螺紋緊固作業(yè)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。