基于機器人與視覺的激光雷達芯片組裝設備技術研究*

梁華軒，冼業榮，沈大財，阮 毅，楊楚歆，麥麗菊

（廣東省機械研究所有限公司，廣州 510799）

0 引言

最近幾年，借助國內智能電動汽車崛起與自動駕駛的火熱，激光雷達成為是汽車產業鏈的熱點，中國已經成為自動駕駛［1］和激光雷達應用比較活躍的市場。

日前，國家商務部擬將激光雷達系統列入《中國禁止出口限制出口技術目錄》，作為禁止或限制出口品類，由此可見國家對于激光雷達技術的重視程度。技術出口限制在客觀上為國內激光雷達企業提供了更好的生存環境，但仍面臨產能提升與制造成本的極大挑戰。形成技術迭代、量產、降低成本的正向循環，是未來國內激光雷達企業的重點考慮方向。

2022年四季度以來，海外激光雷達行業正經歷暴力洗牌，激光雷達的先驅公司如Ibeo、Quanergy先后破產。由于國外車企的系統性開發模式，決定了一個新技術、新產品的開發周期相對更長，導致產品遲遲無法量產。這也為我國的激光雷達發展提供了超越的機會。目前國內外激光雷達企業都不約而同地選擇推動激光雷達加速量產，而國外的產業“空心化”愈演愈烈，設備制造業以及配套的供應鏈往東南亞轉移，歐美傳統的設備制造能力遭到了大幅度削弱。國外激光雷達企業曾經的先發技術優勢，在國內強大的設備研發制造能力面前被消耗殆盡。

國內的設備供應商從產品結構、工藝驗證等方面與激光雷達企業展開深度合作，通過快速量產、關鍵技術迭代，市場份額逐漸取得絕對領先地位。在量產能力和產品性能上，國內企業更勝一籌。

在激光雷達生產的芯片組裝［2-3］等核心環節，自動化程度仍然有極大的提升空間。隨著“中國制造2025”的提出，生產制造環節大量引入機器人、視覺系統等，國內的智能制造設備廠商如虎添翼，往智能化、信息化方向高速發展。

車規級別的元器件種類繁多價格昂貴，組裝采用自動化設備，相比起人工作業，能夠降低人工成本、提高組裝精度、保障性能穩定以及縮短交貨周期等。針對產能與降本的實際痛點，設備結合企業的實際工藝需求，設計一種自動化組裝芯片及視覺檢測的設備。上位機軟件作為控制核心，采用C＃語言，Winform作為界面開發框架。系統可對設備進行工單下發、數據上傳，集中控制等。西門子S7-1200系列PLC做為主要控制單元，驅動電缸、點膠、鎖付等執行單元，而視覺系統、光電傳感器等作為檢測單元，實現整個控制系統的智能化、自動化。極大提升激光雷達芯片組裝環節的自動化與智能化水平。

1 設備的工作原理及總體組成

1.1 整體布局以及功能模塊

結合產品組裝的工藝要求、膠水特性以及目前點膠技術情況，設計一種可以實現組裝、點膠以及檢測功能的設備。如圖1 所示，整體布局大致概括為7 大模塊，分別是產品流轉線、組裝機器人、點膠機器人、組裝定位治具、上料模塊、稱膠檢測模塊、視覺系統。

圖1 設備整體布局

1.2 機械結構設計

1.2.1 SCARA機器人

SCARA機器人主要功能實現產品零配件的自動化組裝，通過SCARA機器人配備多功能手爪以及視覺定位引導系統，實現產品抓取、定位、組裝功能，如圖2 所示。SCARA機器人配備視覺拍照系統［4］，使得設備柔性功能進一步提升，即使在來料方向不確定的情況下，通過視覺的拍照識別，反向結合機器人行走姿態，也能把零件準確地組裝到工件里，完成無序組裝。

圖2 組裝機械手

1.2.2 點膠機器人

點膠機器人由IAI 伺服電缸組成。根據產品工藝要求，點膠機器人主要負責實現產品的點膠工藝，如圖3所示。點膠閥根據膠水物理性質結合產品工藝要求，選擇采用螺桿式點膠閥；同時為實現多點位、復雜軌跡的點膠［5］效果，設計了一種可多軸聯動的XYZ機器人；通過點膠閥控制點膠量以及點膠精度，結合XYZ機器人帶動點膠閥，以完成復雜軌跡、高精度的點膠效果。并且配備檢測視覺系統，對點膠效果進行檢測跟蹤。如圖3所示。

圖3 點膠機器人

1.2.3 產品流轉線

產品流轉是自動化生產線必要的功能，實現的方式也有多種，本次設計為了實現產線的柔性化、設備間快速對接，采用了“輸送線＋過站頂升”相結合的形式，如圖4 所示。制作定制的流轉載具，可把產品的零部件放置在流轉載具上，通過輸送線把流轉載具輸送到每一臺設備。過站頂升機構除了能實現流轉載盤的定位、頂升等通用功能外，還配備流轉載盤轉接手抓，通過轉接手抓把流轉載盤脫離頂升板，夾緊定位在輸送線上部，使得后面的流轉載具可以從頂升處輸送線流轉，從而達到前后載盤流轉互不干擾，同時可實現同功能設備的多工位的同步作業，提高生產效率。

圖4 產品流轉線

經過對產品組裝的工藝、膠水特性等進行實驗分析驗證，結合當前的自動化芯片組裝和自動化點膠等相關技術，同時把智能制造、柔性制造［6］等概念貫穿到整體的設備上，使得該設備既能滿足實際的生產需求，又能實現產線的柔性化對接，幫助產線快速的升級迭代。

2 控制系統的硬件設計

整個控制系統包含的硬件有觸控工業顯示屏、工控機、PLC控制器、視覺系統、SCARA 機器人、點膠機器人等。在滿足性能的前提下，需要對硬件進一步選型，合理降低成本，同時保留足夠的擴展冗余。如圖5 所示。

圖5 硬件結構

2.1 觸控工業顯示屏

上位機系統需要對機器人控制、視覺系統、PLC 交互、數據追溯等進行二次開發，整個控制系統復雜，集成度高。因此，擯棄傳統的觸摸屏，采用了21 英寸帶觸控功能的工業顯示屏，不僅可以直接點擊顯示屏進行控制操作，還可以對整個設備的全部狀態進行監控。

2.2 工控機

采用研華工控機，由于上位機軟件具備視覺圖像處理、機器人控制、PLC 信號交互、數據上傳等功能。主機的CPU 性能、內存容量、網口數量，甚至固態硬盤速度都有嚴苛要求。經反復測試比較，CPU i7-7700，16 GB內存，256 GB 固態硬盤，6 個千兆網口的配置，滿足軟件的流暢運行。

2.3 PLC控制器

SIMATIC S7-1200 具有集成PROFINET 接口、強大的集成工藝功能和靈活的可擴展性等特點，為各種工藝任務提供了簡單的通信和有效的解決方案，尤其滿足多種應用中完全不同的自動化需求。

設備共有2 套PN型V90 伺服驅動，4 路串口，1 路Modbus-TCP通信。綜合IO 開關量數量、網絡通信、運算能力、程序容量等因素，選擇S7-1215 作為主控制器。同時預留30%點數作為后期擴展。

2.4 視覺系統

視覺系統共有3 個工業面陣相機，綜合檢測產品的精度要求、運動速度、動態檢測、靜態檢測等因素，確定相機參數；根據機器人活動空間及視野大小、焦距、景深等，對鏡頭進行匹配；前期對樣品進行打光，獲取特征明顯清晰的圖像，兼顧光源顏色對操作人員的視覺刺激，確定光源的顏色和尺寸。經過反復測試比對，得出整套視覺的硬件配置表，如表1 所示。相機采用海康CE系列工業面陣相機，像素覆蓋面30 萬到2 000 萬像素，以卷簾曝光為主。提供千兆網和USB 3.0 數據接口，可以滿足多種工業需求。如表1 所示。

表1 視覺硬件配置

2.5 SCARA機器人

發那科SR-6iA 是兼有智能、高速和高精度的SCARA機器人。手腕可搬運負載質量達6 kg，重復定位精度為0.01，滿足抓取、組裝芯片的精度要求，同時配備Modbus TCP通信插件與上位機進行通訊。

2.6 點膠機器人

點膠機器人由IAI 伺服電缸模組搭建。在點膠場合應該非常廣泛，搭配XSEL 控制器，對于形狀復雜的工作、運動軌跡進行均勻涂覆蓋和高精度填充，從而優化了周期時間，提高了質量。示教完所有軌跡后，由于需要PLC調用模組的程序號，需要選配Profinet 通信單元。根據負載、精度要求以及節拍，確定電缸和控制器的選型。如表2 所示。

表2 IAI伺服電缸型號

3 控制系統程序設計

經過工藝流程分解及機械3D 模擬后，滿足節拍的前提下，需要對整個設備的控制框架、交互形式進行梳理分析。如圖6 所示，經過分析可得如下結論。

圖6 控制系統框架

（1）本工序產品加工完畢，把過程參數上傳至車間追溯系統，同時生產過程中，也需要查詢上一工序的加工信息，而追溯系統往往通過http超文本協議與設備進行數據交互，常規PLC、傳統觸摸屏不支持此通訊協議。因此與追溯系統通訊的功能只能通過設備的上位機軟件來實現。

（2）PLC接受來自上位機軟件的生產指令，從而驅動相應的機構如機器人、電缸等；由于機器人自帶的硬件I／O無法滿足控制要求，需要通過Modbus TCP協議進行擴展信號，從而完成PLC對多個PNS子程序的調用。

（3）工業相機與工控機的千兆網卡相連，上位機通過TCP觸發相機，PLC負責光源啟停。采集的圖像存放到硬盤，由上位機軟件進行圖像分析處理，再引導機器人動作。

3.1 上位機界面設計及功能開發

由于大量數據需要通過上位機軟件進行中轉分發，上位機軟件是整個設備的指揮中樞，而PLC 控制器作為主要控制元件負責接收傳感器信號及驅動機器人、伺服電機等。另外需要對海康VM 算法平臺進行二次處理，故采用基于C＃高級語言的Winform［7-9］界面框架進行開發。上位機系統包含如圖7 所示的主要功能模塊。

圖7 上位機軟件功能框架

本軟件按兩層架構進行開發，即顯示層和數據訪問層。可以很好地滿足軟件需求，解決方案里的各模塊說明如表3 所示。

表3 上位機軟件各模塊說明

（1）Vision.UI為顯示層，展現給用戶的界面，主要實現與用戶的交互，響應用戶請求或展示用戶請求的數據結果。

（2）Vision.DAL為數據訪問層，包含各種數據讀寫方法。如SQL、XML讀取類。根據業務需求，構建參數，調用幫助類等。通過Vision. Models 實體類，獲取結果，主要負責與數據打交道，將業務邏輯轉換成相應的方法對數據進行操作。

（3）Vision.Models為實體類，是數據傳遞的載體。包含大量的私有字段，而屬性一般供外部類訪問，通過對屬性的讀寫限制，從而有效保護私有字段不被外部程序破壞。

（4）Vision.Utility 為工具類，主要存放各種靜態方法，通過類調用，不必浪費內存去實例化工具類對象，包含如PLC 通信、機器人通信、圖像處理、字符截取、浮點轉換等方法。

（5）Vision.ExtControls為擴展控件庫，開發過程中，原有控件功能無法滿足需求或不夠美觀時，需要對控件進行二次開發，技術要點是自定義屬性和編寫自定義事件處理方法。

對解決方案進行分層，完成整個軟件的架構搭建后，首先需要引用相關的類庫與控件：Sharp7 用于上位機與西門子PLC［10］的通信；FRRJIF、FRRobotIFLib 用于上位機與發那科SCARA機器人通信；引用VM二次開發所需要的dll文件及控件，完成開發環境的配置。部分代碼展示如圖8 ～11 所示。

圖8 實例化PLC對象并創建連接

圖9 實例化機器人所需的對象

圖10 加載視覺算法

圖11 獲取坐標偏移量用以引導機器人

深刻理解客戶的需求和工藝流程后，抽象出所分析的功能、模塊，從下往上，完成Models 類的字段定義，按照詳細的設計步驟進行各個方法、類代碼的編寫，測試局部功能；達到預期效果后，進行集成測試，把各個模塊、單元組裝后，進行軟件和硬件的集成調試，檢查軟件與硬件的交互功能是否完善，確保軟件的可靠性、安全性和可擴展性。修復Bug 及完善功能，是一個發現問題、糾正問題的過程，確保軟件的良好效果。

3.2 PLC程序設計

主要由初始化程序、運行選擇、視覺控制、機器人程序、電缸程序、報警異常等模塊組成。運行選擇模塊包含手動、自動、單步、暫停、過棧、空循環6 種運動方式。自動運動模式是整個PLC［11］程序設計的重點。整個自動流程相對復雜，設備動作流程如圖12 所示。交互的數據較多，本文僅對關鍵步驟進行分析。初始化完成，所有機構處于等待狀態。自動流程開始，載具檢測到有物料，調用機器人程序把物料搬運到治具，機器人搭載的相機進行拍照。待上位機的視覺算法處理完畢后返回OK信號，機器人重新抓取物料，移至掃碼相機進行掃碼，條碼信息由上位機發送至追溯系統進行查詢是否符合批次。追溯系統返回查詢結果至上位機后，上位機通知PLC調用機器人程序，把物料放置到點膠位。點膠相機拍照完成，上位機返回坐標信息到PLC，經過偏移量計算，引導電缸進行點膠。如圖13 所示。

圖12 設備動作流程

圖13 視覺引導電缸的偏移量計算

點膠結束后，機器人把物料取出放回載具，流到后續工序進行螺絲鎖付及質量檢測。每個步驟發生異常時，都有對應的處理流程，異常產品由伺服驅動的輸送線轉送至NG等待位。此處不展開敘述。至此整個自動流程結束等待下一次循環的開始。

3.3 視覺算法設計

采用海康視覺算法平臺VM，它提供了千余個完全自主研發的圖像處理算子與多種交互式開發工具，支持多種圖像采集設備，能夠滿足機器視覺領域中定位、測量、識別、檢測等需求［12］。

通過使用VM算法開發平臺提供的控制和數據獲取接口來完成自定義開發，將算子包裝成為獨特的視覺工具，融入用戶自定義的檢測流程中，極大簡化調試難度，降低使用門檻。

整機共有3 個工業相機，包含采圖、掃碼、引導機器人定位、膠路檢測等功能。

以芯片抓取流程為例，開發思路及簡要步驟如下。首先設置圖像源，可以選擇本地圖片或相機，由于前期已經采集圖像保存在硬盤，選擇本地圖片，設備運行時圖像源切換回相機。由于圖像特征點較少，且邊緣對比度低。因此選擇高精度匹配工具，能抵抗匹配對象發生扭曲變形，且支持異步縮放，缺點是計算時間稍長。特征模板參數里創建矩形掩膜。運行參數里選擇考慮極性。圖14 所示為視覺引導算法流程。

圖14 視覺引導算法流程

在位置修正工具里創建基準坐標，找到直線與豎線做為位置識別點，經過偏移計算，最終得出絕對位置從而引導機器人進行抓取。視覺實際計算結果如圖15 所示。經實際驗證，搭載視覺系統，設備的綜合精度約為0.063 mm，完全滿足需求。

圖15 視覺實際計算結果

3.4 機器人控制程序設計

發那科SCARA機器人可通過示教器或瀏覽器進行編程，進入通信設置頁面。機器人與PLC進行通訊時，機器人一般作為服務器，PLC 作為客戶端。在機器人需要加裝Modbus TCP 通信插件，安裝后在IO 選項中會出現相關選項［13］。

設置端口IP 地址、連接數量、超時報警等參數。Modbus TCP方式分配給工業機器人的數字量I／O只可設置機架號為96，槽位號為1。進入“I／O Modbus”配置頁面，如圖16 所示。

圖16 SCARA機器人Modbu TCP通信設置

機器人與PLC 進行Modbus TCP 通信交互的數據量為6 個字。部分IO 的定義如表4所示，主要用于PNS子程序的調用及調用結果反饋。

表4 PLC與機器人部分交互信號定義

由于機器人自帶硬件I／O 數量不多，更多被用于控制氣動手爪、連接安全光柵、急停等，在手動示教時，無需PLC 或外部給信號，可由示教器直接驅動氣動手爪。而PLC調用PNS子程序的信號，則由Modus TPC［14］協議來傳輸。從而大大提高了機器人程序編寫的靈活性。如圖17 ～19 所示。

圖17 SCARA機器人Modbus TCP數字輸入配置

圖18 SCARA機器人Modbus TCP數字輸出配置

圖19 SCARA機器人主程序運行效果

3.5 點膠機器人程序設計

由IAI 伺服電缸搭建的多軸聯動XYZ 點膠機器人［15］，可精確控制膠路軌跡，點膠工藝性和精確性，直接影響芯片組裝的品質。根據IAI 控制器自上而下的掃描的特點，程序分為主程序和子程序。主程序是控制器一啟動運行時就一直在線循環執行的程序塊，所有的子程序都在主程序中被調用，如圖20 所示。

圖20 點膠機器人程序結構

子程序是針對設備各個不同的程序功能進行模塊化編輯，主要包括對針尋參、偏移計算，稱膠、點膠、換膠和視覺檢測等功能程序。

在設備點膠功能要求中，點膠機器人的對針尋參和偏移計算是最為關鍵的功能，因為此項尋參精度將直接影響整個設備點膠精度從而決定產品的質量高低。因此，在尋參程序中，首先使用一根基準針進行尋參，取TCP傳感器XYZ 的入光上升沿作為參考點，設置XYZ偏移數據均為0，同時使用此針的各個點位數據為基準點位數據。生產時更換的生產針頭在安裝好之后均要進行尋參并和原基準針的基準參數進行XYZ 軸數據比較，得到的偏移數據就是生產針頭在進行點膠工藝生產中在原基準點數據要進行加減計算的數據。經過多批量和長時間的反復驗證，此種尋參方式的誤差為±0.02 mm。程序如圖21所示。

圖21 點膠機器人對針尋參子程序

根據設備工作方式電缸分為手動、自動和初始化3種模式，工作方式之間進行互鎖，防止誤操作。手動模式是設備在手動模式下進行的人工操作，如電缸軌跡示教、位置對點、參數修改等都在此模式進行。自動模式是設備在進行自動生產狀態，在自動工作過程中，為了更好地進行人工手動介入，實現對工藝調整和質量把關，增加了暫停功能，但是為了避免膠水在產品上堆積而造成產品不良，在點膠工藝過程中屏蔽暫定功能。初始化模式是設備在急停或者斷電后重新啟動時設備的回原功能，初始化模式在手動模式下進行。

4 測試驗證與結果分析

設備測試驗證主要分為程序功能測試驗證以及設備重復定位精度驗證。

程序功能測試驗證主要測試設備動作合理性以及生產節拍是否滿足。通過設備試車，反復調試、測試驗證整體功能與生產效果，并記錄設備運行情況。根據記錄的情況分析，設備運行位置與設定位置吻合，視覺引導機器人正常，檢測功能正常，各類安全功能正常。

由于產品的工藝要求較高，設備能否精準到位與點膠量是否準確是生產優良產品的必要條件，因此設備重復定位精度與點膠量的精度就顯得格外重要。通過千分表對各項運動精度指標測試，點膠精度采用采用精度為0.1 mg電子秤進行檢測，經過反復測試，結果如表5 所示。通過生產試車與測量表明，設備各項指標均高于產品生產需求，滿足生產產品工藝要求，整個控制系統安全穩定。

表5 設備測試結果

5 結束語

本文從企業的實際需求出發，針對激光雷達組裝的核心工藝，有效提高了組裝環節的點膠、芯片組裝、螺絲鎖付及品質檢測的穩定性，同時減少企業的人員投入和勞動強度，真正做到了降本增效。

經實際驗證，該設備通過C＃開發的上位機軟件取代傳統工業觸摸屏作為指揮中樞，靈活性和集成度高，把對位操作、機器人通信、視覺系統、數據自動上傳等功能融入上位機，極大簡化了調試流程；SCARA機器人和點膠機器人負責上下料、組裝和點膠，提高了精度和效率，完全滿足生產節拍與工藝要求；設備運行過程中無需人員值守，操作簡單、穩定可靠，為激光雷達的大規模量產提供了設計思路和參考方向。