基于視覺引導的自動貼標控制系統設計

黃皇

（廈門精合電氣自動化有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的重要現代制造業自動化裝備，工業機器人技術日趨成熟，已經成為一種標準設備，得到工業界的廣泛應用[6]。自工業機器人誕生以來，其應用和種類不斷得到擴展，其中裝配機器人在工業制造領域獲得了廣泛應用，主要用于電器、汽車、電子等產品及其組件的裝配任務[5]。隨著自動化的快速發展，越來越多的人工被設備代替，尤其是人工裝配正逐漸被機器人裝配所取代。然而如何做到靈活識別并精準裝配已成為一個制約因素，因為這需要給機器人裝上一雙“眼睛”，讓它可以看見。工業視覺應運而生就成為這雙“眼睛”，視覺檢測等相關視覺算法讓這雙“眼睛”更加精準，更加高效，更加智能。隨著視覺算法的不斷優化與發展，視覺引導與機器人的動作結合則是針對這個制約因素而設計出的解決方案。

某電子產品的生產過程中需要對其進行兩次貼標，其標簽為橢圓形，長度為27 mm，中間最寬的寬度為6 mm, 需要貼標的位置也為長方形，長度為50 mm，寬度為6.6 mm。生產工藝要求標簽從貼標位置頂部往下0.5 mm處開始貼標且以標簽最寬位置為中心左右各留0.3 mm間隙，貼標精度要求達到0.05 mm。目前該產品的生產過程為人工貼標，但是人工貼標的效率低且精度差，不同作業員的貼標質量也不相同，甚至同一個作業員在不同時間段的貼標質量也不相同，貼標質量無法把控，從而導致產品受到客戶的質量投訴。因此該廠家找到我公司希望可以設計一條自動生產線，以實現自動高精度貼標并在貼標后檢測是否合格，可以實現對產品生產質量的實時精準把控，若有連續不良則報警提示。該自動線需滿足產品的所有生產工藝要求，且生產節拍要控制在16 s以內。

1 自動貼標系統方案設計

1.1 確定自動生產線的功能需求

該產品的整個生產流程包括：入料，貼標，折彎，手工上下料，激光焊接，焊接后檢測，出料。基于該產品的生產流程及該廠的生產車間場地限制，自動生產線方案設計采用倍速鏈+工裝+轉盤的模式，轉盤共6個工位。

工位一：入料/出料即為倍速鏈與轉盤接口（PLC通過掃碼器讀取并記錄工裝條碼）。

工位二：貼標（自動貼標系統）。

工位三：折彎。

工位四：手工上下料（若貼標合格則放入焊接配件，若貼標不良則拿掉產品）。

工位五：激光焊接。

工位六：焊接質量檢測。

倍速鏈分上下層：產品收料及空工裝回流（收料時PLC通過掃碼器讀取工裝條碼，并通過條碼查詢該工裝上的產品是否合格，再通過指示燈顯示該產品狀態）。

1.2 確定自動貼標系統的功能需求

通過對現場產品的實際生產過程進行考察，自動線設計方案的難點主要在于自動貼標功能的實現。自動貼標的流程包括：標簽送料（標簽為一整卷），抓住標簽，剝離標簽（標簽背面有膠，粘在標簽料帶上），貼標簽，檢測。基于這個貼標流程，自動貼標系統需設計一個標簽送料機，通過PLC控制步進電動機來實現自動送料，而其它動作則需要機器人（愛普生機器人，精度為0.02 mm）來實現。

根據現場產品工藝對貼標功能的需要來分析，自動貼標系統的難點在于如何實現高精度的貼標，而影響貼標精度的主要因素有3個。

1.2.1 標簽來料

標簽來料是一整卷，每個標簽都是間隔粘在料帶上面（每個間隔不一致且標簽會有角度傾斜），需采用標簽送料機構送料。因原本標簽來料位置偏差，再加上標簽送料機構步進電動機及檢測標簽有無的精度，導致每個標簽到位時位置和角度都不一致。

1.2.2 標簽剝離

因標簽又薄又輕且粘在料帶上面，機器人抓取標簽時只能采用真空吸嘴，而且在吸住標簽后需通過標簽送料機對標簽進行剝離，所以在標簽剝離后，標簽相對于剝離前真空吸嘴吸住的位置可能會有一定程度的偏移或旋轉。

1.2.3 貼標位置

因貼標的產品是人工放在工裝內，而工裝是采用倍速鏈傳送方式，因此當工裝到達貼標工位時，每個產品的貼標位置不會一模一樣，會有一點點偏差（這個偏差遠遠大于貼標精度要求范圍）。

1.3 確定自動貼標系統方案

由于上面所說的3個影響貼標精度的因素為隨機性，無規則，無法直接使用機器人按照固定位置去實現貼標動作，需要在機器人動作之前先知道具體位置，然后機器人運動到此位置再進行相關動作。因此解決貼標精度問題的關鍵在于如何獲取相關位置精準坐標信息，此時工業視覺就成為最好的選擇。而視覺方案配置的高低則關系到精度的高低，因為標簽最寬為6 mm，長為27 mm，標簽的角度傾斜范圍為正負5°，而貼標簽的位置為6.6 mm×50 mm（從頂部0.5 mm處貼標起始位置），所以檢測視野只需要7 mm×6 mm就可以達到準確識別并貼標的要求。若選用500萬像素的相機，其分辨率為2432×2050，以7 mm×6 mm的視野來說，其單個像素的精度為0.003 mm，考慮到鏡頭失真（失真就是捕獲圖像的中央區域和邊緣區域之間的變化率。由于鏡頭的像差，在捕獲圖像的邊緣位置上更容易看到失真，失真分為兩種：桶形失真和枕形失真。一般而言，失真值的絕對值越小，鏡頭提供的精確度就越高[4]），機械安裝位置垂直度偏差，為了滿足系統的穩定性，使用10個像素即0.03 mm來表示視覺精度。此精度遠高于客戶貼標精度要求的0.05 mm，因此以機器人+工業視覺（500萬像素）來設計基于視覺引導的自動貼標系統可以達到客戶的工藝精度要求。

1.4 確定自動貼標系統方案的視覺配置

整個自動貼標過程需要用到4次視覺檢測。

第一次：抓標簽前視覺檢測（檢測標簽具體位置并獲取坐標信息）。

第二次：抓標簽后視覺檢測（檢測標簽剝離后位置偏差并獲取信息）。

第三次：貼標簽前視覺檢測（檢測貼標簽具體位置并獲取坐標信號）。

第四次：貼標簽后視覺檢測（檢測標簽是否貼好）。

根據這4次視覺檢測內容，選用基恩士的XG-X系列視覺控制器配500萬像素相機（最多可控制4個相機），需要用到2個相機。1號相機負責第一次、第三次、第四次共3次檢測，相機需安裝在機器人上面并配白色環形光源（相機從上往下拍）。2號相機負責第二次檢測，相機需安裝在大板上面并配白色環形光源（相機從下往上拍）。具體安裝方案如圖3所示。

因為機器人的動作是要由視覺引導來完成，也就是需要視覺定位，如圖1[1]所示，該貼標方案是以機器人為平臺,視覺控制器需要以機器人坐標按照9點標定法進行校正，如圖2[1]所示，這樣視覺檢測時所獲取的坐標位置就跟機器人是在同一個坐標系中。

圖1 視覺定位的系統結構

圖2 視覺平臺校正[1]

1.5 控制系統動作流程

倍速鏈分上下層，上層為工裝送料，下層為空工裝回流，轉盤上6個工位對應產品的相關生產工藝。控制系統以觸摸屏為人機操作界面，PLC為主控，控制倍速鏈及轉盤（當轉盤的所有工位動作都執行完成則控制轉盤轉動一個工位，轉盤從工位一流出一個完成的產品，同時流入一個新產品），并通過EtherNet IP通信控制視覺控制器、機器人及掃碼器，其中機器人只執行動作不做任何邏輯判斷，貼標機械結構如圖3所示。其貼標動作流程可分為11個步驟。

圖3 方案的機械結構圖

第一步：PLC控制步進電動機通過標簽送料機送標簽到位。

第二步：PLC控制機器人運動到抓標簽前固定檢測位置。

第三步：當第一步和第二步都完成時，PLC控制視覺控制器觸發1號相機檢測標簽位置，獲取標簽坐標并傳送給機器人。

第四步：PLC控制機器人按照標簽坐標運動到位并吸取標簽，再配合剝離機構動作把標簽剝離完成。

第五步：PLC控制機器人運動到抓標簽后固定檢測位置。

第六步：PLC控制視覺控制器觸發2號相機檢測標簽偏移量。

第七步：PLC控制機器人運動到貼標簽前固定檢測位置。

第八步：當前工位有產品時，PLC控制視覺控制器觸發1號相機檢測貼標位置并和第六步檢測結果偏移量結合算出貼標坐標，當前工位若無產品則等待下一個產品到來。

第九步：PLC 控制機器人按照貼標坐標運動到位并貼標。

第十步：PLC 控制機器人運動到貼標簽后固定檢測位置。

第十一步：PLC控制視覺控制器觸發1號相機檢測貼標是否合格并獲取結果，然后結束當前貼標流程并重新開始進入第一步，依此循環。

2 系統硬件配置

控制系統需要用到EtherNet IP通信，通過以太網交換機連接PLC、觸摸屏、機器人、掃碼器、上位機、視覺控制器及焊接機。

1）PLC選用松下AFP7CPS31E（帶網口通信）并配上5個輸入輸出單元AFP7XY64D2T及1個位置控制單元AFP7PP04T（控制標簽送料機構的步進電動機）。

2）觸摸屏選用屏通的PT2150及PT2070共兩個觸摸屏，方便員工在不同方位操作。

3）機器人選用Epson的GX8-A552S/RC700-D，通過EtherNet IP通信。

4）掃碼器選用基恩士的SR-710+N-L20，通過TCP/IP通信。

5）上位機選用西門子工控機。

6）視覺控制器選用Keyence的XG-X2000系列，通過EtherNet IP通信。

7）焊接機選用通快Trupulse 21，通過EtherNet IP通信。

8）以太網交換機選用三旺的IES6116。

3 系統軟件設計

1）PLC通過以太網交換機以星型拓撲結構連接焊接機、工控機、視覺控制器、機器人，其星型拓撲結構的示意圖如圖4所示。

圖4 PLC的星型拓撲結構示意圖

2）PLC的網絡設置通過相對應的eds文件及圖5[3]所示流程來設置。設置完成后如圖6所示，其中共用5個相關設置分別為焊接機、上一臺聯機機臺、視覺控制器1、視覺控制器2、愛普生機器人。

圖5 PLC的EtherNet IP設置流程[3]

圖6 PLC的EtherNet IP通信設置

3）PLC與視覺控制器的連接如圖7[2]所示流程，PLC則按此流程編寫相關程序控制并獲取相關數據給機器人，其PLC與視覺控制器的交互程序如圖8所示。

圖7 視覺控制器EtherNet IP指令處理流程[2]

圖8 PLC與視覺控制器交互程序

4）愛普生機器人通過控制器的EtherNet IP板卡與PLC進行通信，PLC為主控，機器人為從控來執行動作，其PLC與機器人的交互程序如圖9所示。

圖9 PLC與機器人交互程序

4 結語

針對該企業的產品生產要求，我公司基于松下FP7系列PLC成功研發出自動生產線設備，其自動貼標系統成功實現高精度自動貼標（滿足客戶貼標精度要求的0.05 mm），受到客戶的一致認可。該設備不僅滿足客戶產品的所有生產工藝要求且實現以下功能。

1）以PLC為主控，通過EtherNet IP 控制焊接機、視覺控制器機器人、實現線路簡單化，避免繁瑣的I/O接線且通信質量穩定可靠。

2）配備2個觸摸屏在設備不同方位方便員工操作及查看，觸摸屏界面有產品型號選擇、單動調試（如氣缸調試、電動機調試、儀器調試等）、聯動調試（如轉盤的6個工位動作都可以單獨調試）、參數設置（如貼標參數、折彎參數等），功能屏蔽、各種狀態及報警信息提示（如缺料提示、視覺控制器異常提示、焊接機未開機提示、連續不良報警提示等）、OEE相關產品數據統計等界面，人機界面友好，操作方便簡單直觀，提升設備的可視化及智能化。

3）使用視覺定位模式來引導機器人進行貼標不僅滿足客戶高精度自動貼標要求且操作上更加靈活簡便。在不更改PLC及機器人程序的情況下，只需增加新標簽的視覺檢測程序就可以兼容多種產品貼標，而且可以通過觸摸屏的產品型號選擇快速自動切換程序，實現設備的智能化、柔性化生產。

4）倍速鏈工裝入轉盤前，先對工裝條碼檢測并查詢到前臺設備該產品是否合格，若產品為合格則進入轉盤并進行相關動作，若產品為不合格則不進入轉盤，直接到倍速鏈下料處進行處理。而通過掃碼器對工裝及產品的條碼檢測并與該產品的相關生產數據進行綁定，且在上位機按照入料順序先后進行保存，方便客戶對不同批次產品的不良數據進行統計分析，為設備的數據化管理提供依據。

5）設備在通過現場試生產驗證后已經達到工藝要求且生產節拍穩定在14 s左右（滿足客戶的節拍要求16 s內），目前已經在穩定的生產中。此自動貼標系統為后續基于視覺引導的相關方案設計提供可靠理論依據及實際經驗。