基于智能抓取的精定位器具調試方法研究

智能制造作為新一代工業(yè)革命的核心，目標在于實現(xiàn)生產過程的自動化、高效化和精準化。在這一背景下，自動上料系統(tǒng)作為智能制造的重要組成部分，其重要性日益凸顯。

自動上料系統(tǒng)旨在解決傳統(tǒng)人工上料方式中存在的效率低、成本高、精度差等問題1。通過引入先進的機器視覺技術、機器人技術及精定位器具，自動上料系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對物料的快速識別、精準定位與高效上料，顯著提升生產線的自動化水平和生產效率。

機器視覺技術作為自動上料系統(tǒng)的“眼睛”，通過高精度攝像頭捕捉物料圖像，并利用先進的圖像處理算法對圖像進行分析與處理[2]，從而實現(xiàn)對物料的快速識別與初步定位。這一技術不僅提高了物料識別的準確性和速度，還為后續(xù)的精準定位與上料提供了可靠的數據支持。機器人技術則是自動上料系統(tǒng)的“手臂”，通過編程控制機器人按照預定軌跡運動3，實現(xiàn)對物料的抓取、搬運與放置。機器人技術的引入不僅降低了人力成本，還提高了上料的穩(wěn)定性和可靠性。此外，隨著機器人技術的不斷發(fā)展，機器人的運動控制精度、負載能力、靈活性等方面均得到了顯著提升，為自動上料系統(tǒng)的廣泛應用提供了有力保障。

然而，在實際應用中，單純依靠機器視覺與機器人技術往往難以達到極高的上料精度，同時機器視覺受限于操作環(huán)境以及產品件與視覺模板的匹配度，在復雜的現(xiàn)場進行工作時，會出現(xiàn)視覺誤判導致產品件的抓取失敗和損壞，大大降低了自動上料的效率，同時增加了成本損耗。因此，精定位器具的引入顯得尤為重要，對物料進行微調與定位，確保物料在被抓取前達到極高的位置與姿態(tài)精度。這一技術的加入，使得自動上料系統(tǒng)的整體性能得到了顯著提升。

智能抓取

智能抓取系統(tǒng)總體包含機器人技術、機器視覺以及精定位器具三部分，其中精定位器具的引入大大提高了定位抓取的效率，降低了由于視覺失靈造成的生產線停轉，避免影響生產節(jié)拍。同時，精定位器具的調試是適應后續(xù)不同生產條件的關鍵，提高對于不同生產需求以及生產環(huán)境的適應性4。

1.機器人技術

機器人技術包含對機器人結構、機器人動作的規(guī)劃以及編程。

2.機器視覺

機器視覺是基于傳感器和工業(yè)相機實現(xiàn)被測物體的姿態(tài)識別，并指引機器人根據中控系統(tǒng)的動作設計完成相關操作。

3.精定位器具

在機器人技術和機器視覺研究完備的基礎上，精定位器具作為高適應性部分連接上料環(huán)節(jié)與生產節(jié)拍。精定位器具主要包含精定位料框和精定位料框庫位。

（1）精定位料框精定位料框是一種高精度的工位器具，用于生產過程中對物料進行精確定位和固定。其設計可以適應不同形狀和尺寸的物料，并且可以通過調整參數來滿足不同定位要求。

其中，精定位料框采用銷孔定位等高精度的定位技術，確保物料在料框中的準確位置，提高生產效率和產品質量[5。同時料框結構穩(wěn)定，能夠確保物料在運輸和加工過程中的穩(wěn)定性，減少物料損壞和返工率。定位方式可根據生產線需求進行選擇和組合，實現(xiàn)最佳的定位效果。圖1所示為焊接生產線頂蓋、車門定位料框。

精定位料框分為產品件平放和產品件豎放兩種，圖2所示是產品件平放和豎放。

以圖3所示焊接生產線產品件平放精定位料框結構為例，其組成包括基準平面、焊接框架、防護網、標志牌安裝處、叉車鏟口、防撞條、堆垛凹槽、膠墊、立柱組件和基準孔。

它們的作用分別為：

1）基準平面：上基準平面用于安裝立柱組件，是整個精定位料框的安裝基準。

焊接框架：焊接工藝可以將鋼結構的各個構件牢固地連接在一起，形成整體受力體系，使得結構在承受荷載時能夠更均勻地分布力量，提高結構的安全性。

防護網：防護網還可以防止產品件掉落，從而保護周圍的人員和設備的安全。它能夠承受一定的沖擊力，減輕掉落物體對下方區(qū)域的傷害。

2）標志牌安裝處：便于料框的識別與管理。

堆垛頂端：堆垛頂端的設計可以提供多層放置的的支撐點，使得整個堆垛結構更加穩(wěn)固。這些頂端可以與其他物體的凹進部分或專用支撐架配合，形成穩(wěn)定的支撐結構。

3）叉車鏟口：與叉車配合，便于料框轉移過程中的穩(wěn)固性和牢固性。

4）防撞條：對相撞時進行緩沖，從而減輕對料框的沖擊。這種緩沖作用雖然不能完全避免碰撞造成的損害，但能夠在一定程度上降低損害程度。

膠墊：起保護地面作用。

堆垛凹槽：堆垛凹槽的設計主要是多層放置的時候，放在堆垛頂端上面，形成穩(wěn)定的支撐結構。

5）立柱組件：應用高精度組件，負責實現(xiàn)產品件的裝配和定位（見圖4）。

6）基準孔、平面：基準孔和基準平面被廣泛應用于校準和校驗精定位料框上組件的基準。通過測量工具利用基準孔建立坐標系，可以確定精定位料框上組件的偏差和誤差，從而進行校準和修正，確保測量結果的準確性和可靠性，保證機械手臂抓取產品件時坐標的精度。

平放料框的功能主要通過立柱組件實現(xiàn)。立柱組件由立柱、導軌、壓舌板、連桿、支撐銷和連桿組成，壓舌板中部開有螺栓孔，依次固定在安裝面上。其中最重要的是根據定位基準和工件的特點，選擇合適的定位元件，這些元件應該具有高精度、高剛度和高耐磨性，以確保工件能夠被準確定位（面精加工Ra1.6μm ，定位塊采用45鋼，調質，線切割，HRC55定位銷；外觀面：尼龍、聚氨酯等）。

在放料時，料框最下方的壓舌板立柱上的壓舌板由于自重圍繞固定螺栓向下旋轉，被落回支撐銷阻擋，壓舌板前段伸出安裝面 10mm ，現(xiàn)在位置稱為一級初始位置，往上的其余壓舌板相同，但落回支撐銷相對于安裝孔比最后一個的位置向下 8mm ，以使壓舌板末端與安裝面平齊，保證抓手放件可以放到最下端當抓手放置第一個件時，使最下方的壓舌板到達1級放件位置，連接在末端的連桿向上拱起，使第二級的壓舌板伸出一小部分，當第二個件放下后重復第一個件的過程，往后依次類推，直至整個料框放完。當機器人抓手取件時，從最上面的件開始依次取，取完一個，相對應的壓舌板由于自重向下旋轉，與落回支撐銷接觸，使壓舌板的末端與立柱安裝面平齊，避免抓手取下一個件發(fā)生干涉，直至取完。

（2）精定位料框庫位包括基準小車和庫位。

1）基準小車。庫位由小車配合使用，起著承上啟下的作用，一方面承載料框，另一方面與庫位配合起定位作用。小車由外導向、萬向輪、AGV導向、AGV牽引裝置、基準定位銷、基準定位平面和限位裝置組成。

2）庫位。氣缸還可以與其他定位機構（如導向軌、限位開關等）配合，確保貨物能夠準確停放在指定位置。

光電傳感器、壓力傳感器等可以監(jiān)測庫位內的安全狀況，如防止碰撞、過載等情況的發(fā)生

驗證試驗流程設計

1.精定位料框的預備工作

（1）確定定位基準選擇合適的定位基準是精定位工位器具定位的關鍵8。根據產品件的空間位置，方便取件的情況下進行設計。

（2）調整定位元件根據定位基準和工件的特點，調整定位元件的位置和姿態(tài)，確保定位元件與工件之間的配合精度。產品件間距位置采用精加工銷孔定位，不調整；兩個以上的工位器具，為保證高度統(tǒng)一，立柱采用墊片調整，與產品件非支撐對應的面采用立柱橢圓口調整；基準小車的軸承采用墊片。

（3）固定定位元件將定位元件固定在精定位工位器具上，確保定位元件的位置和姿態(tài)在加工過程中保持不變。（整個框架/基準面），通過測量裝置對工件進行檢測，確定工件的位置和姿態(tài)是否符合要求。

2.精定位料框的檢測

（1）檢測基準三坐標檢測時，以料框的底部平面和孔為基準，建立坐標系。在后續(xù)自主上料時，料框上面所有的位置度都是在檢測基準的基礎上進行檢測和調整。為檢測方便，檢測時可將工位器具翻轉進行檢測（或加工專用檢測平臺）。

（2）立柱檢測因是工位器具，結構簡單，但調整復雜。檢測時先檢測立柱的垂直度，檢測安裝面的上下兩個點（ ±2mm ）。檢測上下定位塊的（產品件）側面，側面的偏差只允許偏離產品 0.5～1.5mm ，不允許偏向產品件。對于定位孔直徑小于 8mm 的產品件，側面的偏差只允許偏離產品 0.5mm 以內。檢測定位塊，產品件支撐面誤差控制在 ±2mm 內。檢測導向，只要求與產品件相對應的方向，檢測標準同定位塊的側面，偏差只允許偏離產品 0.5～1.5mm ，不允許偏向產品件。

產品件側面偏差對機器人抓取有很大的影響，所以調試過程中側面與基準的偏差值非常重要，過大和過小都會造成不良的影響。如果間隙過小，易造成產品件變形，過大導致產品件的位置發(fā)生變動，抓手抓壞件。所以為了尋找最佳的間隙，調整不同間隙，分別抓取100個件，記錄抓件合格的次數，見表1。

3.機器人的調試方法

1）初次調試必須以拆垛的方式去調試，通過后，可進行視覺調試（避免后期視覺故障，整個抓取工作無法進行）。

2）調試時，先把產品放置最后一層，進行抓取調

試，抬升過程中，不能出現(xiàn)產品的剮蹭現(xiàn)象，然后在最上端進行抓取調試，保證最底層和最上層每個支柱的兩點垂直。

3）完成后，利用最上端產品件的程序軌跡，直接調用步進軌跡，按照料框的設計層數尺寸進行設置步進尺寸。

精定位器具拆垛調試

首先AGV小車運載對應料框進入第一個庫位，接下來對料框和庫位分別按步驟調試（見圖5）。

1）如圖6所示，將產品件1放置于料框最上層，調整機器人相對于產品1的位置，使抓手所有定位點與產品件接觸。由于產品件有微小差異，要記錄不同產品件，未接觸定位點與產品件之間的相對距離，調整機器人定位坐標，保證定位點與機器人之間距離最小，抓取姿勢最優(yōu)。

2）經過步驟1的機器人手臂位姿調整后，將產品件1通過機械手臂下移，放置于料框最下層（圖5中產品件2的所在位置）時，識別此時產品件與壓舌間隙是否一致（可存在1mm之內誤差）。

如果一致，則此步驟調試通過。若不一致（見圖6），則通過機械抓手調整產品件與壓舌的間隙（在示教器內調整抓手的X或Y坐標值），使此間隙與產品件在最上層時一致（可存在1mm之內誤差）。根據系統(tǒng)返回的調整后定位銷位置坐標以及在最上層時定位銷位置坐標，求解調整前后偏移角度對應的調整機器人坐標系。調完后，要記錄最上端和最下端壓舌與產品件的間隙，用于后續(xù)的料框調整參考。

最上層料框相對于最下層料框，可能發(fā)生兩種方向的偏移值，分別為X軸方向和Y軸方向。以X坐標值方向發(fā)生偏移為例，因為第一個料框的水平基準以及庫位的基準已經在準備工作中進行調整，視為標準。

由于兩個坐標系建立的原點不一致，相對位置有平移，其示意圖如7所示。

此時平移后坐標用向量進行表示，可以表示為

最上層料框相與最下層料框壓舌 X 方向間隙不一致時，考慮坐標系的變換，視為坐標系繞Y軸進行了旋轉，在不考慮平移的情況下，坐標系示意如圖8所示。

此時旋轉后坐標系與旋轉前坐標系可以通過等式表示

進一步可以表示為

表示為向量則得到：

將此調試中的情況規(guī)定為坐標系先進行了平移后進行了旋轉，若要對 {j} 坐標系進行校正，使其與 {i} 坐標系重合，進一步推導聯(lián)合變換的情況：

計算出偏移角度 a ，得到旋轉平移矩陣修正坐標系。同時在X向出現(xiàn)壓舌間隙調整時，坐標系偏移角度a 計算方式如下

其中， Δ Z為最上層與最下層Z坐標的正向差值，ΔX 為抓手在最下層進行調整時的坐標偏移距離，可以根據定位銷返回中控系統(tǒng)的數據計算得出。

調整后，由于要相應的調整機器人坐標角度，機械抓手在最上層的角度也發(fā)生了相應的變化，如果偏移角度在 ±1.5^° 之內，則忽略此變化對抓取產品件時的定位影響；如果偏移角度過大，則需要在可控范圍內調整機械手臂位姿，確保定位銷與產品件不發(fā)生干涉。

3）更換庫位進行抓取，此時，水平基準和立柱無需再調整，需要按照在第一個庫位的步驟1和步驟2進行調試。雖然在第一個庫位已對機器人以及料框進行調試通過，但是由于不同庫位地面平整度不一致，若在對不同層產品件抓取時出現(xiàn)偏差，操作同步驟2最上層和最下層的產品件與壓舌間隙不一致情況下的操作。同時，也需要記錄最上端和最下端壓舌與產品件的間隙。

4）更換料框2，把產品2放置在料框最下邊一層，進行抓取調試。機器人抓取后，按照Z坐標軸方向抬升，抬升過程中，不斷地觀察所有立柱的導向，不允許別蹭產品件，有問題必須調整整個立柱，不允許單獨調整導向，直至在最下方一層抓取產品件時不發(fā)生剮蹭。

同時觀察產品件與壓舌間隙，若產品件在最上層和最下層時與壓舌間隙超過1mm誤差允許，則考慮是發(fā)生了誤差累積。需要觀察步驟2中記錄的間隙數據，看最下層相對于最上層是往靠近壓舌方向誤差偏移，還是往遠離壓舌方向誤差偏移，對比本步驟產品件與壓舌間隙，進行微調。

5）在進行步驟1、步驟2、步驟3和步驟4調整后，在料框最下層和最上層放置2個產品件，位置如圖6所示。然后，讓機器人快速抓取這兩個產品件，通過即為合格。此操作在于檢查自動抓取產品件的效率。

6）最后，將多件產品件放置在立柱組件上，根據最上層產品件初始位置，設定初始抓取坐標，在Z軸方向按照固定間隔逐層下移抓取產品件，此為拆垛，用于在機器視覺失靈時保證自動上料工作的正常進行。

結語

將精定位器具應用于焊接線生產時的自動上料過程具有廣泛的現(xiàn)實意義，能夠有效提高自動上料過程的定位準確度和效率，大大減少了人力成本。同時，保證了由于機器視覺失靈時自動上料過程的正常進行，減少機械手臂定位不準造成的壞件。

本文意在針對自動上料系統(tǒng)的精定位器具提出可靠有效的流程，使其適用于不同操作現(xiàn)場生產線中對于機器視覺、機器人技術尤其是精定位料框的調試，應用此調試方法可以使精定位器具與機器視覺以及機器人技術的配合程度更高。

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