張付祥,蔡立強,李偉峰,黃風(fēng)山

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

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成捆圓鋼端面自動貼標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計

張付祥,蔡立強,李偉峰,黃風(fēng)山

(河北科技大學(xué)機械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

為實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)成捆圓鋼端面貼標(biāo)的自動化，在分析圓鋼生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上設(shè)計出一套成捆圓鋼端面自動貼標(biāo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括機器視覺定位單元、供標(biāo)單元、供壓單元、自動貼標(biāo)單元、激光測距單元和上位機通信控制單元等，采用機器視覺定位單元進行圓鋼端面中心的平面定位，通過自動貼標(biāo)單元實現(xiàn)成捆圓鋼端面的自動貼標(biāo)。在實驗室條件下對系統(tǒng)進行測試，結(jié)果表明，該自動貼標(biāo)系統(tǒng)可有效地解決人工貼標(biāo)中存在的錯貼、漏貼等問題，實現(xiàn)成捆圓鋼端面高效、穩(wěn)定的自動貼標(biāo)。該系統(tǒng)可用于鋼鐵企業(yè)中成捆圓鋼端面的自動化貼標(biāo)。

工業(yè)機器人技術(shù)；成捆圓鋼；自動貼標(biāo)；貼標(biāo)機器人；機器視覺；定位

自動貼標(biāo)裝置就是利用黏合劑把紙或金屬箔標(biāo)簽粘貼在規(guī)定的包裝容器上的設(shè)備。目前，市場上自動貼標(biāo)裝置品種繁多，樣式各異[1-3]，但其主要是應(yīng)用在體積小、質(zhì)量輕的中小型物料上，針對質(zhì)量和體積都比較大(如成捆圓鋼)時，當(dāng)前的貼標(biāo)裝置則不太適用。近年來，工業(yè)機器人依靠其工作效率高、重復(fù)定位好、工作穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點得以迅猛的發(fā)展[4-6]，以工業(yè)貼標(biāo)機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工貼標(biāo)可極大地提高貼標(biāo)的質(zhì)量和效率。機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷，用機器視覺檢測方法可以提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度[7-8]，而且機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。利用機器視覺對圓鋼中心進行自動定位[9-13]，利用貼標(biāo)機器人進行標(biāo)簽的提取與粘貼，可有效地解決人工貼標(biāo)中存在的錯貼、漏貼等問題，實現(xiàn)圓鋼端面快速、穩(wěn)定、高效地自動化貼標(biāo)[14-16]。

1 成捆圓鋼端面貼標(biāo)工藝分析及方案的確定

1.1 成捆圓鋼端面貼標(biāo)工藝分析

目前，成捆圓鋼標(biāo)記主要是在儲鋼庫房中，其標(biāo)記的方式主要是通過人工將打印好的不干膠標(biāo)簽粘貼在成捆圓鋼端面上。以石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司為例，成捆圓鋼端面貼標(biāo)的主要工藝參數(shù)如下：

圓鋼的直徑范圍：30～110 mm，最常見40～70 mm；

圓鋼捆的直徑：一般小于360 mm；

圓鋼長度：4～12 m；

圓鋼捆的質(zhì)量：2.5 t左右；

圓鋼根數(shù)：依據(jù)成捆圓鋼質(zhì)量、圓鋼長度以及直徑算出；

圓鋼端面溫度：常溫；

圓鋼捆中各圓鋼端面軸向最大距離：50 mm；

標(biāo)簽的形式和尺寸：圓形標(biāo)簽共有25，40，50，90 mm 4種規(guī)格；

標(biāo)簽內(nèi)容：主要為QS標(biāo)識和圓鋼的信息；

標(biāo)簽材質(zhì)：不干膠標(biāo)簽；

標(biāo)簽粘貼形式：單面。

1.2 成捆圓鋼貼標(biāo)方案

成捆圓鋼自動貼標(biāo)系統(tǒng)通過廠內(nèi)局域網(wǎng)與廠內(nèi)的MES系統(tǒng)或ERP系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，接收廠內(nèi)待貼標(biāo)圓鋼的產(chǎn)品信息以及上傳貼標(biāo)日志，并進行一系列如標(biāo)簽打印、圓鋼端面中心定位、取標(biāo)、貼標(biāo)等動作，最終將不干膠標(biāo)簽粘貼到指定的圓鋼端面中心，并達到一定的粘貼精度和強度要求。貼標(biāo)方案直接影響著自動貼標(biāo)的運行方式和貼標(biāo)的效果。依圓鋼貼標(biāo)的實際需求確定貼標(biāo)的工序流程如圖1所示。

圖1 自動貼標(biāo)流程圖Fig.1 Flow chart of automatic labeling

2 成捆圓鋼貼標(biāo)系統(tǒng)的搭建

2.1 成捆圓鋼貼標(biāo)的原理

本自動貼標(biāo)系統(tǒng)初步應(yīng)用在圓鋼探傷車間，成捆圓鋼在探傷完成并打好捆后通過輸送鏈輸送到貼標(biāo)工位，安裝在貼標(biāo)工位的位置傳感器檢測成捆圓鋼的到位信號后將信號上傳至上位機通信控制單元，上位機通信控制單元與系統(tǒng)中的其他單元建立聯(lián)系并對各單元進行相關(guān)的初始化。機器視覺單元采集成捆圓鋼的端面圖像并將相關(guān)的信息上傳至上位機通信控制單元，上位機通信控制單元對成捆圓鋼端面的圖像進行處理，確定圓鋼圓心的像面坐標(biāo)，并將其轉(zhuǎn)換為貼標(biāo)機器人世界坐標(biāo)系坐標(biāo)，進而初步確定貼標(biāo)機器人的貼標(biāo)位姿。在確定貼標(biāo)位姿后，上位機通信控制單元利用貼標(biāo)機器人的運動學(xué)反解計算出貼標(biāo)機器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送給貼標(biāo)機器人并控制其進行自動貼標(biāo)。同時，上位機通信控制單元與供壓單元和供標(biāo)打印單元進行通信，進而完成正負壓的實時供給和標(biāo)簽的實時打印。貼標(biāo)機器人開始貼標(biāo)運動后，安裝在其末端的激光測距儀會實時采集機器人末端與圓鋼端面的距離，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機通信控制單元。上位機通信控制單元在獲取距離信息后對貼標(biāo)機器人的貼標(biāo)位姿進行實時數(shù)據(jù)更新并對貼標(biāo)機器人的運動進行微調(diào)，以確保貼標(biāo)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確以及安全。

當(dāng)對成捆圓鋼進行批量貼標(biāo)時，成捆圓鋼自動貼標(biāo)系統(tǒng)會重復(fù)上述的通信及動作，以實現(xiàn)成捆圓鋼的自動貼標(biāo)。成捆圓鋼自動貼標(biāo)系統(tǒng)通信控制的基本原理如圖2所示。

圖2 自動貼標(biāo)系統(tǒng)通信控制原理Fig.2 Communication control principle of the automatic labeling system

2.2 成捆圓鋼自動貼標(biāo)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 成捆圓鋼端面自動貼標(biāo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of automatic labeling system on the end surfaces of bundles of round steels

成捆圓鋼自動貼標(biāo)系統(tǒng)由上位機通信控制單元、供壓單元、供標(biāo)單元、自動貼標(biāo)單元、激光測距單元和機器視覺定位單元組成。其中，上位機通信控制單元是整個系統(tǒng)的控制核心部分，其對上可通過廠內(nèi)的局域網(wǎng)與廠內(nèi)的控制系統(tǒng)進行交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的流通；對下可通過各種接口與自動貼標(biāo)系統(tǒng)中的其他單元進行相關(guān)的通信，實現(xiàn)對各單元的控制。成捆圓鋼自動貼標(biāo)系統(tǒng)中的各單元通過上位機通信控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制共同實現(xiàn)了成捆圓鋼端面的識別、圓鋼的中心定位、標(biāo)簽的實時打印、正負壓的實時變換、標(biāo)簽的提取與粘貼等一系列的貼標(biāo)動作，自動貼標(biāo)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2.1 機器視覺定位單元

圖4 各坐標(biāo)系之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the different coordinate systems

機器視覺定位單元主要是用來實現(xiàn)對成捆圓鋼端面中心定位，其硬件主要包括閃光燈、CCD傳感器和標(biāo)定板等。在首次圖像采集前需要使用標(biāo)定板對CCD傳感器進行標(biāo)定[17-20]，以便求取成像平面坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)之間的比例系數(shù)，光軸中心點的圖像平面坐標(biāo)，鏡頭畸變系數(shù)等CCD攝像機內(nèi)部參數(shù)，以及像面坐標(biāo)系與外部參考坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系的CCD攝像機外部參數(shù)。通過對CCD攝像機內(nèi)外參數(shù)的確定，最終找出空間物體的三維坐標(biāo)與CCD攝像機二維像面坐標(biāo)之間的關(guān)系。CCD攝像機像面坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系及機器人基座坐標(biāo)系的關(guān)系如圖4所示。

機器視覺定位單元在完成標(biāo)定后即可對成捆圓鋼的端面進行平面圖像采集，然后對采集到的RGB圖像進行灰度化處理，并利用濾波方法對圖像進行噪聲消除，提高圖像的質(zhì)量，并對圖像灰度進行調(diào)整，增強圖像的對比度，使圖像變得清晰。利用高帽算法對圖像進行增強，把圓鋼端面的圖像與背景圖像分離開來，使目標(biāo)物的圖像更加清晰。之后對圓鋼的像素點進行統(tǒng)計并去除干擾點，再對圖像進行分割，對分割后的圖像進行邊緣檢測[21-22]，提取出一種細化后的階梯圖像作為圓鋼端面邊緣檢測后的圖像，最終利用質(zhì)心法求取圓鋼端面中心的平面坐標(biāo)。

2.2.2 自動貼標(biāo)單元

自動貼標(biāo)單元主要包括貼標(biāo)機器人、連接器和帶有一定滑動行程的真空吸盤等。貼標(biāo)機器人選用的是Universal Robots公司的6自由度工業(yè)機器人UR5，其各連桿的D-H參數(shù)如表1所示。為應(yīng)對成捆圓鋼端面的不平整，在貼標(biāo)機器人的末端安裝有一定滑動行程的真空吸盤，可在一定范圍內(nèi)對圓鋼端面的軸向位置進行補償，可簡化貼標(biāo)機器人的運動。

表1 UR5機器人的D-H參數(shù)

利用貼標(biāo)機器人各連桿的D-H參數(shù)可求得貼標(biāo)機器人各連桿坐標(biāo)系之間的變換矩陣，并利用齊次坐標(biāo)變換的方法建立起貼標(biāo)機器人的運動學(xué)方程，結(jié)合UR5機器人的D-H參數(shù)可得貼標(biāo)機器人的運動學(xué)方程：

其中：A0是機器人坐標(biāo)系與基礎(chǔ)坐標(biāo)系之間的變換矩陣：A1—A6分別代表UR5機器人第1至第6連桿之間的變換矩陣。用si和ci分別代表sinθi和cosθi，則可得變換矩陣A0—A6的表達式為

用c23表示cos(θ2+θ3)，s23表示sin(θ2+θ3)，s234表示sin(θ2+θ3+θ4)，c234表示cos(θ2+θ3+θ4)，下文同理；x，y，z表示貼標(biāo)機器人在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，則貼標(biāo)機器人在基礎(chǔ)坐標(biāo)系上各位姿的表達式為

nx=s6s234c1-c6s1s5-c1c234c5c6,

ny=s6c234+c5c6c234,

nz=-c1c6s5+c5c6s1c234-s1s6s234,

ox=s6s1s5+c1c5s6c234+c1c6s234,

oy=c6c234-c5s6s234,

oz=c1s5s6-c5s1s6c234-c6s1s234,

ax=s5c1c234-s1c5,

ay=-s5s234,

az=-s1s5c234-c1c5,

px=x-d4s1-a2c1c2-d6c5s1-d5c1s234+d6s5c1c234-a3c1c23,

py=y+a2s2+a3s23-d6s5s234-d5c234+d1,

pz=z-d4c1-d6c1c5+a2c2s1+d5s1s234-d6s1s5c234+a3s1c23。

在正解的基礎(chǔ)上采用解析法[23]中的分離變量法[24]求取UR5機器人的反向運動學(xué)的解析解為

2.2.3 供壓單元

圖5 供壓單元示意圖Fig.5 Diagram of the pressure unit

供壓單元主要包括氣壓源、電磁換向閥、正壓連接管路、負壓連接管路、真空發(fā)生器和氣動三通接頭等。電磁換向閥通過連接管路與氣壓源、真空發(fā)生器以及氣動三通接頭相連，可控制整體氣路的通斷以及高壓氣體的流向。當(dāng)電磁換向閥處于斷開狀態(tài)時，供壓單元與整套系統(tǒng)的氣路處于斷開狀態(tài)，不為整套系統(tǒng)提供氣壓；當(dāng)電磁換向閥換向使氣壓源與正壓連接管路連通時，氣壓源的高壓氣體會直接通過氣動三通接頭輸出至整個系統(tǒng)，為整套貼標(biāo)系統(tǒng)提供正氣壓；當(dāng)電磁換向閥換向使氣壓源與負壓連接管路連通時，氣壓源的高壓氣體則通過真空發(fā)生器變?yōu)樨搲海搲和ㄟ^氣動三通管路輸出至整套系統(tǒng)，為貼標(biāo)系統(tǒng)提供負壓。這樣供壓單元就實現(xiàn)了整套系統(tǒng)的正負壓的輸出，供壓單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

3 成捆圓鋼自動貼標(biāo)系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 通信系統(tǒng)設(shè)計

成捆圓鋼自動貼標(biāo)系統(tǒng)的通信控制核心是上位機通信控制單元。上位機通信控制單元對上可通過網(wǎng)絡(luò)與廠內(nèi)的MES系統(tǒng)或ERP系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，下載或上傳相關(guān)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互；對下可以通過相關(guān)的接口與各單元進行通信，調(diào)控各單元的動作，最終實現(xiàn)信息的流通與交互。

在自動貼標(biāo)系統(tǒng)開始運行時，上位機通信控制單元首先通過廠內(nèi)的局域網(wǎng)與廠內(nèi)的數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，下載成捆圓鋼的相關(guān)數(shù)據(jù)并將其保存在自己的內(nèi)存中，之后上位機通信控制單元與成捆圓鋼自動貼標(biāo)系統(tǒng)中的其他各單元建立通信，并對各單元進行初始化[25]。成捆圓鋼輸送到位后，檢測成捆圓鋼到位信號的位置傳感器通過I/O接口將信息傳遞給數(shù)據(jù)采集卡并最終將其傳送給上位機通信控制單元，上位機通信控制單元與機器視覺定位單元通過USB接口建立通信，實現(xiàn)對成捆圓鋼端面的數(shù)據(jù)采集與處理，并最終確定每根圓鋼中心的平面坐標(biāo)。上位機通信控制單元在獲取成捆圓鋼中心的平面坐標(biāo)后會初步設(shè)定一個安全的圓鋼端面軸向距離，并結(jié)合圓鋼的姿態(tài)初步給出貼標(biāo)機器人的貼標(biāo)位姿。上位機通信控制單元會對貼標(biāo)位姿進行反解，并通過以太網(wǎng)控制貼標(biāo)機器人進行自動貼標(biāo)。貼標(biāo)機器人在貼標(biāo)時，安裝在其末端的激光測距儀會通過RS232總線接口將貼標(biāo)機器人末端距圓鋼端面的軸向距離實時反饋給上位機通信控制單元，上位機通信控制單元通過激光測距儀反饋的軸向距離實時地更新貼標(biāo)位姿以及貼標(biāo)機器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，最終實現(xiàn)圓鋼端面的準(zhǔn)確定位。

貼標(biāo)機器人在自動貼標(biāo)時，上位機通信控制單元還會與供壓單元和供標(biāo)單元進行實時的通信，以實現(xiàn)正負壓的實時供給以及標(biāo)簽的實時打印，最終實現(xiàn)成捆圓鋼的自動貼標(biāo)。貼標(biāo)完成后，上位機通信控制單元會與廠內(nèi)的MES系統(tǒng)或ERP系統(tǒng)建立通信，上傳貼標(biāo)日志，以方便管理者查閱。貼標(biāo)系統(tǒng)的通信系統(tǒng)構(gòu)架如圖6所示。

圖6 自動貼標(biāo)系統(tǒng)通信架構(gòu)Fig.6 Communication structure of the automatic labeling system

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

成捆圓鋼控制系統(tǒng)的硬件主要是工控機，工控機通過與各單元建立通信以實現(xiàn)對各單元的控制。本控制系統(tǒng)采用順序控制方式，按照預(yù)先的程序進行循環(huán)工作。在貼標(biāo)開始時，上位機通信控制單元首先執(zhí)行通信程序，向廠內(nèi)的MES系統(tǒng)或ERP系統(tǒng)發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)申請，獲取并下載成捆圓鋼的相關(guān)數(shù)據(jù)。之后上位機通信控制單元執(zhí)行相關(guān)的控制程序，控制機器視覺定位單元對成捆圓鋼端面進行圖像采集、處理以及中心定位，并調(diào)用貼標(biāo)機器人反解程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為貼標(biāo)機器人的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，并控制貼標(biāo)機器人進行自動貼標(biāo)。

圖7 自動貼標(biāo)系統(tǒng)控制界面Fig.7 Control interface of the automatic labeling system

在貼標(biāo)過程中，上位機通信控制單元需要與供壓單元、激光測距單元和供標(biāo)單元建立通信，協(xié)調(diào)各單元的工作速度使各單元同步，共同完成自動貼標(biāo)過程，是整個系統(tǒng)控制的核心，控制界面如圖7所示。

4 自動貼標(biāo)效果展示

為了驗證成捆圓鋼自動貼標(biāo)系統(tǒng)的自動貼標(biāo)效果，本團隊在實驗室的條件下對整套系統(tǒng)進行了測試。在確定機器視覺單元和自動貼標(biāo)單元的相對位姿后，對CCD攝像機進行了標(biāo)定并求取CCD攝像機的內(nèi)外參數(shù)，之后隨機擺放一捆圓鋼，利用機器視覺定位系統(tǒng)對圓鋼端面進行圖像采集、處理以及中心定位，利用貼標(biāo)機器人進行自動貼標(biāo)，貼標(biāo)過程及貼標(biāo)效果如圖8—圖10所示。

圖8 成捆圓鋼端面結(jié)構(gòu)
Fig.8 Structure of end surfaces of a bundle of round steels

圖9 自動貼標(biāo)展示
Fig.9 Automatic labeling

圖10 貼標(biāo)效果展示
Fig.10 Labeling effect

5 結(jié) 語

通過分析現(xiàn)有的成捆圓鋼生產(chǎn)工藝，設(shè)計出了一套由供壓單元、機器視覺定位單元、供標(biāo)單元、激光測距單元、自動貼標(biāo)單元和上位機通信控制單元組成的成捆圓鋼端面自動貼標(biāo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過機器視覺進行定位，通過貼標(biāo)機器人進行自動貼標(biāo)，可在無人干預(yù)的情況下進行自動貼標(biāo)，提高了成捆圓鋼貼標(biāo)的精度和準(zhǔn)確率。成捆圓鋼端面自動貼標(biāo)系統(tǒng)能夠?qū)︿搹S生產(chǎn)出的不同型號的圓鋼進行自動貼標(biāo)，其控制方式簡單，人機界面友好，操作方便，貼標(biāo)范圍大，機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，出錯概率低，能夠有效地提高貼標(biāo)質(zhì)量和效率，提高鋼廠的市場競爭力。

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Design of automatic labeling system on the end surfaces of bundles of round steels

ZHANG Fuxiang, CAI Liqiang, LI Weifeng, HUANG Fengshan

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

To achieve automatic labeling on the end surfaces of bundles of round steels for the steel plants, on the basis of the analysis of round steel production process, a set of automatic system for labeling on the round steel end surfaces of bundles is designed. The system includes the robot visual location unit, the label supply unit, the pressure supply unit, the automatic labeling unit, the laser ranging unit, and the host computer communication control unit, etc.. In the system, the robot visual location unit provides the round steel center location, and the automatic labeling unit implements automatic labeling on the round steel. The system is tested under lab condition, which shows the system can effectively solve the artificial labeling problems such as fault paste and leakage paste of workers, and realize efficient and stable automatic labeling. The system can be used in sleel plants for automatic labeling on the end surfaces of bundles of round steels.

industrial robot technology; round steels of bundles; automatic labeling; labeling robots; machine vision; location

1008-1542(2016)06-0601-08

10.7535/hbkd.2016yx06012

2016-05-21；

2016-06-13；責(zé)任編輯：馮 民

河北省科技攻關(guān)項目(13210116D)

張付祥(1973—)，男，河北青縣人，副教授，博士，主要從事機電控制與機器人方面的研究。

E-mail: zhangfx@hebust.edu.cn

TP242.2

A

張付祥，蔡立強，李偉峰，等.成捆圓鋼端面自動貼標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2016,37(6):601-608. ZHANG Fuxiang, CAI Liqiang, LI Weifeng, et al.Design of automatic labeling system on the end surfaces of bundles of round steels[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(6):601-608.