雷豐順

（廣州達(dá)意隆包裝機(jī)械股份有限公司，廣東 廣州 510530）

0 引言

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中得到了飛速發(fā)展，智能化程度也在不斷提高，其在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。針對市場上220 L這類大油桶的生產(chǎn)線，在旋蓋和擰蓋這個工藝段，大部分工廠還是通過人工手動操作。由于人力成本和管理成本越來越高，很多工廠都希望可以實(shí)現(xiàn)自動化升級。而難點(diǎn)在于如何讓設(shè)備具備人眼一樣的識別功能，同時需要設(shè)計(jì)必要的工具代替人手的操作。由于空油桶在輸送線上行走時，油桶口的位置可能在任意一個角度，這里就要用到代替人眼功能的視覺相機(jī)，精確識別桶口的位置。通過機(jī)器人和視覺與電氣控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，最終實(shí)現(xiàn)智能化的機(jī)器人作業(yè)，降低了工廠的人力成本和管理成本，提高了生產(chǎn)效率。

1 工藝流程

方案布局圖如圖1所示，系統(tǒng)包括空桶拔蓋區(qū)B1、灌油區(qū)B2、封蓋旋緊區(qū)B3、空桶區(qū)視覺識別S1、滿桶區(qū)視覺識別S2以及機(jī)器人和夾具。

圖1 方案布局圖

首先是機(jī)器人執(zhí)行初始化，根據(jù)擰蓋夾爪的狀態(tài)判斷是進(jìn)入松蓋子程序還是擰蓋子程序。當(dāng)松蓋區(qū)B1傳感器檢測到空油桶到位后，機(jī)器人停在等待視覺S1拍照位置，視覺S1第1次拍照，識別出油桶塑料蓋相對于基準(zhǔn)線的角度位置，并將角度參數(shù)發(fā)給機(jī)器人，機(jī)器人執(zhí)行動作，通過夾具上的吸盤吸附空油桶后旋轉(zhuǎn)到基準(zhǔn)0度位置，然后機(jī)器人回到等待視覺S1拍照位置。視覺S1第2次拍照，識別白色塑料蓋位置，并將識別角度與基準(zhǔn)位置進(jìn)行比較，偏差在允許的數(shù)值范圍內(nèi)判斷為正常，同時把白色塑料蓋的X，Y坐標(biāo)發(fā)給機(jī)器人，機(jī)器人得到白色塑料蓋的坐標(biāo)位置，執(zhí)行拔除白色塑料蓋的動作，并將白色塑料蓋放入塑料蓋料倉，然后機(jī)器人再次回到等待視覺S1拍照位置。視覺S1第3次拍照，判斷白色塑料蓋已經(jīng)拔出。視覺S1第4次拍照，識別鐵蓋內(nèi)2個凸頭的角度R和鐵蓋的X，Y坐標(biāo)位置，伺服電機(jī)根據(jù)角度R旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)擰鐵蓋的夾爪與鐵蓋凸頭成90°交叉，機(jī)器人根據(jù)X，Y坐標(biāo)運(yùn)行到松鐵蓋的位置，伺服電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，將鐵蓋擰出來，機(jī)器人回到等待視覺S1拍照位置。視覺S1第5次拍照，判斷鐵蓋是否被擰出來。蓋子都擰出來了，則允許松蓋區(qū)的空油桶進(jìn)入灌裝區(qū)。

灌裝區(qū)B2傳感器檢測空桶到位后，灌裝機(jī)開始灌裝，灌裝完后允許油桶運(yùn)行到擰蓋區(qū)，通過B3傳感器檢測擰蓋區(qū)的油桶到位。機(jī)器人運(yùn)行到等待視覺S2拍照位置，B3傳感器檢測擰蓋區(qū)的油桶到位，視覺S2第1次拍照，將桶口的X，Y坐標(biāo)發(fā)給機(jī)器人，機(jī)器人執(zhí)行擰蓋程序，夾具上的伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動擰蓋夾爪順時針轉(zhuǎn)動，伺服電機(jī)達(dá)到擰緊所需的扭力時停止動作，機(jī)器人上升回到等待視覺S2拍照位置，擰蓋動作完成。視覺S2第2次拍照，判斷鐵蓋已經(jīng)擰緊旋好，則允許擰蓋區(qū)的油桶出去，機(jī)器人回到等待視覺S1拍照位置，準(zhǔn)備下一個空油桶的拔蓋流程。

2 機(jī)器視覺系統(tǒng)原理

機(jī)器視覺系統(tǒng)就是利用機(jī)器來代替人眼實(shí)現(xiàn)各種測量和判斷。其原理是通過相機(jī)成像建立圖像模板，然后建立圖像坐標(biāo)與機(jī)器人坐標(biāo)（二維）之間的函數(shù)關(guān)系。在工作中，相機(jī)能夠識別視野范圍內(nèi)的工件二維方向的位置并計(jì)算出坐標(biāo)，使機(jī)器人能移動到工藝要求的精確位置，配合相關(guān)設(shè)備來模擬人的視覺行為。在工件位置不固定、工件型號多樣化并且顏色有差異時，通過視覺系統(tǒng)可以識別工件型號、顏色并定位物體坐標(biāo)，引導(dǎo)機(jī)器人將識別的工件放置在指定區(qū)域或通過機(jī)器人驅(qū)動相應(yīng)的夾具完成工藝操作。視覺軟件通過多點(diǎn)標(biāo)定的方法在圖像坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系之間建立聯(lián)系，引導(dǎo)機(jī)器人對已定位的目標(biāo)完成工藝操作。

2.1 視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

為了提高視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及整個工藝的高速要求，這里將2個視覺分別固定在支架上，S1處采用條形光源，S2處采用圓形光源?？沼屯皡^(qū)的視覺選用500萬像素的廣角相機(jī)。在滿油桶區(qū)，由于相機(jī)的視野只有桶口這個區(qū)間，精度不用太高，所以選用30萬像素的普通相機(jī)就可以滿足要求。為了讓機(jī)器人抓放蓋子的位置準(zhǔn)確，利用視覺系統(tǒng)的功能計(jì)算出位置偏差值，通過函數(shù)計(jì)算出X，Y坐標(biāo)位置，并利用PLC處理數(shù)據(jù)后，通過PROFINET現(xiàn)場總線傳送給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)X，Y坐標(biāo)值完成高精度的松蓋、擰蓋工作。

2.2 視覺系統(tǒng)任務(wù)

通過視覺系統(tǒng)采集油桶的蓋子及桶口的中心點(diǎn)二維坐標(biāo)（X，Y）和當(dāng)前油桶相對于視覺模板中圖像的角度R，發(fā)給PLC進(jìn)行處理后，在圖像坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系之間建立聯(lián)系，并最終引導(dǎo)機(jī)器人完成工藝控制作業(yè)。

2.3 相機(jī)標(biāo)定

在做視覺任務(wù)前，需要先做好相機(jī)的標(biāo)定工作。這是由于相機(jī)默認(rèn)輸出的坐標(biāo)值是相機(jī)采集到的像素值，并非實(shí)際工件位置的尺寸，所以需要對物理坐標(biāo)與像素值進(jìn)行映射標(biāo)定。要想將相機(jī)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人坐標(biāo)系下的位置數(shù)據(jù)，必須建立相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系，該過程通過相機(jī)標(biāo)定來實(shí)現(xiàn)。設(shè)定校準(zhǔn)后，可使測量結(jié)果像素值轉(zhuǎn)換為實(shí)際尺寸并輸出，相機(jī)標(biāo)定結(jié)果的精度及算法的穩(wěn)定性直接關(guān)系到工件的定位精度。因此，做好相機(jī)標(biāo)定是進(jìn)行后續(xù)工作的前提[2]。

2.3.1 標(biāo)定前準(zhǔn)備

標(biāo)定前需要調(diào)整好相機(jī)和光源的高度，相機(jī)光源曝光以及鏡頭焦距，并固定好，在機(jī)器人夾具上安裝標(biāo)定針頭，打印用于標(biāo)定的校準(zhǔn)網(wǎng)格紙，并固定在油桶表面水平鋪平。

2.3.2 相機(jī)標(biāo)定方法

這里采用九點(diǎn)標(biāo)定法，通過標(biāo)定針頭在校準(zhǔn)網(wǎng)格紙中取9組點(diǎn)，每組點(diǎn)都會記錄一個機(jī)器人坐標(biāo)系下的值和一個圖像坐標(biāo)系下的值。通過這9組坐標(biāo)，在In-Sight軟件里調(diào)用函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)像素與毫米的轉(zhuǎn)換、圖像坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)的夾角以及矯正鏡頭的畸變。九點(diǎn)標(biāo)定后，圖像坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系已經(jīng)平行了，只差原點(diǎn)不重合，即機(jī)器人走幾毫米，圖像里面就會走幾毫米[1]。

2.3.3 標(biāo)定過程

基于該文工藝要求，需要分別標(biāo)定2個相機(jī)和機(jī)器人，標(biāo)定步驟具體分為3步。1） 用機(jī)器人三點(diǎn)法示教出一個機(jī)器人的用戶坐標(biāo)系。用戶坐標(biāo)系的原點(diǎn)根據(jù)實(shí)際情況而定，一般選擇流水線上一個固定位置參考點(diǎn)，該參考點(diǎn)要方便相機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化標(biāo)定。2）創(chuàng)建空油桶標(biāo)定模板，需要進(jìn)行標(biāo)定的空油桶通過自動運(yùn)行進(jìn)入工作位，在油桶蓋子上面平鋪一張用于校準(zhǔn)的網(wǎng)格紙，在In-Sight軟件中實(shí)時查看畫面，確認(rèn)其在相機(jī)S1視野內(nèi)，然后移動機(jī)器人，使機(jī)器人夾具上安裝好的標(biāo)定針頭移動到第1個標(biāo)記點(diǎn)，獲取圖像坐標(biāo)和機(jī)器人坐標(biāo)，再移動機(jī)器人，依次獲取其他8個位置的機(jī)器人坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)，完成標(biāo)定。3）創(chuàng)建滿油桶標(biāo)定模板，當(dāng)空油桶固定在拔蓋工作位后，在油桶桶口上面平鋪一張用于校準(zhǔn)的網(wǎng)格紙，在In-Sight軟件中實(shí)時查看畫面，確認(rèn)其在相機(jī)S2視野內(nèi)，然后移動機(jī)器人，使機(jī)器人夾具上安裝好的標(biāo)定針頭移動到第1個標(biāo)記點(diǎn)，獲取圖像坐標(biāo)和機(jī)器人坐標(biāo)，再移動機(jī)器人，依次獲取其他8個位置的機(jī)器人坐標(biāo)和圖像坐標(biāo)，完成標(biāo)定。

完成標(biāo)定后，統(tǒng)一相機(jī)輸出坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系，通過10次視覺系統(tǒng)拍照讀取油桶的10個隨機(jī)位置，再搖動機(jī)器人，使標(biāo)記工件分別停到這10個位置，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行記錄，算出平均誤差值，在PLC的算法內(nèi)，通過這個誤差值對坐標(biāo)系進(jìn)行糾偏。

3 控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)由S7-1500PLC、ABB機(jī)器人、康耐視視覺系統(tǒng)以及伺服V90PN，通過PROFINET現(xiàn)場總線組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中S7-1500自帶PROFINET接口，在硬件組態(tài)中配置好網(wǎng)絡(luò)和IP地址，并添加好V90PN和視覺從站，其中ABB從站的配置需要先從ABB機(jī)器人硬盤拷貝出與實(shí)際硬件和系統(tǒng)版本一致的PROFINET的GSD文件，在硬件組態(tài)里添加ABB從站，分配好名稱和IP地址，在ABB機(jī)器人的控制面板配置好PROFINET通信的相關(guān)配置和變量[3]。

PROFINET網(wǎng)絡(luò)配置好后，通過PLC采集視覺數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并對工藝進(jìn)行精確控制，最終實(shí)現(xiàn)由視覺系統(tǒng)代替人眼的識別功能，機(jī)器人及相關(guān)夾具組件代替人手進(jìn)行松蓋、擰蓋的操作。人機(jī)界面可以對視覺系統(tǒng)每次拍照的步驟進(jìn)行監(jiān)控。設(shè)備工作區(qū)域采用防護(hù)網(wǎng)圍蔽保護(hù)，操作員出入的門有雙回路的門檢測開關(guān)，并接入機(jī)器人的安全回路，實(shí)現(xiàn)人機(jī)隔離，確保設(shè)備運(yùn)行過程中的人員安全。

4 結(jié)語

該文介紹的機(jī)器人視覺系統(tǒng)已經(jīng)在益海糧油投入使用。在使用過程中系統(tǒng)運(yùn)行良好。系統(tǒng)中使用的康耐視視覺系統(tǒng)，In-Sight軟件的電子表格功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)簡單、便于維護(hù)，整個系統(tǒng)穩(wěn)定高效，滿足生產(chǎn)的需求，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，節(jié)約了人力成本和管理成本。隨著機(jī)器人和視覺技術(shù)的發(fā)展，基于視覺的機(jī)器人控制系統(tǒng)，在智能化的工業(yè)升級中將會得到更多的應(yīng)用。