許國(guó)強(qiáng)

(運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué)，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

基于對(duì)產(chǎn)品散熱和性能的要求，目前多數(shù)的電子類(lèi)產(chǎn)品使用金屬?zèng)_壓件來(lái)代替注塑件。2015年以來(lái)，沖壓件的市場(chǎng)規(guī)模呈持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，而傳統(tǒng)沖壓技術(shù)在檢測(cè)效率、結(jié)果精度、產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)字化集成等方面存在較多的不足，所以提高沖壓設(shè)備自動(dòng)化水平是亟需解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)的沖壓企業(yè)主要存在的問(wèn)題是產(chǎn)品合格率相對(duì)較低，無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)備采購(gòu)方對(duì)沖壓機(jī)的精度要求，造成這方面問(wèn)題的主要原因是檢測(cè)方式多以人工檢測(cè)為主，不僅效率低下，而且不能對(duì)沖壓件進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)和反饋。紅外傳感器在沖壓件的特征檢測(cè)中只能對(duì)其有限的固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，這樣就使得檢測(cè)的精度不高。

針對(duì)以上問(wèn)題，本方案通過(guò)三維仿真軟件SolidWorks和ABB工業(yè)機(jī)器人仿真軟件RobotStudio進(jìn)行建模和仿真[1]，構(gòu)建一種基于機(jī)器視覺(jué)的沖壓件特征檢測(cè)和自動(dòng)化分揀裝置。首先通過(guò)三維軟件對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸送帶等部件進(jìn)行建模，按照沖壓件檢測(cè)的工藝要求和生產(chǎn)節(jié)拍，在工業(yè)機(jī)器人仿真軟件中搭建分揀機(jī)器人、CCD相機(jī)及外部設(shè)備組成的仿真動(dòng)態(tài)模型。在仿真的過(guò)程中，能夠?qū)I(yè)機(jī)器人的路徑進(jìn)行優(yōu)化，完成碰撞檢測(cè)，對(duì)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試具有指導(dǎo)意義，同時(shí)，能夠避免企業(yè)對(duì)設(shè)備的過(guò)度投入、縮短設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。

1 沖壓件特征檢測(cè)與分揀工作站構(gòu)建

沖壓件特征檢測(cè)工作站系統(tǒng)模型如圖1所示。沖壓件特征檢測(cè)工作站主要包括PLC控制系統(tǒng)、IRB1200工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人控制器、CCD相機(jī)、光源、傳送帶、暫存庫(kù)、廢品庫(kù)等。PLC通過(guò)以太網(wǎng)與ABB工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)、觸摸屏等進(jìn)行通信。PLC控制伺服電機(jī)將沖壓件通過(guò)傳送帶運(yùn)送到檢測(cè)位置，傳感器檢測(cè)到位信號(hào)，工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍照檢測(cè)，工業(yè)機(jī)器人根據(jù)獲得的沖壓件參數(shù)對(duì)其進(jìn)行分揀與碼垛。

圖1 沖壓件特征檢測(cè)工作站系統(tǒng)模型

大部分消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品上所使用的沖壓件質(zhì)量小于1 kg，相對(duì)較輕。本方案中所設(shè)計(jì)的機(jī)器人末端的吸盤(pán)工具的質(zhì)量小于3 kg。選用最高載荷為7 kg、最大到達(dá)能力為0.9 m的ABB IRB1200型工業(yè)機(jī)器人來(lái)完成沖壓件的分揀和搬運(yùn)。選用OSe的PWD-6024-4型數(shù)字光源控制器控制BTH-200*200X型光源來(lái)產(chǎn)生平行背光，該光源亮度高，均勻性好，適用于沖壓件尺寸測(cè)量以及表面劃痕、碰傷等缺陷的檢測(cè)。采用信捷SV5-120M型CCD工業(yè)相機(jī)能夠自主對(duì)圖像進(jìn)行運(yùn)算處理并支持Modbus485/TCP的CCD工業(yè)相機(jī)來(lái)完成沖壓件特征的識(shí)別。選用西門(mén)子的S7-1200PLC與TP900的HMI完成工業(yè)機(jī)器人、輸送帶、工業(yè)相機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸與控制。

在仿真的過(guò)程中，通過(guò)RobotStudio中的smart組件創(chuàng)建機(jī)械裝置，仿真由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸送帶運(yùn)送沖壓機(jī)的運(yùn)行過(guò)程。創(chuàng)建1個(gè)線性傳感器、2個(gè)面?zhèn)鞲衅鞣抡鏆鈩?dòng)抓手抓取信號(hào)、沖壓件到位檢測(cè)信號(hào)和工業(yè)相機(jī)檢測(cè)信號(hào)[2]。在整個(gè)通訊過(guò)程中，PLC、工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)通過(guò)I/O端口進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。沖壓件特征檢測(cè)工作站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 沖壓件特征檢測(cè)工作站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)沖壓設(shè)備的工序流程，沖壓件的檢測(cè)與分揀工作站為整個(gè)生產(chǎn)線的質(zhì)檢環(huán)節(jié)。為了方便與上下游的生產(chǎn)工序進(jìn)行對(duì)接，對(duì)本工作站中輸送帶起始位置和垛盤(pán)位置進(jìn)行了擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)。在工作站的循環(huán)作業(yè)工序中，輸送帶將沖壓件傳送到工業(yè)相機(jī)的正下方位置，觸發(fā)面?zhèn)鞲衅?檢測(cè)到位信號(hào)，信號(hào)通過(guò)I/O端口發(fā)送給smart組件，smart組件停止輸送帶的傳輸，延時(shí)1 s[3]。由CCD相機(jī)對(duì)沖壓件進(jìn)行拍照，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，包括工件尺寸、缺陷程度、工件位置等。接著smart組件將沖壓件傳送到分揀位置，觸發(fā)面?zhèn)鞲衅?。工業(yè)機(jī)器人根據(jù)機(jī)器視覺(jué)采集到的數(shù)據(jù)將合格的沖壓件搬運(yùn)至?xí)捍婧兄校缓细竦膭t被分揀到回收盒子中。沖壓件的抓取和放下的信號(hào)通過(guò)安裝在TCP(Tool Central Point，工具中心點(diǎn))上的線傳感器進(jìn)行仿真[4]。

整個(gè)工序過(guò)程中，加入對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和防碰撞設(shè)計(jì)，提高了工作運(yùn)行的可靠性。檢測(cè)工作站系統(tǒng)作業(yè)流程如圖3所示。

圖3 檢測(cè)工作站系統(tǒng)作業(yè)流程

2 工作站smart組件的設(shè)計(jì)

沖壓件分揀工作站的機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)和電氣控制邏輯的實(shí)現(xiàn)，需要通過(guò)RobotStudio中的smart組件進(jìn)行創(chuàng)建。通過(guò)smart組件對(duì)機(jī)器人抓手、面?zhèn)鞲衅鳌⑤斔蛶У冗M(jìn)行設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)效果。在輸送帶smart組件中，通過(guò)source和queue完成了沖壓件的產(chǎn)生，添加LineMover實(shí)現(xiàn)沖壓件的直線移動(dòng)，面?zhèn)鞲衅鱌laneSensor1和PlaneSensor2將沖壓件分配到雙工位上進(jìn)行拍照和分揀。輸送帶上的沖壓件在傳送的過(guò)程中，首先在PlaneSensor1處通過(guò)CCD工業(yè)相機(jī)對(duì)其進(jìn)行拍照，對(duì)沖壓件的特征進(jìn)行分析，將分析的結(jié)果傳送給PLC；其次，再啟動(dòng)傳送帶，在PlaneSensor2處，工業(yè)機(jī)器人根據(jù)PLC傳送沖壓件的特征信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分揀和堆垛[5]。其中，LogicSRLatch能夠?qū)崿F(xiàn)PlaneSensor2的優(yōu)先級(jí)高于PlaneSensor1，這樣就可使沖壓件在分揀工位時(shí)輸送帶停止運(yùn)行。

工業(yè)機(jī)器人根據(jù)沖壓件特征信息進(jìn)行分揀，需要通過(guò)吸盤(pán)工具對(duì)其進(jìn)行抓取和放置的操作。在吸盤(pán)smart組件中，添加LineSensor來(lái)完成工件的安裝與拆除。吸盤(pán)smart組件如圖4所示，通過(guò)Counter來(lái)完成抓取工件的計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值與暫存庫(kù)中能夠存儲(chǔ)沖壓件的個(gè)數(shù)通過(guò)Comparer進(jìn)行比較，生成的輸出信號(hào)用于停止工業(yè)機(jī)器人的分揀程序。

圖4 吸盤(pán)smart組件

真實(shí)的沖壓件自動(dòng)分揀工作站以S7-1200PLC為控制核心。依托標(biāo)準(zhǔn)I/O板卡DSQC651，PLC與ABB工業(yè)機(jī)器人之間通過(guò)Profinet協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采集面?zhèn)鞲衅鳌⒕€傳感器、機(jī)器視覺(jué)、輸送帶等發(fā)送的數(shù)據(jù)。在RobotStudio中完成工作站模型和smart組件的構(gòu)建之后，需要通過(guò)配置I/O信號(hào)來(lái)完成輸送帶組件、工業(yè)相機(jī)組件、工業(yè)機(jī)器人、吸盤(pán)組件等的數(shù)據(jù)連接。工業(yè)機(jī)器人通過(guò)DigitalOutput信號(hào)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的DigitalInput信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接；線、面?zhèn)鞲衅魍ㄟ^(guò)DigitalOutput信號(hào)與工業(yè)機(jī)器人、PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的連接。配置4個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)分別作為工件到位信號(hào)1、工件到位信號(hào)2、吸盤(pán)工具動(dòng)作信號(hào)、工件計(jì)數(shù)信號(hào)，配置4個(gè)輸出信號(hào)分別作為拍照完成信號(hào)、吸盤(pán)動(dòng)作完成信號(hào)、分揀完成信號(hào)、暫存庫(kù)已滿(mǎn)信號(hào)。機(jī)器人部分I/O信號(hào)如表1所示。

表1 機(jī)器人部分I/O信號(hào)

3 RAPID程序設(shè)計(jì)與仿真

在之前的設(shè)計(jì)中，我們完成了沖壓件自動(dòng)分揀站模型的空間布局、smart組件的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)I/O的配置，之后，需要?jiǎng)?chuàng)建工具坐標(biāo)和工件坐標(biāo)，并根據(jù)分揀工作站的作業(yè)流程對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡和分揀作業(yè)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。

吸盤(pán)工具為用戶(hù)自定義工具。工具坐標(biāo)系tool0的初始位置在工業(yè)機(jī)器人末端法蘭盤(pán)中心位置，其Z軸正方向垂直于法蘭盤(pán)。需要通過(guò)建立新工具坐標(biāo)系，將原工具坐標(biāo)系的原點(diǎn)移至吸盤(pán)工具中心位置，其Z軸正方向垂直于吸盤(pán)工具表面，這樣就可以方便調(diào)整工具的姿態(tài)來(lái)進(jìn)行示教。將工件坐標(biāo)創(chuàng)建于傳送帶末端的正上方中心位置。以該工件坐標(biāo)為基準(zhǔn)，在暫存庫(kù)和廢品庫(kù)左上角的位置示教兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)target20和target30，完成對(duì)沖壓件存放庫(kù)的示教。

為了加強(qiáng)RAPID程序的可讀性和可維護(hù)性，工業(yè)機(jī)器人程序?qū)⒏鶕?jù)不同的功能劃分為不同的子程序，由主函數(shù)對(duì)其進(jìn)行邏輯控制和子函數(shù)的調(diào)用。程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在分揀的過(guò)程中需要對(duì)垛盤(pán)的位置進(jìn)行坐標(biāo)定位，如果存在誤差，吸盤(pán)工具將與暫存庫(kù)或廢料庫(kù)發(fā)生碰撞。在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為了保證硬件的穩(wěn)定工作，需要對(duì)I/O端口、變量等進(jìn)行初始化[6]。以main()函數(shù)作為整個(gè)程序執(zhí)行的起點(diǎn)，沖壓件自動(dòng)分揀工作站主程序如下：

PROC main()

ConfLoff; !關(guān)閉軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的監(jiān)控

rInitall; !初始化設(shè)備狀態(tài)，用于復(fù)位工業(yè)機(jī)器人位置等相關(guān)數(shù)據(jù)

WHILE TRUE DO

IF DI_planesensor2=1 THEN !工具到位

IF DO_stockfull=0 THEN !庫(kù)未滿(mǎn)

IF DO_kind=1 THEN !如果工件檢測(cè)合格

rPosition1; !調(diào)用暫存庫(kù)位置程序

rPick1; !調(diào)用暫存庫(kù)工件拾取程序

rPlcae1; !調(diào)用暫存庫(kù)工件放置程序

ELSE !如果工件檢測(cè)不合格

rPosition2; !調(diào)用廢料庫(kù)位置程序

rPick2; !調(diào)用廢料庫(kù)工件拾取程序

rPlcae2; !調(diào)用廢料庫(kù)工件放置程序

ENDIF

ELSE !如果庫(kù)已滿(mǎn)

TPErase;

TPWrite”the stock is full,please check it!”;

Stop;

ENDIF

ENDWHILE

ENDPROC

在RobotStudio仿真軟件中，通過(guò)smart組件完成動(dòng)態(tài)組件模塊的控制邏輯功能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該仿真系統(tǒng)配置了工業(yè)機(jī)器人、傳送帶和工業(yè)相機(jī)等的smart組件，并與上、下道工序之間保持著豐富的設(shè)備接口連接。經(jīng)過(guò)仿真和調(diào)試，該系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行，縮短了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)間，提高了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)沖壓件的生產(chǎn)工序和工藝流程，構(gòu)建了基于工業(yè)機(jī)器人的沖壓件自動(dòng)檢測(cè)與分揀工作站系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了工作站的系統(tǒng)模型、傳感器、I/O網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)的smart組件，并通過(guò)工作站的邏輯與工業(yè)機(jī)器人的程序完成了該系統(tǒng)的驗(yàn)證和動(dòng)態(tài)仿真。在該設(shè)計(jì)中，工業(yè)機(jī)器人與機(jī)械裝置的配合工作是關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)各機(jī)械裝置與工業(yè)機(jī)器人的信號(hào)交互是本文的核心，而這也正是工業(yè)機(jī)器人實(shí)際操作中的核心問(wèn)題。可見(jiàn)，基于工業(yè)機(jī)器人的沖壓件自動(dòng)分揀工作站的仿真在提高實(shí)操過(guò)程的精度、完善工作站的布局、優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡等方面都有積極的意義。