張凱明

摘要：隨著注塑行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率要求在不斷提高，注塑自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化設(shè)備相配合使得整條注塑生產(chǎn)線的效率和質(zhì)量都得到了提升?但是仍有一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝特殊的產(chǎn)品難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化，依賴人工進(jìn)行上下料，耗時(shí)過長，定位精度低，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證?

關(guān)鍵詞：注塑自動(dòng)化;生產(chǎn)線;控制系統(tǒng)

1工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用

在自動(dòng)化的生產(chǎn)過程當(dāng)中，有很多需要單一搬運(yùn)的工作?這里所說的搬運(yùn)工作，指的是將一個(gè)或多個(gè)工件，從一個(gè)地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地點(diǎn)的工作?早期的生產(chǎn)過程中，大多是靠人力進(jìn)行搬運(yùn)工作，其工作強(qiáng)度之大，工作效率之低可想而知?由于工業(yè)自動(dòng)化程度越來越高加上工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)奏越來越快，負(fù)責(zé)搬運(yùn)工作的工業(yè)機(jī)器人越來越多的被工廠所使用，相對(duì)于傳統(tǒng)人力搬運(yùn)，利用機(jī)器人搬運(yùn)，可以設(shè)計(jì)不同的末端執(zhí)行器來配和完成各種各樣形狀不同的工件的搬運(yùn)工作，這樣也可以極大的減輕人力的單一搬運(yùn)工作?各式各樣的搬運(yùn)機(jī)器人被普遍應(yīng)用于汽車裝配制造生產(chǎn)線、機(jī)床上下料、沖壓機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線、碼垛搬運(yùn)生產(chǎn)線以及集裝箱等的自動(dòng)搬運(yùn)[1]?

工業(yè)機(jī)器人與注塑機(jī)之間的關(guān)燈工廠漸漸替代了人工生產(chǎn)線，正在成為主流，并且逐漸在加工制造企業(yè)得到應(yīng)用?在國外，工業(yè)機(jī)器人在各行各都有所涉及，包括運(yùn)輸領(lǐng)域、機(jī)械裝配、焊接領(lǐng)域等?因此一些具備世界影響力的工業(yè)機(jī)器人公司也就運(yùn)用而生，其中有ABB、FAUNC、安川、KUKAlM?ABB公司主攻機(jī)器人的控制、程序延展性比較好;德國KUKA在汽車領(lǐng)域應(yīng)用很多，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了很多的標(biāo)準(zhǔn)化處理，人工操作起來十分便利;日本的FAUNC在機(jī)器人數(shù)字控制方面優(yōu)勢明顯，到2015年，該公司在全球范圍內(nèi)的機(jī)器人應(yīng)用數(shù)量己超過40萬臺(tái);日本的安川公司的機(jī)器人銷量同樣可觀?這四大機(jī)器人家族在行業(yè)內(nèi)樹立標(biāo)桿，幾乎壟斷整個(gè)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，并且在減速器，運(yùn)動(dòng)控制，安全設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)方面要長期積累，表現(xiàn)優(yōu)異[2]?

根據(jù)調(diào)查，2016年以來，我們國家的機(jī)器人普及率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的歐美國家，為此，國家還專門制定了很多刺激政策來促進(jìn)我國在該領(lǐng)域的發(fā)展?《中國制造2025》計(jì)劃就是其中的典型，它將機(jī)器人的研發(fā)與制造作為了國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標(biāo)[3]?掌握智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，是中國由工業(yè)大國向工業(yè)強(qiáng)國邁進(jìn)的重要指標(biāo)之一?國家積極支持培養(yǎng)龍頭企業(yè)，使得我國的機(jī)器人行業(yè)正在大踏步地向前發(fā)展邁進(jìn)，追趕國際上先進(jìn)的標(biāo)桿行業(yè)，也有利于我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?

2基于視覺的機(jī)器人剪澆口系統(tǒng)

2.1視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人視覺系統(tǒng)的控制方式有兩種形式：

（1）先看后動(dòng)的控制方式?顧名思義，這種控制形式是先進(jìn)行圖像采集，然后機(jī)器人在根據(jù)所采集的圖像進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，引導(dǎo)機(jī)器人末端執(zhí)行器到達(dá)特定位置?

（2）視覺伺服的控制方式?也稱邊看邊動(dòng)?簡而言之就是講攝像機(jī)與機(jī)器人綁定在一起，攝像機(jī)隨著機(jī)器人的移動(dòng)而移動(dòng)，由于拍攝環(huán)境的不停改變，這就要求攝像機(jī)需要時(shí)時(shí)刻刻進(jìn)行圖像采集，然后計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理圖像特征處理，機(jī)器人隨之調(diào)整姿態(tài)，做出相應(yīng)動(dòng)作[4]?

考慮到機(jī)器人在切割澆口時(shí)，澆口的位置過于分散?在切割過程中難以實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的實(shí)時(shí)采集，所以決定采用上述第一種控制方法一先看后動(dòng)（Look-then-Move）的開環(huán)控制方式?由于該種方式對(duì)切割時(shí)位置精度要求較大，故需要保證整個(gè)系統(tǒng)具備很高的標(biāo)定精度?

剪切澆口的工作原理為：將攝像機(jī)固定好，去逐一拍攝每一個(gè)澆口，經(jīng)過圖像處理后將得到的信息傳給計(jì)算機(jī)，由工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器的移動(dòng)，調(diào)整其位姿，最終實(shí)現(xiàn)預(yù)期的切割作業(yè)[5]?

本系統(tǒng)構(gòu)成的主體為庫卡工業(yè)機(jī)器人和位置固定的機(jī)器視覺系統(tǒng)?庫卡機(jī)器人的型號(hào)為KR 120R3900ultraK，屬于六自由度工業(yè)機(jī)器人?

2.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人剪澆口系統(tǒng)的基本組成有工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源發(fā)生器?KUKA機(jī)器人及其控制柜和主控PLC配合使用?在視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中提到，本系統(tǒng)采用固定相機(jī)的方式進(jìn)行圖像采集，工業(yè)相機(jī)與光源發(fā)生器通過鋁型材等連接件固定在激光切割機(jī)上方?

（1）工業(yè)相機(jī)

由于相機(jī)需要與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行通訊，因此選擇Cognex千兆網(wǎng)以太網(wǎng)對(duì)切割時(shí)候需要的圖像進(jìn)行采集的工業(yè)相機(jī)，型號(hào)為IS8405-363-10，加上型號(hào)為BWHXA30D120R5W-24V的環(huán)形光源?

（2）鏡頭

鏡頭的選擇影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性?在選擇合適的鏡頭時(shí)，需要考慮到以下相關(guān)參數(shù)：

1）靶面尺寸：要注意與之相對(duì)應(yīng)的相機(jī)靶面尺寸的大小是否合適;2）鏡頭接口方式?3）光圈大?。汗馊Q定鏡頭在單位時(shí)間內(nèi)的通光量?4）焦距：焦距作為鏡頭的重要參數(shù)之一，它決定了攝像機(jī)的拍攝范圍[6]?

（3）安裝方式

在工業(yè)現(xiàn)場測試中可以獲得較好的圖片對(duì)比度和圖片質(zhì)量?

2.3軟件平臺(tái)的搭建

以微軟VisualStudio（以下簡稱VS）為主功能框架，配置Visionpro視覺處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理?相較于LabVIEW等其他軟件開發(fā)平臺(tái)，VS具有集成度高、開發(fā)周期短可讀性好等優(yōu)點(diǎn)?由于KUKA機(jī)器人一般是通過其內(nèi)部提供的KRL（KUKARobeot Language）進(jìn)行編程?本系統(tǒng)采用的控制方式為視覺傳感器將采集到的圖像信息發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行處理，然后將所得結(jié)果發(fā)送給機(jī)器人控制器進(jìn)而引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)?

2.4圖像獲取

本視覺系統(tǒng)采用CCD攝像機(jī)，將硬件連接完成之后，并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，安裝并打開VisionPro軟件，利用軟件中的可視化工具Image Source來獲取淺口圖像?

2.5攝像機(jī)標(biāo)定

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，從攝像機(jī)拍攝的圖片信息中，可以確定出在三維空間內(nèi)被拍攝物的幾何信息，然后所獲得的信息重新建立被拍攝物的位置信息，而在三維空間內(nèi)，一個(gè)物件上某個(gè)點(diǎn)的幾何位置信息時(shí)確定的，但是要將這個(gè)位置信息對(duì)應(yīng)到所拍攝該點(diǎn)的攝像機(jī)上以及攝像機(jī)拍攝完成后所成的圖像上，就需要建立不同的坐標(biāo)信息，來講他們進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換?

（1）世界坐標(biāo)系：即真實(shí)狀態(tài)下的坐標(biāo)系，由XW軸、YW軸和ZW軸組成，人們?nèi)庋鬯芸吹膶?shí)際能摸到的物體在世界坐標(biāo)系下的點(diǎn)，表示具體位置?

（2）攝像機(jī)坐標(biāo)系：以攝像機(jī)為中;鏡頭拍攝的中心、軸為主軸，由XC軸、YC軸和ZC軸組成?

（3）圖像坐標(biāo)系：在二維平面中形成的坐標(biāo)系，由X、Y軸組成?攝像機(jī)內(nèi)部形成的?

3總結(jié)

在自動(dòng)化技術(shù)普及前常用人工埋入法，工人需要將嵌件逐一放入半成品中，這種方式不僅耗時(shí)耗力，還容易因?yàn)椴僮鲿r(shí)距離注塑機(jī)過近出現(xiàn)危險(xiǎn)，難以滿足加工效率的要求，并且安全性較低?工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，笛卡爾空間中各種銜接算法也在不停的得到開發(fā)和應(yīng)用，再加上各種新型插補(bǔ)算法的出現(xiàn)，笛卡爾空間規(guī)劃中的一些問題也逐漸被解決，算法也逐漸走向成熟?但是笛卡爾空間規(guī)劃的受用面比較狹窄，現(xiàn)存的大部分方法都只能依靠已知的函數(shù)線條來對(duì)軌跡進(jìn)行描述，若所需軌跡復(fù)雜程度較高，難以用常規(guī)函數(shù)進(jìn)行表示時(shí)，軌跡規(guī)劃就會(huì)遇到障礙?雖然也出現(xiàn)了一些創(chuàng)新算法能夠利用視覺識(shí)別等技術(shù)擺脫數(shù)學(xué)模型的桎梏，但是這些方法還不夠成熟，還需要進(jìn)一步的開發(fā)和實(shí)踐?

參考文獻(xiàn)：

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