引言

針對種類多、公差大且作業(yè)要求精準的產(chǎn)品,其作業(yè)位置的判別非常重要。因此在工業(yè)機器人上建立一套視覺系統(tǒng),使得機器人針對外部環(huán)境的變化可及時調(diào)整,有利于機器人跟蹤、識別等一系列操作,提高工業(yè)機器人的適應(yīng)性和靈活性。本文以熱水壺壺底作為研究對象,對智能涂膠機器人進行視覺系統(tǒng)的應(yīng)用研究。本文所述智能涂膠系統(tǒng)與三維視覺系統(tǒng)、雙目視覺系統(tǒng)相比,具有性價比高的特點:其應(yīng)用不局限于涂膠行業(yè),同時基于視覺的技術(shù)還可應(yīng)用于焊接領(lǐng)域。

1智能涂膠系統(tǒng)技術(shù)路線

某工廠內(nèi)熱水壺壺底主要有4種型號,如圖1所示,其加熱環(huán)是人工手動放置在金屬盤上,造成各工件加熱環(huán)相對于金屬盤的軸向和徑向位置之間有一定的差異:涂膠工位需要分別在待涂膠位置(圓柱體)1、2的中心點處正上方滴膠,稀薄的膠液流動后可將整個圓柱體包裹。該膠液為防水膠液,膠量少時難以將整個圓柱體完全包裹:而膠量多時易流至加熱環(huán)外端的金屬盤(如圖1左上工件),形成廢品,因此上述操作對工人技術(shù)要求非常高。

圖1  4種型號熱水壺壺底

該涂膠工藝難點在于涂膠位置的精準判斷,據(jù)工廠統(tǒng)計,壺底涂膠工藝廢品率高達20%。為解決上述問題,本文進行了智能涂膠系統(tǒng)研究,設(shè)計使用視覺系統(tǒng)配合六軸機械手完成壺底的涂膠工作。

壺底加熱盤為鑄造件,待涂膠位置點的高度不盡相同,因此必須準確獲取涂膠圓柱體的空間三維位置才能保證涂膠工藝順利完成。智能涂膠系統(tǒng)技術(shù)路線如圖2所示,本文使用數(shù)字相機確認待涂膠位置中心點的平面坐標值,使用激光傳感器確認高度坐標值,以上數(shù)值經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換后通過總線方式傳遞給機器人,引導機器人完成壺底點膠、涂膠工作。

2智能涂膠系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)由六自由度機械手、數(shù)字相機、激光傳感器、供膠系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)組成。其中,機械手采用負載為6kg的六自由度機械手:視覺系統(tǒng)采用數(shù)字相機和激光測距儀配合,實現(xiàn)涂膠點的空間三維測量,由于工件為圓形,因此視覺系統(tǒng)采用環(huán)形光源:供膠系統(tǒng)采用塑料膠桶、頂針式小份量閥門和針頭,按要求可進行點膠或軌跡涂膠。

2.1數(shù)字相機選型

本文工件直徑最大約為200mm,設(shè)計視野F0v取300mm:工藝誤差P'=1mm:機械手末端工具誤差相對相機誤差的倍數(shù)取5,根據(jù)P'=5×v計算可得相機分辨率P=1500。本研究選擇200萬像素相機,其圖像尺寸大小為1600×1200。

根據(jù)圖3所示,200萬像素相機的ss(相機感光元件尺寸)為8.8mm×6.6mm:視野F0v為300mm:wD為相機距離工件的高度,根據(jù)安裝尺寸取300mm。根據(jù)=計算,選擇6mm鏡頭。

2.2激光傳感器選型

工作時,激光傳感器距離工件約為300mm,本系統(tǒng)選擇有效行程為300mm的模擬量激光傳感器。

2.3硬件系統(tǒng)搭建

相機、激光傳感器、膠槍安裝在機械手末端,三者中心點間隔120x均勻分布在以機械手末端中心點為原點、150mm為半徑的圓上,如圖4所示。運行過程中,任意型號壺底工件隨意放置在皮帶線上,當壺底工件運行到機器人涂膠工位時,皮帶線停止轉(zhuǎn)動,相機拍照確定待涂膠位置點。為提高本系統(tǒng)的精度,該系統(tǒng)使用二次定位,第一次拍照使相機移動到壺底工件的中心點,防止由于拍攝角度而造成對圓柱體上涂膠位置的誤判,當相機運行至中心點的正上方時,進行第二次拍照,確認工件的待涂膠位置。系統(tǒng)可根據(jù)工件種類、涂膠位置和涂膠高度進行調(diào)整。

圖4 機械手末端工具圖

硬件系統(tǒng)圖和搭建完成的壺底智能涂膠系統(tǒng)分別如圖5、圖6所示。

在實際應(yīng)用中,需注意生產(chǎn)現(xiàn)場的光線問題,恒定光源是最理想的條件。但部分實際生產(chǎn)現(xiàn)場往往靠近門窗或車間頂部含有天窗,這就導致生產(chǎn)光線隨著日光和天氣的變化在不停改變,影響視覺系統(tǒng)的效果,此時可以調(diào)整視覺系統(tǒng)配套的光源或者根據(jù)現(xiàn)場設(shè)計遮光裝置來保證光源穩(wěn)定。

3智能涂膠系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1視覺系統(tǒng)設(shè)計

相機參數(shù)的標定是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié),其標定結(jié)果的精度直接影響最終涂膠區(qū)域中心點坐標值的準確性。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)標定法,通常是使用9點或12點標定,為提高本系統(tǒng)的標定精度,選用16點進行標定,如圖7所示,圖中圓圈代表基準位置,六角星代表測量位置,箭頭指示機器人移動方向。

通過16點標定,可以將機器人的坐標系與相機的坐標系對應(yīng)起來,視覺的像素距離可以轉(zhuǎn)化成機器人在xY空間上的實際移動距離。

3.2激光傳感器系統(tǒng)設(shè)計

本文所應(yīng)用的激光傳感器的有效感應(yīng)距離為(300±150)mm,接線如圖8所示。

圖8 激光傳感器軟件系統(tǒng)設(shè)計圖

傳感器正常工作時,輸出量為電流模擬量,輸出范圍為4~20mA,距離傳感器最近距離點的輸出為20mA,最遠距離點的輸出為4mA。根據(jù)輸出值可計算傳感器到工件待涂膠圓柱體的距離為:

式中:I為傳感器輸出電流值:D為傳感器與測量點的距離值。

設(shè)D'為圓柱體與機器人傳感器的理論距離,當D∈[D'-2,D'＋2]時,傳感器判斷合格,并將上述數(shù)值以總線方式傳遞給機器人。傳感器與膠槍相對位置固定,與工件距離比膠槍多80mm,因此機器人旋轉(zhuǎn)120o并豎直下降d(d=D-80)后即為待涂膠區(qū)域點膠處。

3.3控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

CC-Link是一種高可靠性、高性能的網(wǎng)絡(luò),本文研究了CC-Link現(xiàn)場總線的通信原理、基本通信結(jié)構(gòu)及Fx系列PLC的系統(tǒng)構(gòu)成,分析了CC-Link現(xiàn)場總線的通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)搭建模式,重點研究了基于CC-Link現(xiàn)場總線的PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、監(jiān)控畫面設(shè)計、抗干擾設(shè)計和系統(tǒng)的調(diào)試。

本系統(tǒng)以傳送線的PLC作為主站,工業(yè)機器人作為從站設(shè)備構(gòu)成CC-Link網(wǎng)絡(luò),如圖9所示,智能相機及激光測量傳感器分別通過RS232和AD轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳送到PLC,PLC再通過CC-Link現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)傳送到機器人,實現(xiàn)機器人與多種外設(shè)之間的通信,減少了通信的方式和復雜程度,實現(xiàn)了系統(tǒng)的集中控制和管理。

4試驗驗證

將不同型號的工件隨意放置于皮帶線上,經(jīng)過兩次定位,其待涂膠位置處的形狀搜索和點膠示意圖分別如圖10、圖11所示。通過在圓柱體上標記,在實際運動過程中,測量比對實際運行位置與圓柱體上標記點的位置,在Xy坐標平面上精度為0.3mm,Z方向精度為0.2mm,符合工藝要求。

圖10 待涂膠位置處的形狀搜索顯示

圖11 該系統(tǒng)點膠示意圖

5結(jié)語

本文采用數(shù)字相機+激光傳感器的方式對智能涂膠系統(tǒng)進行了設(shè)計,分別完成硬件系統(tǒng)的選型及搭建、軟件系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的設(shè)計。通過試驗驗證,該試驗系統(tǒng)不僅可完成多種型號壺底的點膠,還適用于其他多品種工件的點膠、涂膠工作。