引言

針對種類多、公差大且作業(yè)要求精準(zhǔn)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(zhǔn)判斷,據(jù)工廠統(tǒng)計,壺底涂膠工藝廢品率高達(dá)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(zhǔn)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(rèn)待涂膠位置中心點的平面坐標(biāo)值,使用激光傳感器確認(rèn)高度坐標(biāo)值,以上數(shù)值經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后通過總線方式傳遞給機器人,引導(dǎo)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(fù)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(dāng)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(dāng)相機運行至中心點的正上方時,進行第二次拍照,確認(rèn)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(dǎo)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(biāo)定是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié),其標(biāo)定結(jié)果的精度直接影響最終涂膠區(qū)域中心點坐標(biāo)值的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)標(biāo)定法,通常是使用9點或12點標(biāo)定,為提高本系統(tǒng)的標(biāo)定精度,選用16點進行標(biāo)定,如圖7所示,圖中圓圈代表基準(zhǔn)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(biāo)定,可以將機器人的坐標(biāo)系與相機的坐標(biāo)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(yuǎn)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(dāng)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(fù)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(biāo)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(biāo)記點的位置,在Xy坐標(biāo)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。