朱文龍，劉凌云，宋卓峰

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰442002）

對于小型工件，某生產(chǎn)圓盤類連接軸的企業(yè)一直采用人工與專用托盤運輸相結(jié)合的方式上下料，生產(chǎn)線更換產(chǎn)品型號時，產(chǎn)品托盤隨之更換，1 條生產(chǎn)線配有2 人完成產(chǎn)品的上料和下料。為減少人工成本、提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)線的柔性制造能力，在保留原有加工設(shè)備和工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上，采用輸送帶運輸代替專用托盤運輸、加入視覺系統(tǒng)定位的方式進行改造。輸送帶運輸擺脫專用托盤“一對一”和“專屬位置”的運輸方式，減少操作員的工作量；視覺定位用于定位每個工件的中心位置，得到機器人的夾取位置。改造后的搬運系統(tǒng)由PLC 模塊、視覺子系統(tǒng)和機器人子系統(tǒng)組成，可自動為銑床和車床加工系統(tǒng)上下料。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)工作流程

以圖1a 所示的加工工件為例，通過氣爪外撐工件內(nèi)圓的方式實現(xiàn)工件的抓取。為提高產(chǎn)品生產(chǎn)的UPH，機器人末端執(zhí)行器由2個對稱的手爪構(gòu)成，1個用于抓取未加工的工件，1個用于抓取已加工的工件。搬運系統(tǒng)的上下料流程如下：輸送帶運送工件到預(yù)定區(qū)域→輸送帶停止→視覺定位工件坐標(biāo)→機器人夾取輸送帶上的工件去替換車床加工完的工件→機器人將被替換的工件放置在儲料區(qū)1中→機器人夾取儲料區(qū)1中的工件去替換銑床加工完的工件→機器人將被替換的工件放置在儲料區(qū)2中。為節(jié)省相機的拍照時間，相機對預(yù)定區(qū)域內(nèi)的工件只取1次圖像信息，完成預(yù)定區(qū)域內(nèi)所有工件的坐標(biāo)分析，圖2為系統(tǒng)的平面布局圖。

圖1 抓取結(jié)構(gòu)說明示意圖

圖2 平面布局圖

1.2 系統(tǒng)通訊方式

搬運系統(tǒng)通過Profibus 總線和Ethernet 通信將機器人系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和PLC 模塊集成在一起，從而實現(xiàn)多組數(shù)據(jù)的高速傳遞；利用PLC模塊自有的I/O 通訊方式保證系統(tǒng)有序運行。其中，視覺子系統(tǒng)通過Ethernet 方式與機器人子系統(tǒng)通訊；機器人子系統(tǒng)通過Profibus 總線與PLC 模塊通訊；PLC 模塊通過I/O 方式與視覺子系統(tǒng)、觸摸顯示屏、工件輸送裝置、車床和銑床進行通訊，圖3 為系統(tǒng)的通訊拓撲圖。

圖3 通訊拓撲圖

系統(tǒng)中的PLC模塊、機器人子系統(tǒng)以及視覺子系統(tǒng)均可在單機或聯(lián)機模式下工作。在單機模式下，各子系統(tǒng)獨自運行，用于完成各系統(tǒng)聯(lián)機前的調(diào)試工作；在聯(lián)機模式下，各子系統(tǒng)相互配合完成工件的生產(chǎn)。聯(lián)機時，PLC 模塊用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作，即根據(jù)工件加工情況給加工系統(tǒng)、機器人子系統(tǒng)以及視覺子系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的作業(yè)請求；機器人子系統(tǒng)根據(jù)所接受信息執(zhí)行相應(yīng)的輸送任務(wù)；視覺子系統(tǒng)用于分析工件的位置和姿態(tài)，并將分析結(jié)果傳遞給外界。圖4為系統(tǒng)的信息流通圖。

圖4 信息流通圖

2 PLC邏輯控制設(shè)計

圖5 PLC接口信號圖

搬運系統(tǒng)采用西門子公司型號為CPU313-2DP 的PLC，通過PLC 自有的數(shù)字I/O 端口和Profibus 接口實現(xiàn)PLC 模塊與各子系統(tǒng)的信息交互［1］。圖5展示了PLC與機器人子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)和加工系統(tǒng)等的通信接口。配置PLC模塊的Profibus接口時，由于Step7 提供的Profibus 協(xié)議與FANUC 公司使用的協(xié)議有一定區(qū)別，因此在step7 軟件中添加FANUC機器人專有的Profibus協(xié)議。

PLC 模塊在系統(tǒng)中起著保證整個系統(tǒng)有序工作的作用。觸發(fā)運行后，PLC 依次按照輸送帶運料、等待加工系統(tǒng)請求、采集工件圖像、機器人運料的順序協(xié)調(diào)系統(tǒng)運行。系統(tǒng)工作時，觸摸顯示屏展示系統(tǒng)運行狀況。報警信號1 表示機器人出現(xiàn)故障，報警信號2表示加工系統(tǒng)出現(xiàn)故障，報警信號3表示圖像采集出現(xiàn)問題。PLC 程序分為主控制程序、換料程序1 和換料程序2。主控制程序用于維護整個系統(tǒng)的運行，如圖6a 所示；換料程序1 用于實現(xiàn)車床的上下料，如圖6b 所示；換料程序2 用于實現(xiàn)銑床的上下料。換料程序1 與換料程序2 的優(yōu)先級相同，一方程序執(zhí)行時，另一方程序等待。

圖6 PLC程序流程圖

3 Cognex視覺系統(tǒng)設(shè)計

3.1 視覺數(shù)據(jù)的輸出設(shè)計

搬運系統(tǒng)采用Cognex 公司的視覺系統(tǒng)對工件進行視覺定位。視覺系統(tǒng)由PC 機和Micro 系列的相機組成。PC 機用來分析相機采集的圖像數(shù)據(jù)；Micro 相機除了采集圖像之外還要輸出PC 機的分析結(jié)果。Micro 相機的I/O 模塊包含PoE 端口和I/O 端口。I/O 端口用于觸發(fā)輸入和高速輸出；PoE端口為Micro相機提供電源支持并以Ethernet方式傳輸數(shù)據(jù)。

視覺子系統(tǒng)分析出工件坐標(biāo)位置和姿態(tài)后，通過Ethernet 方式傳遞給機器人子系統(tǒng)視覺數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)精度和傳輸方便，視覺數(shù)據(jù)被擴大10倍表示并以十六進制的方式傳輸，機器人子系統(tǒng)接收后將其縮小10倍。由于十六進制數(shù)據(jù)不能表示出數(shù)值的正負情況，因此角度數(shù)據(jù)是以角度值和角度符號的形式分2次輸出。數(shù)據(jù)輸出時，視覺數(shù)據(jù)按照x軸坐標(biāo)、y軸坐標(biāo)、角度值、角度符號的順序依次被輸出，同時機器人子系統(tǒng)將視覺數(shù)據(jù)以十進制方式存儲在相應(yīng)的組變量中。

3.2 手眼標(biāo)定過程

手眼標(biāo)定要確立視覺坐標(biāo)系與機器人坐標(biāo)系之間的對應(yīng)關(guān)系［2,3］，最終將視覺坐標(biāo)偏移量轉(zhuǎn)換為機器人坐標(biāo)偏移量。手眼標(biāo)定前進行視覺標(biāo)定操作，從而確立相機像素點與視場邊界尺寸之間的對應(yīng)關(guān)系［4-5］。

為了方便視覺標(biāo)定，標(biāo)定板設(shè)計為黑白正方形交替排列，其中正方形邊長為2 cm，組成的標(biāo)定板為50 cm×80 cm。由于PC 機與相機通過Ethernet方式實現(xiàn)快速通信，因此在操作In-Sight Explorer視覺軟件前，需要將PC機IP與相機IP設(shè)定在同一網(wǎng)段上。視覺標(biāo)定分為3步：1）在視覺軟件中設(shè)定相機的曝光時間、采集行數(shù)、觸發(fā)方式等參數(shù)，保證相機采集到清晰的圖像；2）借助標(biāo)定板，在視覺軟件上從X軸和Y軸2個方向去換算像素點與視場邊界尺寸的關(guān)系；3）在視覺軟件上建立工件的圖案模板，用于找到視覺坐標(biāo)系下的工件坐標(biāo)，視覺軟件操作界面如圖7所示。

圖7 In-Sight Explorer視覺軟件操作界面

手眼標(biāo)定過程分為4步：1）在視覺軟件中設(shè)定數(shù)據(jù)的輸出對象為FANUC 公司的機器人，選定傳輸方式為Ethernet；2）調(diào)整機器人的用戶坐標(biāo)系，將X軸、Y軸方向設(shè)為與視覺坐標(biāo)系一致；3）確定機器人抓取工件的基準(zhǔn)點，記錄工件的視覺坐標(biāo)（x，y）；4）將當(dāng)前工件的視覺數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)點的視覺數(shù)據(jù)進行對比，計算出機器人的偏移距離和角度。標(biāo)定完成后，機器人根據(jù)坐標(biāo)偏移量準(zhǔn)確抓取到目標(biāo)工件。

4 FANUC機器人抓取設(shè)計

4.1 機器人通信配置

搬運系統(tǒng)采用FANUC 公司的M-710ic50機器人搬運圓盤類工件。系統(tǒng)聯(lián)機時，機器人通過Profibus 方式和Ethernet 方式分別與PLC 模塊和視覺系統(tǒng)進行通信。通信前，使用示教器配置機器人的通信接口。對于Profibus 通信方式，從機器人的從站地址、I/O 容量和I/O 分配3 個方面進行設(shè)定；配置I/O 時，需要依據(jù)信號的類型完成機架、插槽以及起始信號點的設(shè)置。配置Ethernet通信時，從機器人的IP 地址、以太網(wǎng)列表、掃描器設(shè)備和I/O 地址4個方面進行設(shè)置。

4.2 視覺引導(dǎo)方案

視覺引導(dǎo)抓取目標(biāo)工件時，機器人子系統(tǒng)采取先移動位置差再校正角度的方式抓取工件。位置差由當(dāng)前的工件位置與模板位置相減而得，校正角度是由視覺系統(tǒng)對比圖案模板后得出。機器人根據(jù)視覺數(shù)據(jù)抓取工件時的程序流程如圖8所示。

圖8 視覺引導(dǎo)的程序流程圖

視覺引導(dǎo)程序如下所示：

計算出的位置差存儲在位置寄存器里，利用offset 偏置指令傳遞到原有軌跡上，從而更改機器人的軌跡。

5 結(jié)語

利用Profibus 通信方式和Ethernet 通信方式，將S7-300 PLC 模塊、Cognex 視覺系統(tǒng)和FANUC 機器人視覺系統(tǒng)集成在一起，設(shè)計了圓盤類工件搬運的機器人系統(tǒng)。目前機器人搬運系統(tǒng)在企業(yè)安裝調(diào)試完畢，運行效果良好，產(chǎn)品UPH 從600 提高到900，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。每條生產(chǎn)線的操作員縮減至1人，減少了企業(yè)的人工成本。系統(tǒng)將視覺技術(shù)與機器人技術(shù)相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的靈活性、安全性和自動化程度。