蘇建，李在娟

(蘇州市職業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215104)

0 前言

以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為發(fā)展方向的制造業(yè)迎來了深刻變革，融合新一代信息技術(shù)與先進制造技術(shù)的智能制造已成為新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動力。我國是制造大國，推動智能制造是解決我國制造業(yè)由大變強的根本路徑。

后疫情時代，人員流動減少、外來務(wù)工人員缺乏、企業(yè)招工難的問題愈發(fā)凸顯。同時伴隨著人口紅利漸弱，原材料成本上升，“機器換人”成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然趨勢。工業(yè)機器人作為智能制造中智能裝備的代表，已經(jīng)在汽車、3C等制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)視覺賦予工業(yè)機器人“人眼”的功能[1]，可以輔佐工業(yè)機器人進行更高精度、更強適應(yīng)性的自動化生產(chǎn)。

當(dāng)前，該領(lǐng)域的研究偏重視覺圖像處理方法的研究，或機器人的優(yōu)化控制問題。如王詩宇等[2]利用并聯(lián)機器人和康耐視相機搭建了物體分揀平臺；李致金等[3]通過視覺技術(shù)檢測工件位置的偏移。而對工業(yè)視覺、工業(yè)機器人和PLC三者之間的融合通信與綜合編程的研究還不夠深入。

針對智能生產(chǎn)線中多類型、多工位、無規(guī)則、有殘次的工件識別、分揀與裝配作業(yè)，本文作者構(gòu)建了一個基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的硬件系統(tǒng)，應(yīng)用視覺獲取工件數(shù)據(jù)，基于坐標(biāo)偏移的方法提出了一種機器人與PLC綜合編程控制算法，實現(xiàn)高精度、高效率的工件分揀與智能裝配。

1 硬件系統(tǒng)構(gòu)建

本文作者設(shè)計的分揀裝配控制系統(tǒng)主要由工業(yè)機器人、托盤輸送帶、裝配輸送帶、視覺系統(tǒng)、裝配夾具等組成，如圖1所示。其中托盤輸送帶由PLC控制、三相交流電機驅(qū)動，裝配流水線由PLC控制、步進電機驅(qū)動。AGV將G6工位的托盤輸送到托盤輸送帶的入口，G4工位利用視覺系統(tǒng)檢測與識別工件，G1、G2、G3均為已檢測過的工件托盤，G1工位為工業(yè)機器人抓取工件的位置；G5工位為空托盤和殘次工件的存放位置；G7工位為成品區(qū)，同時當(dāng)未存放成品時也可以作為臨時區(qū)；G8工位為定位及裝配區(qū)；G9為工件臨時存放區(qū)。分揀裝配系統(tǒng)主要設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 分揀裝配系統(tǒng)布局

圖2 系統(tǒng)主要設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 工件檢測與識別

選用信捷工業(yè)視覺系統(tǒng)來檢測工件信息、識別工件類型。該系統(tǒng)主要由光源控制器、光源、相機、鏡頭、視覺軟件等構(gòu)成，具有成熟的視覺軟件，視覺算法工具齊全，視覺腳本功能可以進行二次開發(fā)。

2.1 視覺檢測原理

(1)圖像匹配檢測原理

圖像匹配是應(yīng)用計算機和相應(yīng)的數(shù)學(xué)理論對給定圖像按照特定目的進行相應(yīng)匹配處理[4]。匹配過程如下:在一定的搜索角度范圍內(nèi)(如對稱模板為[-90°,90°])，將模板圖像T0(m0,n0)依次旋轉(zhuǎn)一定角度θ得到新的模板圖像Tθ(m0,n0)，然后與被搜索圖S(W,H)進行匹配，取與模板圖像尺寸一致的區(qū)域進行對比，每次平移一個像素后執(zhí)行同樣操作，最終在圖像中完成(W-m+1)×(H-n+1)次的遍歷與搜索，獲得圖像中模板圖像的角度、位置和匹配度等特征數(shù)據(jù)。

(1)

其中：i，j為子圖左下角在被搜索圖S上的坐標(biāo)；θ為模板旋轉(zhuǎn)角度。

(2)圓孔檢測原理

圓孔檢測是模式識別領(lǐng)域和計算機視覺領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容[5]?；诨舴蜃儞Q及相似度的圓孔檢測方法較為成熟[6-7]。本文作者選用霍夫變換方法[7]檢測了圓孔邊緣、圓心及圓面積。首先對目標(biāo)圖像進行濾波、二值化、邊緣檢測等預(yù)處理，然后獲取若干封閉圖形邊沿Tk(m,n)，若封閉圖形邊緣滿足公式(2)，則該封閉圖形即為圓孔。

(2)

其中：Rk(i,j)為圓的半徑，(i,j)為當(dāng)前圓孔的圓心位置，k為目標(biāo)圖像中圓孔個數(shù)。

2.2 特征學(xué)習(xí)

特征學(xué)習(xí)的目的是利用圖形處理工具獲取工件特征數(shù)據(jù)。現(xiàn)選用圖案定位和圓孔檢測工具，對工件進行檢測，獲取工件類型、偏移量和偏轉(zhuǎn)角度。

利用視覺軟件獲取工件的清晰圖像后，在托盤中心放置一個尖針，獲取尖針圖像，放大圖像記錄尖端(托盤中心)位置為PX0=320、PY0=222。然后將工件5、6、7、8以預(yù)設(shè)的角度放置在托盤中心(機器人示教基準(zhǔn))，通過視覺系統(tǒng)獲取各特征工具，其功能如表1所示。

表1 工件特征學(xué)習(xí)工具說明

各工具學(xué)習(xí)模型如圖3所示。

圖3 工件特征學(xué)習(xí)

2.3 工件數(shù)據(jù)計算

視覺測量結(jié)果是像素個數(shù)，為了換算出被測工件的尺寸，必須建立像素與物理尺寸的比例關(guān)系，即標(biāo)定每個像素代表的實際物理尺寸，該變量稱為像素當(dāng)量[8]。此例中，工件類型通過圖像匹配的方式進行識別，殘次工件通過圓孔檢測工具進行區(qū)分。工件的偏差尺寸通過像素差與像素當(dāng)量的乘積獲得。由于物理安裝位置不同，機器人坐標(biāo)系Y+方向與相機坐標(biāo)系X+方向一致，機器人坐標(biāo)系X+方向與相機坐標(biāo)系Y+方向相反。通過相機腳本程序計算機器人偏移量的計算方法如公式(3)所示。

(3)

式中：ΔXR、ΔYR分別為機器人X和Y軸方向的偏移量；PXn、PYn為圖像模型中心位置；PX0、PY0為托盤中心(機器人示教基準(zhǔn)位置)；σn表示不同工件的像素當(dāng)量。經(jīng)過測算，工件1、5的像素當(dāng)量為0.447，工件2、6為0.446，工件3、7為0.495，工件4、8為0.488。各工件圖像檢測及計算數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各工件特征數(shù)據(jù)

3 PLC通信及主控編程

S7-1200 PLC具有支持Modbus-TCP協(xié)議的Profinet網(wǎng)口，將PLC、工業(yè)機器人和視覺系統(tǒng)建立關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信與交互[9]。同時S7-1200 PLC可采用SCL語言編程，該語言不僅具備常用的邏輯控制指令，在結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的運算方面還有獨特的優(yōu)勢。

3.1 PLC與周邊設(shè)備通信

S7-1200 PLC與工業(yè)機器人采用Modbus-TCP的通信方式，實現(xiàn)16個字型數(shù)據(jù)接收與16個字型數(shù)據(jù)發(fā)送，通信程序如圖4所示。其中PLC發(fā)送給機器人的16個字存放在DB4里的i[15]數(shù)組中；PLC接收給機器人的16個字存放在DB5里的o[15]數(shù)組中，通信部分?jǐn)?shù)據(jù)的功能如表3所示。

圖4 PLC與機器人通信程序示例

表3 PLC與機器人收發(fā)數(shù)據(jù)功能

S7-1200 PLC與相機也是采用Modbus-TCP的通信方式，實現(xiàn)工件類型、X偏移量、Y偏移量和角度4個float型數(shù)據(jù)的實時接收。根據(jù)通信規(guī)則，PLC接收的相機數(shù)據(jù)需要高低字交換。

3.2 PLC主控流程

PLC是控制系統(tǒng)的核心：一方面控制視覺系統(tǒng)，獲取視覺檢測數(shù)據(jù)；另一方面控制作業(yè)流程，實現(xiàn)機器人工件分揀、二次定位、智能裝配、成品入庫等邏輯控制任務(wù)。PLC收到相機檢測的工件數(shù)據(jù)后，對工件的動作做邏輯判斷，決定機器人對工件搬運的取放偏移位置和數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給機器人。基于坐標(biāo)偏移方法、融合PLC和機器人編程的算法減少了機器人示教位置，簡化了機器人程序。PLC程序流程如圖5所示。

圖5 PLC主控程序流程

4 機器人示教與編程

4.1 機器人坐標(biāo)系

為確定機器人的位置和姿態(tài)而在機器人或空間上進行的位置指標(biāo)的系統(tǒng)，稱為機器人坐標(biāo)系。針對多種類型工件，作者設(shè)計了一套多功能工業(yè)機器人末端工具，如圖6所示。其中，工件2、3、4、6、7、8及殘次工件選用吸盤工具，工件1、5選用三爪工具，吸盤工具和手爪工具的夾角為80o?，F(xiàn)設(shè)定工業(yè)機器人PHome1、PHome2(吸盤朝下)、PHome3(手爪朝下)三個工作原點的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系如下所示：

圖6 工業(yè)機器人多功能末端工具

PHome1=[0°,0°,0°,0°,-90°,0°]

PHome2=[0°,0°,0°,40°,-90°,0°]

PHome3=[0°,0°,0°,-40°,-90°,0°]

利用輔助標(biāo)定裝置標(biāo)定吸盤和手爪工具坐標(biāo)系數(shù)據(jù)如下所示：

吸盤數(shù)據(jù)Pdisc=[0.5,174.0,145.0,-90°,140°,90°]

手爪數(shù)據(jù)Ppaw=[0,-144.8,165.7,90°,140°,-90°]

4.2 位置示教

所謂位置示教，就是利用示教盒使工業(yè)機器人末端工具到達(dá)預(yù)期的位置，并記錄相應(yīng)位置數(shù)據(jù)。機器人示教通常是肉眼觀察，存在一定的誤差。采用坐標(biāo)偏移的方法可以獲取相近坐標(biāo)位置、減少機器人示教位置、提高機器人的位置精度。

示教前需標(biāo)定G1、G7、G8、G9坐標(biāo)方向，使其與機器人坐標(biāo)方向一致。此例中，工業(yè)機器人、相機與示教位置坐標(biāo)如圖7所示，其中吸盤工具示教位置有5個，分別位于G1(XP1)、G5(XP1)、G7(XP5)、G8(XP4)、G9(XP3)，手爪工具示教位置有三個，分別位于G1(SZ1)、G7(SZ3)、G8(SZ2)。

圖7 系統(tǒng)坐標(biāo)示意

4.3 機器人程序流程

機器人收到PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)后，確定所用末端工具，通過基準(zhǔn)位置和偏移量的代數(shù)和計算出工件的取放位置，決定機器人對工件的搬運、分揀或裝配動作，實現(xiàn)工件的分揀與裝配。機器人程序流程圖如圖8所示。

圖8 機器人程序流程

5 總結(jié)

通過300個工件的實驗與測試，該系統(tǒng)殘次工件識別正確率為100%，合格工件獲取數(shù)據(jù)正確且機器人均能正確抓取工件；基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的控制系統(tǒng)可以實時交互工業(yè)視覺、PLC和工業(yè)機器人三方數(shù)據(jù)；應(yīng)用基點偏移的方法進行西門子PLC的SCL語言編程，減少了工業(yè)機器人的示教位置，簡化了工業(yè)機器人的程序，提高了工業(yè)機器人的裝配效率和裝配精度。融合視覺和以太網(wǎng)技術(shù)的機器人分揀裝配控制系統(tǒng)滿足實際生產(chǎn)要求，有助于提高生產(chǎn)效率。