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        基于視覺引導的機器人缸蓋上料系統(tǒng)的應用

        2022-06-07 05:05:56陸賢輝張善文
        時代汽車 2022年11期
        關(guān)鍵詞:缸蓋毛坯夾具

        陸賢輝 張善文

        上汽通用五菱汽車股份有限公司發(fā)動機工廠 廣西柳州市 545007

        隨著人工成本的不斷上升,運用機器代替人工已經(jīng)成為很多制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要手段。利用機械手完成物料的搬運和運輸,與傳統(tǒng)的人工相比,它可以穩(wěn)定地按照我們設(shè)置好的節(jié)拍不間斷地重復完成工作。而且,在一些較重物料運輸,或者工作環(huán)境比較惡劣的情況下,機械手可以更加高效的工作,同時可以避免砸傷、壓傷等意外的發(fā)生,降低安全成本。隨著“中國制造2025”的提出,企業(yè)對生產(chǎn)自動化的要求也越來越高,生產(chǎn)過程已經(jīng)逐漸由機器人來完成,在一些難度比較高且枯燥的工作中發(fā)揮了重大的作用。而機器視覺的研發(fā),提高了機器人的精度,保證工作可以以更高的穩(wěn)定性進行。本文旨在研究基于機械視覺引導機器人,實現(xiàn)無序擺放零件的精確抓取,并應用于現(xiàn)場自動化改造項目。

        1 機器人搬運系統(tǒng)框架

        本項目采用Fanuc M-900iA,可搬運140KG重物,重復定位精度±0.5mm,并集成自主開發(fā)的AGV送料系統(tǒng)和自主開發(fā)的機械視覺系統(tǒng),系統(tǒng)框架如圖1所示。

        圖1 機器人搬運系統(tǒng)框架

        目前生產(chǎn)線上應用的搬運工業(yè)機器人大多是通過示教再現(xiàn)或預編程來實現(xiàn)機器人的操作,機器人只是完成點到點的任務(wù)動作,外部參數(shù)變化的物體則是無能為力。本文應用場景中,缸蓋在托盤中的擺放間隙有5mm左右,托盤在藍色叉車底托上的位置差異也有15mm左右,所以對機器人而言每個抓取目標的誤差接近20mm左右。而本文采用的缸蓋上料工裝,利用缸蓋火花塞孔導向預定位,導向間隙單邊僅5mm。如果僅依靠機器人示教位置來進行零件的抓取,成功率非常低,還會頻繁壓傷工件。

        為此,本文采用自主開發(fā)的視覺引導系統(tǒng),通過算法實現(xiàn)視野中心300mm內(nèi)缸蓋目標的定位孔位置計算,重復定位誤差能控制在1mm以內(nèi)。

        如圖2所示是本系統(tǒng)布局圖。

        圖2 系統(tǒng)布局圖

        ①物流車沿著運輸通道將毛坯件運輸至滿料位;

        ②工業(yè)相機拍攝滿料位工件,并識別出工件的位置,然后將位置信息傳到PLC;

        ③PLC將傳過來的位置信息進行數(shù)據(jù)運算,再將結(jié)果傳至機器人;

        ④機器人接收PLC傳過來的運算結(jié)果,再進行內(nèi)部補償,完成毛坯件的精準定位,然后抓取,最終完成毛坯件自動上料的整個過程。

        2 系統(tǒng)硬件集成與開發(fā)

        2.1 上料系統(tǒng)集成與開發(fā)

        如圖3所示是上料系統(tǒng)的俯視圖。

        圖3 上料系統(tǒng)俯視圖

        該項目是針對現(xiàn)有人工上料系統(tǒng)的自動化開發(fā),圖中藍色框部分為原有生產(chǎn)線輸送輥道布局,紅色框部分為擬定開發(fā)機器人上料系統(tǒng)。因此,根據(jù)抓取零件重力、夾具重力、臂長、定位精度、經(jīng)濟性等綜合因素選擇好機器人信號后,現(xiàn)場的布局設(shè)計要依據(jù)機器人選型兼容原有的輸送輥道、新增的零件抓取位置和空托盤堆放位置如圖中A和B所示。該系統(tǒng)選擇的是FANUC機器人,它實際上是一個由六個電機驅(qū)動的六軸機械臂,通過電機之間的配合,實現(xiàn)在空間上的定位。

        如圖4所示是用于抓取缸蓋毛坯件的夾具。當相機識別出特征孔后,機器人會帶動夾具轉(zhuǎn)到缸蓋的正上方,然后在定位銷導向下,到達抓取位置。

        圖4 機器人夾具夾緊示意圖

        所夾取的缸蓋零件采用8個×5層的堆料方式,中間使用塑料板隔離,為此還有設(shè)計塑料板抓取的夾具。

        企業(yè)固有的財務(wù)管理模式在資金、成本以及財務(wù)決策方面的目標都過于單一,無法使企業(yè)利益實現(xiàn)最大化。受經(jīng)濟發(fā)展的影響,管理的思維發(fā)展了轉(zhuǎn)變,使得財務(wù)管理的預算與分析也得到了轉(zhuǎn)變,這就更加說明拓展企業(yè)財務(wù)管理的模式是不可避免的。

        如圖5所示是此次設(shè)計的系統(tǒng)抓取空托盤的夾具。夾具主要一塊電磁鐵組成和固定支架組成,但由于托盤材料不含鐵,因此我們要改造托盤,給它加上一塊鐵板。當機器人抓完這一層的工件后,會移動到托盤上方然后旋轉(zhuǎn)夾具,再移動夾具靠近鐵板并給電磁鐵通電,將托盤吸起來,最后放至空托盤位置,如圖6所示。

        圖5 塑料板抓取夾具

        圖6 該系統(tǒng)中設(shè)計的托盤夾具

        2.2 上料系統(tǒng)與AGV集成應用

        在進行機器人抓取之前,我們需要通過物流小車將缸蓋毛坯件拉到滿料位,如圖7是物流車運輸空托盤的圖片。

        圖7 AGV運輸空托盤

        為提高機器人抓取的成功率,需要設(shè)計專用的支架保證缸蓋毛坯件運輸過程中的定位精度。如圖8所示分別是叉車上料支架、滿料位支架、空托盤支架。其中叉車上料支架,采用了兩個方向的自由度約束,能保證叉車上料過程中,藍色底托的定位誤差提高到10mm范圍內(nèi),支架周邊采用了斜邊導向同時降低了叉車司機的作業(yè)難度,保證了一次叉裝到位的合格率。驗證發(fā)現(xiàn)AGV小車送料,主要是在AGV前進后退方向上定位誤差較大,因此在滿料位支架上安裝一個方向的約束,降低AGV頂升機構(gòu)與藍色底托之間存在的隨機定位誤差??胀斜P支架定位要求相對較低,設(shè)計時主要避開AGV運動時的干涉。

        圖8 托盤支架設(shè)計

        2.3 相機識別

        視覺識別功能:料車到達上料位置后,機器人將自動移至要抓取的位置的上方,通過相機拍照識別位置完成抓取;通過工控機,我們可以實時查看相機的拍照識別狀態(tài)及機器人夾具抓取感應狀態(tài);通過對工控機和機器人示教器的操作,可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的所有監(jiān)控,可靠、方便。

        視覺識別部分包括一個相機和一個光源。除去電源線外,相機上還有網(wǎng)線插孔,通過網(wǎng)線將相機識別到數(shù)據(jù)傳輸給工控機。

        由于使用的是工業(yè)相機,相機本身不會自動聚焦,于是我們需要對每個缸蓋都識別一次,從而保證識別的準確度。當毛坯件被運到滿料位后,機器人將會啟動,到達將要抓取的缸蓋的上方進行拍照識別特征,得出毛坯件在相機坐標系中的位置,然后傳到PLC中。

        3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

        3.1 通訊模塊

        如圖9所示是該系統(tǒng)各個部分之間的通訊原理圖。PLC作為中轉(zhuǎn)站,不僅需要接收工控機、機器人和物流車傳過來的數(shù)據(jù)并作相應的處理,同時還要控制相機開關(guān)及安裝在機器人上的控制閥,從而完成系統(tǒng)的自動運行。

        圖9 通訊系統(tǒng)框架

        3.2 機器人與相機間的標定

        固定在夾具支架上的相機主要用來獲取托盤上缸蓋毛坯件的圖像。光源采用白色LED光源,為相機采集圖像提供光源,支架主要用來固定相機和光源,其相對于夾具的位置是不變的,但與機器人底座的相對位置是一直變化的。

        由于相機坐標系與機器人坐標系是不一樣,比例尺也是不相同的,所以,為了保證相機傳輸過來的數(shù)據(jù)可以讓機器人直接引用,我們需要通過標定,計算出兩個坐標系坐標數(shù)據(jù)的比值。

        ①用白紙畫一個帶有刻度的坐標系,然后移動機器人去拍照;

        ②用看圖軟件打開拍好的圖片,測量對應刻度在圖片中的像素值;

        ③用(像素值/實際長度)得出兩個坐標系坐標數(shù)據(jù)的比值。

        如圖10所示,該圖是機器人標定相機時需要修改的參數(shù)。

        圖10 相機標定參數(shù)修改界面

        參數(shù)解釋:

        參數(shù)1:相機拍照識別到的孔在相機坐標系中的位置;

        參數(shù)2:計算得出的兩個坐標系坐標數(shù)據(jù)的比值;

        參數(shù)3:標定的第一個缸蓋毛坯件在機器人坐標系中的位置;

        參數(shù)4:相機坐標系與機器人坐標系正方向之間的關(guān)系。

        3.3 安全模塊

        當設(shè)備出現(xiàn)故障時,工作人員需要進入防護區(qū)域展開故障維修,此時工人進入機器人的工作范圍內(nèi)會出現(xiàn)碰撞危險,因此我們需要采取相應的安全措施。

        將進入生產(chǎn)區(qū)域的安全門的打開信號和安裝在防護網(wǎng)上的光幕的信號輸入PLC和FANUC機器人,當光幕信號或者安全門信號被觸發(fā)時判定區(qū)域內(nèi)有人員進入,如圖11和圖12分別是安全門及安全光幕的電路圖。

        圖11 安全門電路圖

        圖12 安全光幕電路圖

        在防護網(wǎng)上安裝急停按鈕,當出現(xiàn)緊急情況時,我們可以通過急停按鈕暫停機器人,避免發(fā)生意外傷亡事故。

        4 結(jié)語

        本文基于當前汽車發(fā)動機缸蓋生產(chǎn)線的特點,結(jié)合智慧物流小車及FANUC六軸機器人的應用,設(shè)計了一套從運輸?shù)缴狭系娜詣踊到y(tǒng)。針對抓取缸蓋毛坯和隔板兩種不同的場景,我們分別設(shè)計了專屬的夾具,并自主開發(fā)視覺識別系統(tǒng),解決了工業(yè)機器人因零件擺放的位置誤差大而產(chǎn)生的點對點抓取合格率低等問題。所設(shè)計的缸蓋夾具工裝和托盤夾具工裝在其他自動化項目的基礎(chǔ)上進行了升級,不僅降低了設(shè)備制造成本,也提高了零件和托盤抓取的合格率。

        本文所設(shè)計的缸蓋上料系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場一年多的應用,驗證該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性,不僅滿足我國當前工業(yè)自動化的發(fā)展趨勢,而且大幅度降低操作人員工作強度,節(jié)約了制造成本,避免了人工上料過程中砸傷風險。該系統(tǒng)的成功應用將進一步提高我國的自動化生產(chǎn)水平,并為發(fā)展全自動化產(chǎn)線做好鋪墊。

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