陸賢輝 張善文

上汽通用五菱汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)工廠 廣西柳州市 545007

隨著人工成本的不斷上升，運(yùn)用機(jī)器代替人工已經(jīng)成為很多制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要手段。利用機(jī)械手完成物料的搬運(yùn)和運(yùn)輸，與傳統(tǒng)的人工相比，它可以穩(wěn)定地按照我們?cè)O(shè)置好的節(jié)拍不間斷地重復(fù)完成工作。而且，在一些較重物料運(yùn)輸，或者工作環(huán)境比較惡劣的情況下，機(jī)械手可以更加高效的工作，同時(shí)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(guó)制造2025”的提出，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)自動(dòng)化的要求也越來(lái)越高，生產(chǎn)過(guò)程已經(jīng)逐漸由機(jī)器人來(lái)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(jī)器視覺的研發(fā)，提高了機(jī)器人的精度，保證工作可以以更高的穩(wěn)定性進(jìn)行。本文旨在研究基于機(jī)械視覺引導(dǎo)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)無(wú)序擺放零件的精確抓取，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化改造項(xiàng)目。

1 機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)框架

本項(xiàng)目采用Fanuc M-900iA，可搬運(yùn)140KG重物，重復(fù)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(jī)械視覺系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)框架

目前生產(chǎn)線上應(yīng)用的搬運(yùn)工業(yè)機(jī)器人大多是通過(guò)示教再現(xiàn)或預(yù)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的操作，機(jī)器人只是完成點(diǎn)到點(diǎn)的任務(wù)動(dòng)作，外部參數(shù)變化的物體則是無(wú)能為力。本文應(yīng)用場(chǎng)景中，缸蓋在托盤中的擺放間隙有5mm左右，托盤在藍(lán)色叉車底托上的位置差異也有15mm左右，所以對(duì)機(jī)器人而言每個(gè)抓取目標(biāo)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(dǎo)向預(yù)定位，導(dǎo)向間隙單邊僅5mm。如果僅依靠機(jī)器人示教位置來(lái)進(jìn)行零件的抓取，成功率非常低，還會(huì)頻繁壓傷工件。

為此，本文采用自主開發(fā)的視覺引導(dǎo)系統(tǒng)，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)視野中心300mm內(nèi)缸蓋目標(biāo)的定位孔位置計(jì)算，重復(fù)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(yùn)輸通道將毛坯件運(yùn)輸至滿料位；

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

③PLC將傳過(guò)來(lái)的位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，再將結(jié)果傳至機(jī)器人；

④機(jī)器人接收PLC傳過(guò)來(lái)的運(yùn)算結(jié)果，再進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償，完成毛坯件的精準(zhǔn)定位，然后抓取，最終完成毛坯件自動(dòng)上料的整個(gè)過(guò)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(xiàng)目是針對(duì)現(xiàn)有人工上料系統(tǒng)的自動(dòng)化開發(fā)，圖中藍(lán)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(jī)器人上料系統(tǒng)。因此，根據(jù)抓取零件重力、夾具重力、臂長(zhǎng)、定位精度、經(jīng)濟(jì)性等綜合因素選擇好機(jī)器人信號(hào)后，現(xiàn)場(chǎng)的布局設(shè)計(jì)要依據(jù)機(jī)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(jī)器人，它實(shí)際上是一個(gè)由六個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的六軸機(jī)械臂，通過(guò)電機(jī)之間的配合，實(shí)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(dāng)相機(jī)識(shí)別出特征孔后，機(jī)器人會(huì)帶動(dòng)夾具轉(zhuǎn)到缸蓋的正上方，然后在定位銷導(dǎo)向下，到達(dá)抓取位置。

圖4 機(jī)器人夾具夾緊示意圖

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

企業(yè)固有的財(cái)務(wù)管理模式在資金、成本以及財(cái)務(wù)決策方面的目標(biāo)都過(guò)于單一，無(wú)法使企業(yè)利益實(shí)現(xiàn)最大化。受經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，管理的思維發(fā)展了轉(zhuǎn)變，使得財(cái)務(wù)管理的預(yù)算與分析也得到了轉(zhuǎn)變，這就更加說(shuō)明拓展企業(yè)財(cái)務(wù)管理的模式是不可避免的。

如圖5所示是此次設(shè)計(jì)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(dāng)機(jī)器人抓完這一層的工件后，會(huì)移動(dòng)到托盤上方然后旋轉(zhuǎn)夾具，再移動(dòng)夾具靠近鐵板并給電磁鐵通電，將托盤吸起來(lái)，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(jì)的托盤夾具

2.2 上料系統(tǒng)與AGV集成應(yīng)用

在進(jìn)行機(jī)器人抓取之前，我們需要通過(guò)物流小車將缸蓋毛坯件拉到滿料位，如圖7是物流車運(yùn)輸空托盤的圖片。

圖7 AGV運(yùn)輸空托盤

為提高機(jī)器人抓取的成功率，需要設(shè)計(jì)專用的支架保證缸蓋毛坯件運(yùn)輸過(guò)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(gè)方向的自由度約束，能保證叉車上料過(guò)程中，藍(lán)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(dǎo)向同時(shí)降低了叉車司機(jī)的作業(yè)難度，保證了一次叉裝到位的合格率。驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)AGV小車送料，主要是在AGV前進(jìn)后退方向上定位誤差較大，因此在滿料位支架上安裝一個(gè)方向的約束，降低AGV頂升機(jī)構(gòu)與藍(lán)色底托之間存在的隨機(jī)定位誤差。空托盤支架定位要求相對(duì)較低，設(shè)計(jì)時(shí)主要避開AGV運(yùn)動(dòng)時(shí)的干涉。

圖8 托盤支架設(shè)計(jì)

2.3 相機(jī)識(shí)別

視覺識(shí)別功能：料車到達(dá)上料位置后，機(jī)器人將自動(dòng)移至要抓取的位置的上方，通過(guò)相機(jī)拍照識(shí)別位置完成抓??；通過(guò)工控機(jī)，我們可以實(shí)時(shí)查看相機(jī)的拍照識(shí)別狀態(tài)及機(jī)器人夾具抓取感應(yīng)狀態(tài)；通過(guò)對(duì)工控機(jī)和機(jī)器人示教器的操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的所有監(jiān)控，可靠、方便。

視覺識(shí)別部分包括一個(gè)相機(jī)和一個(gè)光源。除去電源線外，相機(jī)上還有網(wǎng)線插孔，通過(guò)網(wǎng)線將相機(jī)識(shí)別到數(shù)據(jù)傳輸給工控機(jī)。

由于使用的是工業(yè)相機(jī)，相機(jī)本身不會(huì)自動(dòng)聚焦，于是我們需要對(duì)每個(gè)缸蓋都識(shí)別一次，從而保證識(shí)別的準(zhǔn)確度。當(dāng)毛坯件被運(yùn)到滿料位后，機(jī)器人將會(huì)啟動(dòng)，到達(dá)將要抓取的缸蓋的上方進(jìn)行拍照識(shí)別特征，得出毛坯件在相機(jī)坐標(biāo)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(gè)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(jī)、機(jī)器人和物流車傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并作相應(yīng)的處理，同時(shí)還要控制相機(jī)開關(guān)及安裝在機(jī)器人上的控制閥，從而完成系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。

圖9 通訊系統(tǒng)框架

3.2 機(jī)器人與相機(jī)間的標(biāo)定

固定在夾具支架上的相機(jī)主要用來(lái)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(jī)采集圖像提供光源，支架主要用來(lái)固定相機(jī)和光源，其相對(duì)于夾具的位置是不變的，但與機(jī)器人底座的相對(duì)位置是一直變化的。

由于相機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系是不一樣，比例尺也是不相同的，所以，為了保證相機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)可以讓機(jī)器人直接引用，我們需要通過(guò)標(biāo)定，計(jì)算出兩個(gè)坐標(biāo)系坐標(biāo)數(shù)據(jù)的比值。

①用白紙畫一個(gè)帶有刻度的坐標(biāo)系，然后移動(dòng)機(jī)器人去拍照；

②用看圖軟件打開拍好的圖片，測(cè)量對(duì)應(yīng)刻度在圖片中的像素值；

③用（像素值/實(shí)際長(zhǎng)度）得出兩個(gè)坐標(biāo)系坐標(biāo)數(shù)據(jù)的比值。

如圖10所示，該圖是機(jī)器人標(biāo)定相機(jī)時(shí)需要修改的參數(shù)。

圖10 相機(jī)標(biāo)定參數(shù)修改界面

參數(shù)解釋：

參數(shù)1：相機(jī)拍照識(shí)別到的孔在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置；

參數(shù)2：計(jì)算得出的兩個(gè)坐標(biāo)系坐標(biāo)數(shù)據(jù)的比值；

參數(shù)3：標(biāo)定的第一個(gè)缸蓋毛坯件在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置；

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

3.3 安全模塊

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，工作人員需要進(jìn)入防護(hù)區(qū)域展開故障維修，此時(shí)工人進(jìn)入機(jī)器人的工作范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)，因此我們需要采取相應(yīng)的安全措施。

將進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)域的安全門的打開信號(hào)和安裝在防護(hù)網(wǎng)上的光幕的信號(hào)輸入PLC和FANUC機(jī)器人，當(dāng)光幕信號(hào)或者安全門信號(hào)被觸發(fā)時(shí)判定區(qū)域內(nèi)有人員進(jìn)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(hù)網(wǎng)上安裝急停按鈕，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，我們可以通過(guò)急停按鈕暫停機(jī)器人，避免發(fā)生意外傷亡事故。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于當(dāng)前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線的特點(diǎn)，結(jié)合智慧物流小車及FANUC六軸機(jī)器人的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套從運(yùn)輸?shù)缴狭系娜詣?dòng)化系統(tǒng)。針對(duì)抓取缸蓋毛坯和隔板兩種不同的場(chǎng)景，我們分別設(shè)計(jì)了專屬的夾具，并自主開發(fā)視覺識(shí)別系統(tǒng)，解決了工業(yè)機(jī)器人因零件擺放的位置誤差大而產(chǎn)生的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)抓取合格率低等問題。所設(shè)計(jì)的缸蓋夾具工裝和托盤夾具工裝在其他自動(dòng)化項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，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(jì)的缸蓋上料系統(tǒng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)一年多的應(yīng)用，驗(yàn)證該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，不僅滿足我國(guó)當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，而且大幅度降低操作人員工作強(qiáng)度，節(jié)約了制造成本，避免了人工上料過(guò)程中砸傷風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用將進(jìn)一步提高我國(guó)的自動(dòng)化生產(chǎn)水平，并為發(fā)展全自動(dòng)化產(chǎn)線做好鋪墊。