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。