鄭州曠臨智能科技有限公司 李艷 盧國建 邢軍偉 葛玉朝

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使用機器人來代替人類從事日常的生產(chǎn)勞作已是大勢所趨，自動化必將代替人類以往的生產(chǎn)方式。近年來工廠自動化水平在飛速提高，工業(yè)機器人應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越多。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，采用機器人來替代人工，完成物料的自動抓取、上料、下料、裝卡、工件移位翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序加工等一系列上下料工作任務(wù)，從而極大地節(jié)約了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。

在信息化與工業(yè)技術(shù)不斷融合的背景下，智能化生產(chǎn)也在飛速發(fā)展，其中以機器人為核心代表的智能化產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為一個國家現(xiàn)代化程度的重要標準。發(fā)達國家的工業(yè)機器人自動化水平已經(jīng)處于世界前列，而我國工業(yè)機器人在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還有待提高，其中功能單一化、智能化程度不高、操作復(fù)雜等是現(xiàn)階段我國工業(yè)機器人的重要缺陷，由此導(dǎo)致我國生產(chǎn)線自動化水平比較低，根據(jù)有關(guān)研究顯示，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)線仍然依靠人工進行取料操作，而一般的生產(chǎn)線環(huán)境較惡劣，噪聲較大，上下料人員需要不停歇地單一進行上下料操作，不僅勞動強度大、易疲勞，而且生產(chǎn)效率低下。根據(jù)這種實際情況非常需要一種能夠代替人工進行自動上下料操作的機器，而本文自主設(shè)計的基于PLC 和視覺識別系統(tǒng)的自動上下料機器人不僅可以按照生產(chǎn)需求對工件進行準確的抓取，完成上下料操作，而且可以對加工對象進行檢測。

如圖1 所示，自動上下料機器人系統(tǒng)主要由機器人的控制系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和機械部分組成，包括機器人、攝像頭、工控機、操作控制臺和工作臺?？刂葡到y(tǒng)主要是根據(jù)設(shè)定的程序驅(qū)動機械臂完成氣門取料、放料動作。視覺識別系統(tǒng)主要是根據(jù)攝像頭拍攝的照片，依據(jù)算法分析照片上氣門的位置坐標，然后將位置坐標信息發(fā)送給機器人的控制中心。電氣控制系統(tǒng)主要負責給其他設(shè)備供電，調(diào)度機器人、視覺識別系統(tǒng)和人機交互顯示等。由視覺系統(tǒng)識別，將坐標信息傳遞給控制系統(tǒng)，控制機械部分進行實現(xiàn)上下料操作。機器人的改進和研究有助于提高工業(yè)生產(chǎn)力水平，那么本文將主要介紹自動上下料機器人的組成以及如何實現(xiàn)自動上下料的操作。促進上下料機器人的廣泛應(yīng)用，可以滿足工業(yè)上快速、大批量的生產(chǎn)節(jié)奏，達到節(jié)約人力資源成本、提高生產(chǎn)效率的目的[1]。

圖1 自動上下料機器人

1 電氣控制系統(tǒng)

機械手臂由機械部分和控制部分組成，機器人的機械手臂可以由控制部分完成對氣門零件的取料、放料動作。機器人的控制器是基于PLC 進行開發(fā)設(shè)計的，由于本文所設(shè)計的自動上下料機械臂的動作過程相對簡單，系統(tǒng)的控制流程也相對簡單，因而控制器選用PLC 作為主控單元，其可靠性高、抗干擾能力強；PLC發(fā)展至今，已經(jīng)具有各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，因而PLC的功能比較完善，配套齊全。

在整個上料的過程中，工人將裝滿氣門的料盤放置在工作臺上，控制器控制機械臂從料盤中夾取氣門，送到傳送帶上完成一個工序，異步電機的轉(zhuǎn)動、視覺識別系統(tǒng)的位置信息傳輸抓取都需要精準地接收控制器的指令信號；同時，料盤是否旋轉(zhuǎn)到位、氣門是否正確擺放、視覺識別系統(tǒng)是否可以正常獲取氣門的位置姿態(tài)信息等也是控制器需要準確獲知的信息，只有這樣，才能保證整個自動化流程順利進行。

2 視覺識別系統(tǒng)

為了讓機器人準確快速地抓取物體，如圖2 所示，可將攝像頭和光源固定在機器的上方，這種固定方式可以使成像設(shè)備更好地感知料盤上的物料信息，視覺檢測階段獲得物料的類別和目標物在像素坐標系下的位置。如圖3 所示，視覺定位需要標定相機和標定手眼，前者是為了消除相機本身存在的誤差，后者則是為了將相繼獲得的在像素坐標系下的平面二維坐標轉(zhuǎn)到機器人極坐標系下的三維坐標，這樣才能助力機器人順利完成抓取任務(wù)。視覺定位是機器人抓取的前提，并且定位的精度將直接影響機械臂抓取物體的準確率。

圖2 光源和攝像頭

圖3 氣門識別定位

要完成對零件的抓取工作，機器人的運動控制單元也是必不可少的。首先機器人處于初始位姿狀態(tài)，在經(jīng)過視覺檢測和視覺定位，獲得目標物體的位置信息后，機械臂開始移動。在運動到目標物體的上方后立即張開機械手，然后下降到指定位置抓取物體。如果抓取成功，則要繼續(xù)完成提升物體的任務(wù)。如果機器人不能到達指定的位置，機械手在抓取零件過程中出現(xiàn)不能抓取或掉落的情況，則判定為抓取失敗。

自動上下料機器人的視覺識別軟件在電腦開機后將自動啟動，若沒有啟動，可以雙擊視覺軟件手動打開。軟件分為菜單欄、操作界面兩大模塊，菜單欄主要是實現(xiàn)用戶登錄的功能，輸入用戶名和密碼，點擊登錄即可進入操作界面，單擊退出按鈕，退出登錄頁面，就無法再進行其他的操作。操作界面模塊主要實現(xiàn)產(chǎn)品類型、產(chǎn)品得分、距邊緣像素距離、拍照、機器人ip 地址、相機、機器人連接狀態(tài)顯示等幾方面的功能[2]。

3 人機交互系統(tǒng)

自動上下料機器人的人機交互系統(tǒng)主要包括主控界面、IO 檢測。主控界面主要包括運行參數(shù)設(shè)置與監(jiān)控、系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)設(shè)定、機器人手動移動控制、氣門上料數(shù)目統(tǒng)計和圖像識別。

在人機交互界面可以對系統(tǒng)運作的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定，如運行速度、視覺補償值、物料種類、掉件測試、物料高度等。輸入正確的參數(shù)，點擊寫入按鈕，參數(shù)就會被寫入到系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)則按該參數(shù)執(zhí)行。

人機交互界面也對當前系統(tǒng)出現(xiàn)的問題進行報警提醒，報警界面會出現(xiàn)報警提示。視覺通訊故障：（1）視覺軟件通訊超時、出錯或退出，點擊復(fù)位按鈕無效后重啟視覺軟件或系統(tǒng)重新上電；（2）機器人控制器與工控機網(wǎng)線連接斷開，檢查網(wǎng)線連接情況。

4 機械系統(tǒng)

如圖4 所示，機械部分主要是工作臺和氣路部分，工作臺由0.55KW 三相異步電機驅(qū)動蝸輪蝸桿使工作臺旋轉(zhuǎn)。工作臺可放置4 個料框，如圖5 所示，工作臺下裝有工位檢測傳感器，控制工作臺每次旋轉(zhuǎn)一個工位。

圖4 工作臺

圖5 工位檢測傳感器安裝位置圖

料盤放置在工作臺上的支撐塊上，料框必須水平放置，防止與機器人抓取物料時發(fā)生碰撞。當異步電機驅(qū)動蝸輪蝸桿帶動工作臺旋轉(zhuǎn)時，工位檢測傳感器感應(yīng)到信號后延時停止旋轉(zhuǎn)，視覺系統(tǒng)獲取物料的位置姿態(tài)信息，將姿態(tài)信息傳輸?shù)娇刂破?，控制器控制機械臂抓取物料。

5 上下料過程

人工將物料氣門放置在料框上，步進電機驅(qū)動工作臺上的料盤進行旋轉(zhuǎn)運動，機器視覺系統(tǒng)的光源照射到料盤上，工業(yè)相機對料盤拍照，通過視覺算法識別、計算和確定氣門的直徑大小和中心位置，將氣門中心坐標的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C器人的控制器，由機器人控制器控制機械臂到指定位置，采用真空吸盤抓取指定位置的氣門，然后移動到物料傳輸帶的放料點放料，完成一個上下料操作，循環(huán)往復(fù)即可代替人工進行上下料操作。

6 總結(jié)

與傳統(tǒng)的人工上下料相比，自動上下料機器人有著極大的優(yōu)勢，能夠在程序的控制下實現(xiàn)精準的上下料作業(yè)，自動化程度高[3]，提升了工作效率，可以較為精準地控制生產(chǎn)節(jié)拍，避免因為人的因素而造成對生產(chǎn)節(jié)拍的影響。上下料機器人自動化生產(chǎn)線，減少了中間環(huán)節(jié)，避免零件的質(zhì)量因轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)造成損傷。對于不同零件的上下料操作，可以通過更換手爪夾具和視覺識別系統(tǒng)程序，迅速改變生產(chǎn)的工藝，調(diào)整速度快，免去了工人對新零件的培訓(xùn)和適應(yīng)過程，節(jié)省了大量的時間，提高了生產(chǎn)效率。

另一方面，機械加工過程中，采用自動上下料機器人可以有效避免工人在生產(chǎn)過程中受到傷害。我國工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，極大地減少了對工人的依賴程度，但是與西方發(fā)達國家相比，在人才、技術(shù)、創(chuàng)新上還都有很大的差距，因此還需加大對機器人的研究力度，提高機器人的創(chuàng)新性與實用性[4]。