劉永東

江西新能源科技職業(yè)學院,江西 新余 338000

0 引言

螺紋連接是緊固件加工最廣泛的方式,但常規(guī)的連接加固方式容易受振動、沖擊和高溫荷載的影響,導致螺紋連接預緊力達不到標準,甚至出現松脫問題[1]。本文采用機器視覺技術精準采集和處理螺母螺紋與螺桿螺紋的連接圖像,通過陣元量化算法驗證兩者的加固定位精度后,由PLC發(fā)出指令驅動氣動緊固夾具加固螺紋,并通過位置傳感器檢測螺紋加固情況,整個加固工藝實現了自動化、智能化和精準化,對提升螺紋緊固的作業(yè)質量、改進工藝水平具有重要價值。

1 整體設計方案

該裝置整體結構如圖1所示:由工業(yè)機器人機械手將螺母與螺桿拼接至初始位置后進行緩慢調整,CCD圖像傳感器實時采集兩者的連接圖像,并通過算法進行實時運算;當兩者連接情況符合緊固要求后,PLC接收到機器視覺模塊發(fā)送的信號,并向氣動夾具發(fā)出夾緊指令,之后氣動夾具動作進行螺紋緊固操作,過程中由位置傳感器實時檢測螺母與螺桿的緊固情況,一旦兩者緊固位置達到預設參數標準,PLC便向氣動夾具發(fā)出松開指令,由工業(yè)機器人機械手將緊固加工好的螺紋工件搬運至指定區(qū)域。此后,工業(yè)機器人機械手夾取下一批帶緊固加工的螺母和螺桿至拼接位置,并循環(huán)執(zhí)行上述加工流程。技術人員可在組態(tài)控制觸摸屏上啟動、停止加工過程,并實時監(jiān)測螺紋緊固的作業(yè)情況,整個加工過程實現了全自動化作業(yè)。

圖1 裝置整體結構

2 軟硬件及組態(tài)設計

2.1 機器視覺算法方案

本裝置利用CCD視覺傳感器采集螺母螺紋與螺桿螺紋的連接圖像,并運用陣元量化算法[2]對圖像進行優(yōu)化處理后傳給PLC,當螺母螺紋與螺桿螺紋的連接達到緊固加工要求后,PLC向氣動夾具發(fā)出緊固加工指令。具體的機器視覺算法方案為:首先,假定待緊固的螺母螺紋與螺桿螺紋連接圖像函數為f(x,y);其次,將該圖像函數矩陣化,并劃分為(A×B)個數據點,對矩陣化后的圖像函數進行陣元量化處理,得到全新的矩陣fL(i,j)。具體的算法過程如下:

f(x,y)→

→f[(i,j)]A×B→[fL(i,j)]A×B

(1)

此后,對陣元量化處理后的矩陣圖像信息進行均值濾波降噪處理,并利用灰度直方圖提升像素點質量,直至提取出符合識別標準的螺母螺紋與螺桿螺紋連接圖像數字信號傳遞給PLC。

2.2 硬件設計

該裝置的硬件裝配接線如圖2所示,其中,輸入部分占用了PLC的I0.0～I0.4五個端口,功能分別為:I0.0(啟動開關)、I0.1(停止開關)、I0.2(CCD圖像傳感信號輸出信號端)、I0.3(位置傳感器信號輸出新號端)。輸出部分占用了PLC的Q0.0～Q0.1兩個端口,功能分別為:Q0.0(氣動夾具夾緊輸出線圈)、Q0.1(氣動夾具松開輸出線圈)。同時,將PLC內部中間繼電器M0.0～M0.3分配給組態(tài)控制地址使用,分別用于控制裝置啟動、停止,監(jiān)測位置傳感器運行狀態(tài),以及氣動夾具的工作狀態(tài)。此外,在硬件設計上,外圍的工業(yè)機器人作為作業(yè)本體單獨供電,與PLC控制模塊通過總線進行通信連接,當氣動夾具完成螺紋緊固作業(yè)后,由PLC向通信總線發(fā)出高電平信號,工業(yè)機器人接收到該信號后抓取緊固好的產品放置到指定位置。

圖2 硬件接線圖

2.3 軟件設計

本系統(tǒng)應用梯形圖編譯軟件程序,具體的程序模塊及設計思想如下。

1)啟動及初始化模塊。用戶按下裝置啟動按鈕后,系統(tǒng)得電啟動,內部進行自動初始化自檢,自檢無誤后開始檢測工業(yè)機器人機械手臂抓取螺母狀態(tài)、螺桿到位狀態(tài)。

2)機器視覺循環(huán)掃描模塊。當螺母和螺桿到位后,機械手臂會微調兩者的緊固初始位置,CCD視覺傳感器則實時采集現場畫面,通過視覺算法處理后傳遞給PLC。

3)緊固加工作業(yè)模塊。當兩者間位置距離達到預定標準,PLC啟動緊固加工子程序,氣動夾具對螺母和螺桿進行緊固加工,同時位置傳感器實時采集兩者的緊固間距,一旦達到標準參數,氣動夾具松開,工業(yè)機器人機械手臂抓取加工好的工件放置堆料盤中。

圖3為主要程序模塊。

圖3 主要程序模塊

2.4 組態(tài)控制設計

本裝置的人機交互姿態(tài)控制界面如圖4所示。根據螺紋緊固自動化作業(yè)的需求設計界面模塊及功能,主要模塊及控件功能如下。

圖4 人機交互組態(tài)控制界面

1)工業(yè)機器人機械手臂運動軌跡設置模塊。選用MCGS軟件[3]中的文本框、輸入框2種控件,包含x、y和z這3個坐標軸參數的設置輸入框,用戶可在該模塊中預設機器人機械手臂抓取及搬運工件的軌跡及路徑參數。

2)系統(tǒng)啟?？刂颇K。選用MCGS軟件中的標準按鈕控件,包含系統(tǒng)啟動和系統(tǒng)停止2個按鈕,用戶可在觸摸屏上操作這2個按鈕,實現對整套裝置的上電啟動和斷電停止控制。

3)指示燈模塊。選用MCGS軟件中的指示燈和文本框2種控件,用戶可在該模塊中監(jiān)測CCD視覺傳感器、氣動夾具和位置傳感器的工作狀態(tài)。

此外,各組態(tài)模塊應與PLC對應的I/O和中間繼電器建立起通信連接,選用昆侖通泰有限公司生產的TPC7062K觸摸屏作為人機交互操控硬件。

3 緊固測試結果

系統(tǒng)設計完成后,在螺紋緊固加工現場進行了測試,測試的流程為:選擇M5、M12和M20三種規(guī)格的六角螺母,并匹配對應規(guī)格螺桿,各規(guī)格螺母和螺桿均選擇100對;分3批次對3種規(guī)格的螺母和螺桿進行緊固加工作業(yè);收集3批次螺母和螺桿加工的相關數據,包括單個螺母螺桿視覺處理平均耗時、單個螺母螺桿緊固加工平均耗時、緊固加工有效率。

各項數據如表1所示。

表1 現場緊固加工測試數據

由表1數據可知:應用該裝置對工業(yè)現場常見的3種規(guī)格螺母進行自動化緊固加工,所用的視覺處理耗時、緊固加工耗時和緊固加工有效率均符合預期設計需求,且緊固加工過程完全實現了自動化和智能化控制,大大提升了生產效率,有利于降低人為作業(yè)可能帶來的誤差率和事故率。

4 結束語

通過將機器視覺技術和PLC技術引入螺紋緊固加工中,設計了一套全自動化的生產作業(yè)裝置,該裝置扭轉了傳統(tǒng)模式下半自動化作業(yè)或人工作業(yè)產生的弊端,以人機交互組態(tài)操控的形式,實現了整個加工工藝的自動化操控,有效地提升了螺紋緊固作業(yè)的生產效率和質量。