陳輝煌，翁偉

（1.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建莆田，351119；2.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州，350108）

目前鈑金壓鉚生產(chǎn)過(guò)程中，鉚接機(jī)其功能一般只具有壓鉚，其他為人工壓鉚操作，人工壓鉚存在耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作安全隱患大等問(wèn)題；而且，傳統(tǒng)壓鉚由人工憑借經(jīng)驗(yàn)控制壓鉚設(shè)備進(jìn)行操作，鉚接質(zhì)量不穩(wěn)定，采用簡(jiǎn)單的控制難以保證鉚接的質(zhì)量與效率[1～2]。近幾年，壓鉚控制系統(tǒng)朝著機(jī)器人和機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)壓鉚設(shè)備和坐標(biāo)丈量機(jī)組成自動(dòng)化裝配系統(tǒng)方向發(fā)展[2～4]。自動(dòng)壓鉚裝配系統(tǒng)壓鉚的難點(diǎn)是如何精準(zhǔn)判斷鉚接的目標(biāo)點(diǎn)，一般系統(tǒng)將鈑金件放置于精定位板，由機(jī)器人抓取后進(jìn)行壓鉚，板件前道位置信息會(huì)造成誤差，位置信息難以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地定位[5～8]。針對(duì)這些，提供一種基于視覺(jué)機(jī)器人的鈑金壓鉚控制方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)各部件的自動(dòng)定位，同時(shí)還能一次性完成壓鉚，有效提升壓鉚精準(zhǔn)度，提高生產(chǎn)效率。

1 總體設(shè)計(jì)

以鈑金壓鉚工件為加工對(duì)象，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套基于機(jī)器人視覺(jué)自動(dòng)壓鉚控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，其主要包含數(shù)控壓鉚機(jī)器、壓鉚電氣控制柜、工業(yè)相機(jī)、工控機(jī)、機(jī)器人、末端抓手等硬件。機(jī)器人視覺(jué)自動(dòng)壓鉚控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在功能設(shè)計(jì)上，末端抓手和機(jī)器人負(fù)責(zé)鈑金工件的抓取、移動(dòng)和碼垛；壓鉚電氣控制柜中的S71200為下位機(jī)控制器，通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)調(diào)上位工控機(jī)和數(shù)控壓鉚機(jī)器的工作；上位工控機(jī)基于.NET 技術(shù)開(kāi)發(fā)人機(jī)交互系統(tǒng)，負(fù)責(zé)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人動(dòng)作執(zhí)行的路徑及鈑金孔位檢測(cè)、顯示監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)及記錄設(shè)備數(shù)據(jù)；工業(yè)相機(jī)視覺(jué)模塊用CMOS 工業(yè)相機(jī)，將其安裝在壓鉚機(jī)旁的視覺(jué)定位臺(tái)上方，通過(guò)以太網(wǎng)將鉚接工件位置信息圖像發(fā)送到工控機(jī)，并由上位機(jī)計(jì)算壓鉚位置偏差值，將調(diào)整偏差值的數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)器人進(jìn)行位置坐標(biāo)的調(diào)整。

圖1 機(jī)器人視覺(jué)自動(dòng)壓鉚控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由三個(gè)模塊組成：機(jī)器人自動(dòng)抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)、壓鉚位置視覺(jué)檢測(cè)和校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)壓鉚工作流程設(shè)計(jì)。

■2.1 機(jī)器人自動(dòng)抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)抓取系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人、支撐部分、精準(zhǔn)抓取定位三部分組成，自動(dòng)抓取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。工業(yè)機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和指令，規(guī)劃路徑出從取料臺(tái)到壓鉚機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑；支撐部分確保機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性；抓取定位部分則負(fù)責(zé)在起點(diǎn)精確地抓取鈑金件，并在運(yùn)輸過(guò)程中保持其穩(wěn)定，直到終點(diǎn)將其準(zhǔn)確地放置在壓鉚機(jī)上。

圖2 機(jī)器人自動(dòng)抓取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)械臂、電氣控制柜、示教器組成，選型綜合考慮鈑金工件的重量、尺寸、壓鉚工藝要求及機(jī)器人機(jī)械臂活動(dòng)范圍與作業(yè)區(qū)間尺寸的匹配性。機(jī)器人采用示教器和電控制柜，控制本體X、Y、Z 三個(gè)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)控制器提供以太網(wǎng)等接口，使工控機(jī)能夠遠(yuǎn)程與機(jī)器人進(jìn)行通訊，以控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。

支撐部分由連接桿、可調(diào)吸盤、聯(lián)接法蘭和底安裝座組成。法蘭是機(jī)器人手臂與支撐部分連接的關(guān)鍵組件，能夠確保機(jī)器人在操作過(guò)程中不會(huì)因?yàn)檫B接部分的松動(dòng)或移位而產(chǎn)生誤差。吸盤能夠固定底安裝座，防止其移動(dòng)或變形。連接桿是保證底安裝座與兩側(cè)支架之間的穩(wěn)固連接。底安裝座作為整個(gè)裝置的主體承載重量部分，增加多個(gè)吸盤，分散底安裝座的承載重量，增加裝置穩(wěn)定性；在兩側(cè)的支架和底安裝座聯(lián)接之間加裝連接桿保證底座裝置穩(wěn)定性。

精準(zhǔn)抓取定位部分主要由抓手機(jī)構(gòu)、精定位機(jī)構(gòu)、傳感器、電磁鐵等組成。抓手機(jī)構(gòu)主要由兩側(cè)鋁型材支架、法蘭、可調(diào)吸盤機(jī)構(gòu)組成。兩側(cè)支架提供穩(wěn)定的支撐；法蘭連接抓手機(jī)構(gòu)與機(jī)器人手臂，保證抓手機(jī)構(gòu)與其他部分的準(zhǔn)確對(duì)齊和穩(wěn)定連接；可調(diào)吸盤機(jī)構(gòu)能夠抓取不同尺寸和形狀的物體。精定位機(jī)構(gòu)通過(guò)工件自身重量下滑到定位位置，實(shí)現(xiàn)工件精定位。傳感器安裝在抓手機(jī)構(gòu)上，檢測(cè)工件與抓手的距離，保證每次取工件的正確性。抓手機(jī)構(gòu)如圖3 所示，精定位機(jī)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 抓手機(jī)構(gòu)

圖4 精定位機(jī)構(gòu)

■2.2 壓鉚位置視覺(jué)檢測(cè)和校正設(shè)計(jì)

壓鉚位置視覺(jué)檢測(cè)和校正系統(tǒng)主要由工業(yè)相機(jī)模塊、通信模塊、工控機(jī)壓鉚編程系統(tǒng)模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。工業(yè)相機(jī)模塊硬件主要由工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源、視覺(jué)控制器組成，該模塊對(duì)壓鉚鈑金拍照，圖像處理后，將位置信息通過(guò)以太網(wǎng)通信模塊傳送到工控機(jī)。工控機(jī)壓鉚編程系統(tǒng)模塊由基于.NET 技術(shù)，并運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，構(gòu)造的一套集成了監(jiān)控、分析、計(jì)算和控制的信息系統(tǒng)，該軟件對(duì)工業(yè)相機(jī)上傳的壓鉚位置信息進(jìn)行計(jì)算，在得出位置誤差后，生成機(jī)器人程序，通過(guò)通信模塊發(fā)送機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)行機(jī)器人坐標(biāo)補(bǔ)償，完成位置校正。具體壓鉚位置校正步驟如圖6 所示。

圖5 位置視覺(jué)檢測(cè)和校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 壓鉚位置校正步驟

■2.3 自動(dòng)壓鉚工作流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，設(shè)備進(jìn)行初始化，工控機(jī)導(dǎo)入壓鉚圖紙，編輯機(jī)器人程序下發(fā)至機(jī)器人，機(jī)器人移動(dòng)到取料區(qū)，抓取鈑金件放置于精定位板，初定位后再抓取鈑金件送至視覺(jué)檢測(cè)位，工業(yè)相機(jī)對(duì)鈑金件進(jìn)行拍照后，上傳圖像至上位機(jī)，由工控機(jī)進(jìn)行偏差值計(jì)算，計(jì)算當(dāng)前位置與首次人工示教壓鉚參考位置的偏差值，并將壓鉚位置偏差值發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人進(jìn)行位置補(bǔ)償后，然后移動(dòng)至壓鉚機(jī)進(jìn)行壓鉚，壓鉚完畢后移動(dòng)到下料區(qū)進(jìn)行產(chǎn)品碼垛，實(shí)現(xiàn)鉚接過(guò)程全自動(dòng)。自動(dòng)壓鉚工藝流程如圖7 所示。

圖7 自動(dòng)壓鉚工藝流程

3 實(shí)驗(yàn)分析

該自動(dòng)壓鉚控制系統(tǒng)用于某鈑金企業(yè)的壓鉚測(cè)試。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先運(yùn)行自動(dòng)壓鉚系統(tǒng)專用離線編程軟件，軟件界面如圖8 所示。

圖8 自動(dòng)壓鉚系統(tǒng)專用離線編程軟件

初始化相關(guān)設(shè)備后，通過(guò)完成工業(yè)相機(jī)、機(jī)器人設(shè)置和通信配置等相關(guān)設(shè)置后，選擇規(guī)格不同的鈑金件進(jìn)行壓鉚實(shí)驗(yàn)，分別選擇合適的夾頭，對(duì)壓鉚產(chǎn)品展開(kāi)圖按照系統(tǒng)定義的規(guī)則對(duì)圖紙進(jìn)行二次處理，將生產(chǎn)圖紙導(dǎo)入編程軟件里，然后對(duì)壓鉚作業(yè)文件中的基本參數(shù)、讀取圖紙、取料設(shè)置、定位設(shè)置、壓鉚設(shè)置、換向設(shè)置、路徑設(shè)置、碼垛設(shè)置等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。作業(yè)文件中基本參數(shù)設(shè)置界面主要是對(duì)壓鉚機(jī)生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)實(shí)際所用規(guī)格尺寸等參數(shù)進(jìn)行輸入設(shè)置；讀取圖紙界面主要對(duì)事先制作完畢的圖紙（文件格式為.dxf）進(jìn)行讀取，以便系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品工藝進(jìn)行分析、計(jì)算以及處理顯示；取料設(shè)置界面主要是對(duì)自動(dòng)化壓鉚系統(tǒng)在取料過(guò)程中的取料方式、抓取位置等相關(guān)參數(shù)設(shè)置；定位設(shè)置界面主要是對(duì)精定位過(guò)程中的取料與放料位置的相關(guān)參數(shù)設(shè)置；壓鉚設(shè)置界面主要是對(duì)自動(dòng)化壓鉚系統(tǒng)在壓鉚過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置；換向設(shè)置界面主要是對(duì)自動(dòng)化壓鉚系統(tǒng)在換向過(guò)程中的路徑、換向方式以及換向模式等相關(guān)參數(shù)設(shè)置；路徑設(shè)置界面主要是對(duì)自動(dòng)化壓鉚系統(tǒng)過(guò)程中壓鉚路徑的設(shè)置，查看壓鉚坐標(biāo)、壓鉚路徑；碼垛設(shè)置界面主要是對(duì)自動(dòng)化壓鉚系統(tǒng)碼垛過(guò)程中的碼垛方式、碼垛數(shù)量以及擺放等相關(guān)參數(shù)設(shè)置。壓鉚作業(yè)文件設(shè)置界面如圖9 所示。

圖9 壓鉚作業(yè)文件設(shè)置界面

在完成壓鉚作業(yè)文件設(shè)置后，工控機(jī)上位機(jī)自動(dòng)壓鉚系統(tǒng)專用離線編程軟件生成機(jī)器人程序下載至機(jī)器人控制中，機(jī)器人通過(guò)程序指令完成取料、定位、壓鉚、碼垛作業(yè)。在不同尺寸的鈑金件各進(jìn)行100 次鉚接，系統(tǒng)能夠可靠無(wú)誤進(jìn)行壓鉚作業(yè)。系統(tǒng)各模塊運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)多個(gè)產(chǎn)品鉚接位置測(cè)量，其誤差都在允許的范圍內(nèi)，壓鉚成功率達(dá)到96/%以上，自動(dòng)壓鉚時(shí)間遠(yuǎn)低于人工手動(dòng)壓鉚，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工。不同尺寸壓鉚情況統(tǒng)計(jì)表如表1 所示。通過(guò)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該自動(dòng)壓鉚控制系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果壓鉚準(zhǔn)確、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

表1 不同尺寸壓鉚情況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

該壓鉚控制系統(tǒng)采用工業(yè)相機(jī)和工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合的硬件平臺(tái)，軟件設(shè)計(jì)采用.NET4 技術(shù)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定可靠性和維護(hù)性。應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有鉚接精度高、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，可代替人工鉚接作業(yè)，設(shè)計(jì)達(dá)到要求。