基于视觉和工业机器人扇叶自动安装系统设计

赵翠俭，陈 翔

（1.石家庄学院 机电学院 河北 石家庄 050035；2.河北银隆汽车有限公司 河北 石家庄 050800）

0 引言

风扇与扇叶的链接主要靠电机轴，目前很多企业生产的电机轴为D型轴，因此，要想链接扇叶与电机，需要将扇叶的D型孔按照正确的方向插入D型轴上，工业生产线中目前主要采用人工方式较多，生产效率不高.随着生产技术条件的不断提高，越来越多的企业开始采用自动化生产线进行产品的组装[1]，目前采用自动化生产线完成扇叶安装的企业主要以简单、单一的生产线来完成，一旦扇叶形状或型号发生改变，就要修改整条产线的控制系统，增加生产成本.近年来，机器视觉的发展越来越快[2]，很多生产领域已经采用了视觉系统来进行控制，视觉系统可以有效地增大系统的柔性[3].各个视觉传感器生产厂家和机器视觉方面的学者都在视觉传感器的应用研究上做出了巨大贡献[4].目前的研究主要以减轻后续图像处理和分析的压力为目的[5].视觉传感器在交通、运输、工业检测等领域的应用研究也得到广泛开展[6].机器人系统在现代工业集成制造生产中起着关键作用，将机器视觉引入工业机器人系统是其关键技术之一[7].本研究将以视觉处理系统为关键部件，进行扇叶自动安装系统的柔性化设计.

1 扇叶安装系统设计

1.1 扇叶安装流程设计

扇叶安装生产线的设计以ABB工业机器人和视觉处理系统为主要部件，其工艺流程主要包括机器人发送指令、图像摄取与传送、坐标变换、机器人运动等，如图1所示.

图1 扇叶安装流程图

1.2 系统硬件设计

系统视觉传感器选用日本欧姆龙公司生产的型号为FZ-S2M的CMOS摄像机.照明设备采用欧姆龙型号为LTS-2BR13222-WH的LED光源，机器人本体及控制柜采用德国ABB公司生产的IRB120型6轴机器人系统，机器人手臂顶端夹具采用AIRTAC公司生产的型号为HFCY32三爪气缸，各连接、固定件均采用机加工件.机器人视觉系统包括图像输入、测量处理、显示、输出等功能模块.

图像输入模块由光源、摄像头以及电源组成，图像尺寸大小可调.通过专用相机电缆给摄像头提供外部电源和信号传输.光源是获取图像质量的保证.摄像头输出的是数字信号，不需要通过图像采集卡进行模/数（A/D）转换，即可输入主机.

测量处理部分主要实现了图像的灰度化、图像的二值化、图像轮廓的提取、中心点的生成等功能模块.视觉采集确定目标物体图像的平面坐标（X，Y）和角度（θ），与世界坐标系进行比较后，通过编写的公式进行计算，得出与初始模型坐标和角度的偏移值.

显示部分，通过视频图形阵列（VGA）信号线，将视觉检测过程、程序执行过程和执行结果显示在液晶显示器上.

输出部分通过无线局域网络（WLAN）端口、TCP/IP（无协议）把计算得出的目标物体与初始模型平面坐标和角度的偏移值，通过ASCII码输出给ABB机器人.

1.3 控制系统设计

1.3.1 通讯设置

ABB机器人通讯模块选用X6、广域网（WAN）接口，欧姆龙视觉模块选用以太网协议（TCP），应使两者位于同一网段内，否则无法通讯.机器人通讯模块接线如图2所示.

图2 ABB机器人通讯模块接线图

1.3.2 坐标校准

由于相机和机器人分别有不同的坐标系，因此需要有处理项目事先对相机坐标系和外部机器坐标系的对应关系进行计算，即“校准”工作.使用外部机器，按照规定的顺序重复执行“工件的移动→测量”，由FH/FZ5计算校准参数.使用“校准辅助工具”，可根据制作的校准参数，以图表的形式显示相机坐标系和实际坐标系的位置关系.通过比较显示的内容和实际装置的位置关系，可方便地确认校准参数的妥当性.设定选择位置的实际坐标后，会自动计算出校准参数.需要注意的是，当X方向和Y方向的倍率相同时，选择两点进行校准；当X方向和Y方向的倍率不同时，选择三点进行校准.

1.3.3 模型建立

机器人系统需要使用运动指令、套接字发送接收及处理、字符串计算和截取、字符串转换、工件坐标系的平移和旋转等模块.运动指令包括MOVEJ、MOVEL、MOVEL OFFS、MOVEL RelTool等，使机器人点到点运动、直线运动、平移运动、旋转运动.套接字发送接收及处理用于接收视觉主机发送过来的字符串，进行筛选后，把有用部分保存进字符串变量，用于后面的计算.套接字处理后存入字符串的变量，计算后截取有效位字符串，提取平面坐标（X，Y）和旋转角度（θ）的偏移量.然后进行字符串转换，把计算后截取的坐标值和角度转换成数字变量，存入机器人对应的偏移坐标的数字变量中.因此需要将待测部分作为模型登录.在模型的信息中也登录了登录时的位置.在将待测对象放在正确位置的状态下进行模型登录.通过使用绘图工具，设定登录为模型的范围，并保存登录模型时使用的整个图像.

1.3.4 坐标数据发送

将数据通过串行接口，利用指令的无序方式输出至外部设备.串行数据输出是在流程上的串行数据输出处理结束后立即开始输出.根据通信模块，选择与传感器控制器通信时使用的通信方式.如图3所示.

图3 通信方式的选择

1.3.5 机器人接收坐标值并转换

机器人通过TCP/IP无协议网络接收到的是16位ASCII码，通过机器人自身RAPID编程环境，把字符串转换为10进制数字变量，并按照格式截取，分别存入X坐标、Y坐标以及θ旋转角度相对应的数字变量中.ABB机器人的程序编写如下：

1.3.6 机器人根据坐标值进行偏移运动

机器人的运动由偏移指令RelTool进行控制，该指令可将有效工具坐标系表达的位移和（或）旋转增加至机械臂位置.机器人的运动程序如下：

2 系统实验

系统设置完成后，将需要安装的扇叶和电机轴放置在机械手工作范围内，然后启动系统，调整机器人程序至识别例行程序.这时在视觉系统显示界面中会自动识别显示扇叶的安装孔和电机轴，并使用红色线条进行描边，如图4（局部放大）所示.识别扇叶安装孔后，机器人计算并记录角度和位移，使用偏移量使机械手抓取扇叶并移动到电机轴上方，进行角度旋转，然后将扇叶安装到电机轴上.完成扇叶的安装.

图4 扇叶和电机轴的识别效果

3 结论

使用机器视觉与工业机器人进行结合，对扇叶安装过程进行了自动化处理，基于视觉的扇叶自动安装系统大大增加了机器人系统的柔性化，使得机器人系统不必因为更换一个作业目标而改变流水线的机械结构，在扇叶安装产线中，当更换不同型号的扇叶和电机时，视觉系统仍然可以自动进行识别，并与ABB机器人协作完成扇叶的自动化安装.实验和仿真结果证明，该系统在光源稳定的条件下可靠性较高，极大地提高了企业生产效率和设备利用率，为智能制造生产线提供了有力支持.

参考文献：

[1]刘子龙.基于机器视觉的快速分拣食品包装系统研究[D].杭州：浙江工业大学，2015.

[2]李树杰.中国机器视觉的发展趋势[J].赤峰学院学报，2010，26（1）：161-162.

[3]王洪涛.基于视觉的工业机器人目标识别定位方法的研究[D].西安：西安理工大学，2007.

[4]周衍超.基于视觉引导的机器人智能抓取技术研究[D].广州：广东工业大学，2015.

[5]刘明周，马靖，张淼，等.基于机器视觉的机械产品装配系统在线作业方法[J].计算机集成制造系统，2015，21（9）：2343-2353.

[6]张五一，赵强松，王东云.机器视觉的现状及发展趋势[J].中原工学院学报，2008，19（1）：9-12，15.

[7]朱学建，马永，冯渝，等.直角坐标机器人瓶坯装箱生产线控制系统[J].食品与机械，2012，28（6）：187-189.