双目视觉机器人拧紧系统的应用

刘呈银 南 辉

（陕西汉德车桥有限公司，陕西西安710200）

0 引言

在汽车车桥减速器装配过程中，因过桥箱盖需拧紧的螺栓数量多，过桥箱盖形状不规则，螺栓分布不均，同时现场AGV在运行到定位点时，停靠位置存在较大误差，AGV工装水平方向也存在误差，因此使用拧紧机作业过程中需不断调整拧紧位置和两条拧紧轴的中心距。但是拧紧所有螺栓需要3～4 min，工人劳动强度大、生产效率低，无法满足现场作业要求。基于智能制造及数字化工厂建设需求，公司现引进双目视觉机器人拧紧系统，通过双目视觉系统将产品类型、样色、螺栓数量等特征信息转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统。图像处理系统根据像素分布、亮度、颜色等信息将其转化成数字信号，视觉系统对这些信号进行各种运算，抽取目标特征和实际产品模板进行比较，根据判别的结果来控制机器人动作。机器人根据接收到的信息调整运行轨迹，实现对过桥箱盖螺栓的自动拧紧。

1 技术分析

根据汽车车桥减速器装配现场实际情况梳理出以下待解决的问题：

（1）人工作业工作量大、规范性差、效率低。

（2）人工作业随意性大，存在漏拧可能，装配质量难以保证。

（3）作业现场噪声大，不适宜人工现场工作。

（4）过桥箱盖种类多。

（5）过桥箱盖异形，形状差异大。

2 双目视觉机器人拧紧系统的工作流程

（1）现场配置KUKA六轴机器人及视觉定位系统，柔性装配线上AGV输送小车运行到机器人和视觉系统工作范围内自动定位。

（2）双目视觉机器人拧紧系统进行手眼标定，得到照像机的图像坐标与机器人基座之间的转换关系。

（3）通过视觉匹配算法，从图像中定位出过桥箱盖上螺栓的位置和产品类别。

（4）基于手眼标定的结果，计算出过桥箱盖上螺栓相对于机器人基座的位置，并以固有的通信方式告知机器人被测物体的位置信息。

（5）控制机器人对过桥箱盖螺栓进行拧紧。

3 双目视觉机器人螺栓拧紧系统的组成

3.1 硬件系统组成

（1）松下工业级专用摄像机、辅助光源。

（2）视频信号数字化设备（图像处理计算机），其任务是把摄像机或CCD输出的信号转换成方便计算和分析的数字信号。

（3）库卡机器人本体及控制系统。

（4）西门子S7300PLC，通过PROFIBUS总线和拧紧控制器连接，控制拧紧轴进行拧紧作业，采集拧紧结果数据用于显示和上传MES系统。

（5）西门子触摸屏，用于显示拧紧结果及系统状态信息。

3.2 软件系统组成

（1）计算机系统软件选用Win7，视觉系统软件选用深路MMIU2.0版。

（2）机器人控制软件选用RC2。

3.3 信息交换

机器人与视觉系统、AGV控制系统之间通过INTERNET网络实现信息交换，机器人与拧紧控制PLC、PLC，以及与拧紧轴控制器之间使用工业总线PROFIBUS实现数据交换。

4 双目视觉机器人拧紧系统的安装调试

（1）将双目摄像头按要求安装到支架上，固定后调整焦距使其取像清晰，并保证达到适当的取像范围，需要提取的工件特征信息基本位于图像的中心位置。

（2）调试前准备工作：准备棋盘校正板，要求平整无褶皱，将机器人拧紧轴套筒取下，在TCP轴（拧紧机非移动轴）中心安装垂直标定工装，要求高度超出原套筒高度3 cm左右。

（3）标定：分为机器人标定和视觉软件标定两大块，其主要作用是调整机器人绝对值坐标与软件像素坐标重合。将棋盘板置于AGV小车的平面上，高度要求与螺栓平面接近平行。需要注意两点，一是校正板固定后不可移动，否则可能导致校正失败；二是两个相机都必须拍到棋盘板上的“T型”参照物。1）机器人标定采用“4点”标定法，即在定位镜头取像范围内任意取4个点，并做标记。移动机器人手臂，按顺序分别使TCP轴的定位工装顶点与标记点重合，并记录机器人当前X、Y坐标值。2）相机标定：打开视觉软件的“定位”模块，标定1号相机。在标定窗口中，将软件中的4个点（P0～P3）用鼠标定位到与机器人记录的4个点重合，且保证顺序相对应；更新图像坐标，数值随之自动更新；最后将记录的机器人X、Y坐标值按顺序输入到对应的视觉软件实时坐标中保存，标定工作完成。重复这个步骤标定2号相机。在标定板取像范围内取任意一个点做好标记，并手动进行拍照，再将机器人标定工装顶点移动到该点，即TCP轴与该点重合。查看示教器中的坐标值是否与视觉软件中的坐标值相同，以验证标定结果，并根据现场使用要求确定误差范围，如果误差较大，需要重新标定。

5 相机模版制作

摄像头的作用是获取图像，那么模版的作用就是给系统做比较、分析并最终确定产品信息。每一种产品需制作一个模版，用于在作业过程中和视觉系统采集的图像进行对比，根据对比结果输出对应的产品信息。机器人接收视觉系统输出的信息后开始进行相应的拧紧作业。模板制作步骤如下：在视觉系统采集的图像中选择合格品取像制作模版（制作过程中，产品不得移动，直到机器人螺栓拧紧程序编辑完成）。在视觉系统软件MMIU中，打开模版编辑窗口，添加模版名字，编辑模版特征（分为必要特征和辅助特征）。

（1）调整图片特征框大小，选定特征范围。

（2）更改相应参数，生成添加特征选项。

（3）拾取图片特征信息，并完成添加。

（4）定位坐标原点，即视觉系统在工件上建立的坐标系原点。

（5）选择保存模版路径并保存。

按相同方法完成2号相机模板制作。

6 双相机数据整合

打开视觉软件，定位双相机整合，先把偏置数据清零并手动拍照，得出视觉软件坐标测试数据，再把得出的X、Y及角度数据分别减30 000，最后将得到的数值填到对应偏置数据位置，完成数据整合。

7 机器人基坐标标定及编程

7.1 机器人基坐标标定

打开机器人示教器基坐标标定界面，选择对应的工具编号，对机器人基坐标进行标定。将机器人TCP轴手动移动到工件上确定的坐标原点（实例中为销钉的圆心点），点击示教器测量按键，根据提示将机器人向+X方向、原点、+Y方向移动，点击测量并保存数据，基坐标标定完成。

7.2 机器人编程

首先选定对应产品的机器人子程序，手动触发摄像机进行拍照。其次，运行机器人程序，完成程序初始化。之后将光标移到PYX=OKX位置，进行句选择，手动运行机器人。最后将机器人手臂移动到需要拧紧的螺栓上方，进行机器人定位拧紧程序编辑。

8 现场应用

（1）从AGV进入视觉范围内定位停稳到机器人拧紧完成，节拍为110 s，无需人工操作，解决了传统拧紧作业效率低、人工作业工作量大的问题。

（2）视觉识别控制机器人作业，可100%拧紧轴，不存在漏拧现象，保证了装配质量。

（3）机器人控制拧紧轴作业，作业现场噪声降低50%。

（4）视觉系统自动识别产品，不受产品种类和形状变化限制。

9 结语

随着工业技术的不断发展，机器人视觉系统逐渐发展成熟。微型计算机飞速发展，机器人视觉系统开始进入各个领域，其中汽车制造是机器人视觉系统应用的一个重要领域，已经成为智能工厂的核心组成单元。从上海特斯拉智能工厂、不同汽车品牌加速装配智能工厂，到雷军公布的小米“黑灯工厂”（效率比传统工厂提升60%以上），视觉机器人系统的应用已经成为各大企业提高生产效率、减少成本的重要手段。