机器人视觉伺服控制柔性上料工作站设计

宋 科，王 媛

(西安航空学院 电子工程学院，西安 710077)

0 引言

随着我国制造业产业升级和自动化的高速发展，在越来越多的行业，工业机器人逐步替代人的工作[1-7]。随着现代智能化技术与电子技术的快速发展，机器人代替人工完成工件或物料的上下料作业，在机床上下料、白车身焊接、家电组装等应用领域得到日益广泛的应用[8-19]。以某大型通讯企业射频模块(RRU)包装生产线为例，传统人工包装，从上料、扫描、封膜、入箱、封箱及秤重、码垛、缠绕、称重、下线全工序，需要用工数为34 人/班，单班包装产量约600至700件。随着用工成本及企业产量的增长，传统人工上料已经难以满足企业生产需求。在RRU的自动化包装生产线中，迫切需要利用机器人提高包装的上下料安全与效率。采用机器人实现工件的抓取和搬运，关键技术包括工件的定位及如何兼容不同规格抓取夹具的设计。为此，视觉定位采用图像分析获取工件的三维坐标，与机械定位装置相比，不需要人工干预，由于取消专用定位工装，作业场地布局更加紧凑。采用柔性机器人夹具，在不增加夹具数量和规格的前提下，兼容不同规格产品的抓取作业，降低工作站总成本，进一步提高上料作业工序的效率。

1 生产线上料机器人单元工艺流程及特点

机器人自动上料工艺工序流程如图1所示。

(1)工件按摆放要求摆放在托盘上，每层最多6个， 最多3层，最上面一层可以不排满，下面的层数必须排满；

(2)操作工按开门请求按钮，机器人回到非干涉区；

(3)操作工将托盘传送至拆垛位置，拆垛位置需要固定，底部托盘需要有定位销定位，并安装有到位传感器，托盘到位后由整线传送到位信号和该托盘的料片型号传送给机器人，并由机器人传送给视觉系统开始视觉处理；

(4)由拆垛侧面相机检测到工件的高度，从而确定出工件的z方向信息；由托盘顶部相机检测到相应工件水平位置，从而确定出工件的x、y方向和旋转角度信息，并将该位置信息通过串口传送给机器人控制器；

(5)当所有的安全信号满足时，机器人根据视觉控制系统传送的工件位置信息对工件进行抓取并放置到放料工位；

(6)机器人放置完毕并退出干涉区后，通知PLC，开始物料输送。

图1 机器人自动上料工艺流程

2 生产线上料机器人工作站总体方案设计

工位由一台机器人对应两台拆垛小车，上料机器人单元布局如图2所示。当机器人将一台拆垛小车上工件全部放到传送带后，拆垛小车退出重新上料，机器人开始另一台小车的抓取。

上料机器人单元结构设计：

(1)设计专用转运车，要求每车能运载18个模块；设计专用托板放置，每车放置3层，每层6个；根据不同工件尺寸定制化设计托盘，起到固定放置位置的作用，方便机器人定点抓取；

(2)采用柯马机器人搬运上线；设计专用夹具，夹具采用伺服电机(带刹车)+齿轮、齿条驱动，2根导轨导向定位；带2个微动开关检测夹具夹紧到位，带一个接近开关检测伺服零点；带4个吸盘用于吸取托盘，吸盘采用4个气缸驱动；带一套气动二联件，用于气压调压和油水分离；

(3)上线暂存线，暂存线长2 m，高0.7 m，有效宽度760 mm；使用防静电橡胶辊子传动；驱动系统采用SEW电机+变频器控制；辊子线驱动分为2段；使用2组光电开关判断位置；

(4)扫描仪上设计多个扫描头，以适应不同产品需要；扫描数据须上传控制系统；

(5)每段设置暂停按钮，按暂停按钮黄色声光报警并暂停该段；设置急停按钮，按急停按钮红色声光报警并急停整个生产线；

(6)设置光幕报警系统；

(7)设置手动自动模式转换。

图2 上料机器人单元布局

3 机器人选型及电动柔性夹具设计

3.1 机器人选用

机器人型号为SMART NJ110-3.0，最大有效负载110 kg(端拾器+工件)，SMART5 NJ110-3.0参数及性能如表1所示。柯马NM-45-2.0系列机器人采用高可靠性技术。为了满足特殊应用，机器人应具备不同的加速度、负载能力和工作区域等特性，同时也应满足一些常规应用的要求，诸如缩短操作周期、提高生产率和稳定的生产质量。

表1 SMART5 NJ110-3.0参数及性能

3.2 电动夹具设计

对于机器人上下料应用场合，常用的机器人夹具设计采用吸取、抱夹、抱托或者几种方式的组合。本例应用中，综合分析工件重量(约40 kg)、工件几何形状以及工件表面结构等多种因素，为满足不同规格产品采用一套柔性夹具，机器人的末端工具采用双边同步抱夹方式，机器人夹具示意图如图3所示，夹具结构设计如图4所示。上线夹具外型尺寸580 mm×450 mm×360 mm；上线夹具重量40 kg；选用富士伺服电机驱动，配两个限位开关。对电机的控制要有力矩控制模式，能够限制夹具的夹紧力，防止夹伤工件，同时预留气路控制，只需要控制一个电磁阀的通断，以检测真空发生器是否吸取成功。

图3 机器人夹具示意图

图4 夹具结构设计

4 机器人用视觉定位系统设计

4.1 视觉定位系统技术指标

(1)机械手承重60 kg，可达性>3.0 m，视觉定位<0.5 mm；

(2)视觉定位时间100 ms；识别精度±0.5 mm。

4.2 视觉定位系统组成

工位共两套视觉系统，每个托盘小车上配置一套，工作站视觉系统组成如图5所示。

步骤1：视觉硬件部分包含2部工业照相机及照明光源，分别固定安装于小车上方和侧面，并通过以太网与视觉处理器相连；

步骤2：视觉子系统拍照，视觉处理器根据零件号调出板料尺寸，识别并计算工件相对于支撑木板的x、y位置以及偏移角度，并利用侧面相机测量z方向的高度，将测量结果通知机器人；

步骤3：机器人根据工件平面位置和当前的高度z进行准确的抓取，并放置于生产线上；

步骤4：机器人返回待机位置，并通知视觉子系统进行下一工件位置测量操作；

步骤5：重复步骤(1)至步骤(4)，直至小车上工件被抓取完毕。

图5 工作站视觉系统组成

4.3 图像处理工作原理

相机A拍摄到的图像A为托板上全体零部件的侧面，侧面拍照处理及高度计算原理如图6所示，侧面相机距料跺侧面的距离L为定值，这样就可以根据图像在z方向的比例关系计算出H值，结合零部件的类型和尺寸，即可计算出yz平面上的零部件的摆放个数和分布情况。

图6 侧面拍照处理及高度计算原理

相机B由零件顶部向下拍摄，为xy平面上的投影，平面拍照计算原理如图7所示。根据图像的边界处理可以得到平面料片的个数及图片位置；结合图像A的处理结果，即已经获取z的信息，结合x,y的图像坐标，即可以得出P1,P2,P3,P4的空间坐标P1(x,y,z),P2(x,y,z),P3(x,y,z),P4(x,y,z)。取平均值即可以进一步计算出待抓取零件的几何中心坐标。再根据P1(x,y),P4(x,y)可以计算出零件的旋转角度θ，从而将该料片的中心位置及旋转角度发送给机器人进行抓取。

图7 平面拍照计算原理

4.4 通讯接口

COMAU机器人C5G控制柜带有Profibus卡，卡上带有标准的通讯接口。机器人控制柜与主PLC之间采用RPOFIBUS总线通讯。

5 机器人上料工作站控制系统设计

5.1 电气控制系统

机器人上料工作站电气控制系统如图8所示。X10/60是一个多极连接器，可收集所有机器人位置控制信号(带EnDat 2.2接口的编码器)，用于多达6个轴的配置。X10/60安装在连接器接口面板上，并连接到X1，通过C5G和机器人之间的连接电缆连接机器人基座。X30是一个多极连接器，用于收集与C5G控制单元之间的所有安全信号。X20接口上的数字和模拟输入/输出模块，可选数字或模拟输入/输出。C5G-PFM-PDPM(ProFibus模块-ProFibus DP主控)选项可用控制单元内的ProFibus DP主接口模块。该模块将安装在C5G-PFG-BCO总线耦合器模块中。相应的连接器是C5G-PFP。C5G-ETHK选项提供以太网，网络连接器在操作面板设备上，远程连接AMS-APC820的ETH2端口模块，允许连接个人电脑进行维护编程和诊断。

图8 机器人上料工作站电气控制系统

5.2 控制软件设计

机器人上料动作流程如图9所示。机器人开机启动后处于等待上料的位置，该位置被定义为“工作原点”。机器人首先完成机器人自检，并通过通讯接口，确认生产线工作状态以及产品型号、代号、批次以及数量等信息。当物料转运到上料工位后，由视觉系统处理，获取待抓取工件位置数据，引导机器人抓取工件上线，再回到工作原点，依次循环。

图9 机器人上料动作流程

6 现场调试及应用

RRU系列产品自动化包装生产线为某大型通讯企业定制开发，作为其RRU模块生产、检测、物流自动化改造系统中的关键环节。机器人应用现场如图10所示，机器人及搬运夹具如图10(a)所示,工作站上位机操作界面如图10(b)所示。现场操作人员可以远程监视机器人工作站运行状态、工件数量及规格型号，并远程进行机器人的启停、暂停以及急停等故障处理。

运行结果表明：与传统人工流水线包装相比，上料机器人工作站能够兼容7种规格工件的自动上料，定位精度<0.5 mm，上料节拍>18 件/分钟，单班产量提高到1 300 件。同时，机器人上料工位用工数为1人，生产线整线用工数减少至6 人。机器人的应用极大降低了用工数量与工作强度，设备运行稳定、可靠。

图10 机器人应用现场

7 结论

本文生产线为某大型通讯企业中RRU生产、检测、物流自动化改造系统中的关键环节，系统的设计在满足场地、工艺流程及功能要求的同时，考虑了通讯产品的特点、品牌定位，在安全性、系统功能、可靠性、可操作性、生产保障等环节提出了有效实施方案。同时，本文所提出的方法对工件在垂直方向的摆放精度有一定的要求，目前通过定制托盘的方式得到处理。后期围绕工件摆放角度过大，甚至发生工件之间干涉情况下，工件的视觉定位问题可进一步的开展研究。