智能装配生产线系统设计

王斌 孙志豪 陈宇豪

关键词：工业机器人；视觉；PLC；装配

1引言

随着自动化技术、人工智能技术的不断发展，以工业机器人为装备的智能装配系统在制造业中起到了越来越重要的作用[1-2]。传统的基于人工装配的方法工作效率低下，产品质量难以保证，已无法满足快速多变的市场需求。工业机器人智能装配生产线大大缩短了产品加工周期、提升了装配效率，减少了企业人工成本；同时，可以与MES和ERP等系统通信交互，实现产品生产出库的全过程自动化，具有广阔的应用前景[3]。市场产品种类多样化，颜色、形态各异的工件要求装配生产线具有更高的柔性化程度，智能传感器及其技术，尤其是视觉技术的发展，极大地提升了产品装配的自动化和柔性化。

智能装配生成线的一般工作过程在于，当光电传感器检测到工件到达视觉检测位时，启动相机拍摄，计算处理获取目标的类别及位姿信息，引导机器人按一定的策略装配工件。目前，针对不同的应用场景，结合智能传感器技术，学者已经对机器人智能装配系统进行了大量的研究[4-7]。文献[5]采用深度学习方法提取目标的特征，避免了人工设计目标特征易受环境干扰因素的影响，选取工件表面的关键点作为数据集，实现工件图像关键点预测，进而实现工件位姿的准确估计。文献[6]对机器人智能装配系统中关键技术进行了研究，重点阐述了图像畸变处理、坐标转换、主控中心点计算法、装配策略和调试技巧等关键方法，有效提升了装配精度和速度。文献[7]提供了结合快换工件和视觉装配工作站仿真方案，结合RobotStudio和SolidWorks建立3D仿真模型，通过添加Smart组件建立逻辑连接，再经路径规划等步骤完成离线程序编制，该方案优化了装配生产线的性能、节约了成本。在上述智能装配系统中，处理的工件大多默认是合格产品，即获取的是工件的类别以及位置角度信息，缺少对工件是否合格的判断。当产线上出现缺陷工件时，由于无检测环节，造成成品质量不合格，进而有损品牌的形象。

针对以上问题，本项目主要设计了兼有检测功能的智能装配系统。首先进行装配系统的硬件选型安装设计，完成ABB机器人、西门子PLC以及康耐视智能相机的通信连接。通过AGV小车将工件运输至传送带再流转至视觉处理工位：获取图像后计算工件类别信息，同时判断是否为良品。最后机器人按照策略执行踢废或装配任务，实验验证了本系统的有效性。

2本文系统

2.1硬件系统

本文设计的智能装配系统主要由ABB工业机器人、SIMATIC S7 1200 PLC，Cognex Insight、光电传感器、传送带、AGV小车等设备组成，如图1所示。

系统中的PLC作为主控设备，如图2所示，与机器人之间采用socket通信，通过PROFINET与相机传递信息，利用IO口方式采集光电传感器信号并通过变频器驱动传送带。系统的工作流程为：AGV小车将装有工件的托盘放置至传送带时，其端侧的光电传感器检测到信息；PLC采集到光电信号后启动传送带，当托盘被运送至视觉检测区域后，触发此区域的光电传感器，皮带停止运动，相机拍照并软件分析；机器人根据检测的结果，若为瑕疵品，则将其放置废料区，若检测合格，进一步判断是否适合放置至装配区，否则暂存于工件暂存区。

2.2工件位姿检测

本系统中待装配的工件有4个，见图3（a），分别是关节底座、电机、谐波减速器和法兰，其中减速器和法兰易出现缺陷，如图3（b）所示。

2.2.1像素当量

选用康耐视In-sight软件检测工件类别和位置信息。由于相机获取的是目标的像素信息，若要进一步获取其实际物理尺寸，则需要像素的当量信息[8]。像素当量表示每个像素代表的实际物理尺寸，计算公式为：实际物理长度／像素个数。

2.2.2模板匹配

选择工件的轮廓形状作为特征设置工件模板，注册四个工件的基准图像。将基准图像通过旋转、平移以及缩放等操作遍历整个图像进行匹配。采用相似度方法将当前处理工件判为基准中轮廓差异最小所对应的类别。此时，若为减速器或者法兰类别，则进一步判别高工件中所包含的孔洞的个数。采用斑点分析的方法检测孔的数量，当检测出的孔洞个数少于基准图像时，则将此工件判断为NG产品，否则判断为OK产品。

将托盘中心位置标识为机器人抓取基准中心点。机器人抓取工件的位置信息需要计算工件匹配中心点与基准中心点的偏差。根据模板匹配获取工件的中心位置信息，得到与基准中心的像素偏差，乘以像素当量，再根据相机安装信息获取机器人与图像横纵坐标对应关系，最终得到机器人应该偏移的位置信息。

2.3装配

PLC编程统计当前装配区的工件类别，判断当前抓取的工件是否可以直接进行装配。若可以，则发送指令至机器人将当前处理的工件抓放至装配区。若当前处理的工件不能满足装配需求，则根据指令将工件按类别放置于工件暂存区。

2.4实验

为了验证本系统的性能，进行重复随机工件抓取及装配实验。实验时，将不同类型的工件随机放置于托盘，每类工件均放置50个，本系统均可以正确识别并抓取，单个工件处理时间为20s。

将次品工件放置于托盘，验证本系统对于缺陷工件的处理功能，实验结果见表1。

3结束语

本文设计了智能装配生产线系统，根据任务需求完成机器人、PLC、相机以及传感器等选型安装后，以PLC為主控单元建立各个设备之间的通信连接。装载工件的托盘被AGV输送至传送带，且光电传感器检测到物料后，PLC控制变频器使得物料开始流转：工件运动至视觉拍照位后，传感器感应到信息，进而触发相机拍照；根据注册的工件基准位置，计算偏移量及旋转角度信息，引导机器人完成抓取；根据质量检测结果，将工件进行踢废或者装配操作。实验验证了本系统可以有效完成待加工工件的质量检测和装配操作。