基于2.5D視覺(jué)技術(shù)的智能裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

針對(duì)種類(lèi)多、公差大且作業(yè)要求精準(zhǔn)的產(chǎn)品,其作業(yè)位置的判別非常重要。因此在工業(yè)機(jī)器人上建立一套視覺(jué)系統(tǒng),使得機(jī)器人針對(duì)外部環(huán)境的變化可及時(shí)調(diào)整,有利于機(jī)器人跟蹤、識(shí)別等一系列操作,提高工業(yè)機(jī)器人的適應(yīng)性和靈活性。本文以熱水壺壺底作為研究對(duì)象,對(duì)智能涂膠機(jī)器人進(jìn)行視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用研究。本文所述智能涂膠系統(tǒng)與三維視覺(jué)系統(tǒng)、雙目視覺(jué)系統(tǒng)相比,具有性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn):其應(yīng)用不局限于涂膠行業(yè),同時(shí)基于視覺(jué)的技術(shù)還可應(yīng)用于焊接領(lǐng)域。

1智能涂膠系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)

某工廠(chǎng)內(nèi)熱水壺壺底主要有4種型號(hào),如圖1所示,其加熱環(huán)是人工手動(dòng)放置在金屬盤(pán)上,造成各工件加熱環(huán)相對(duì)于金屬盤(pán)的軸向和徑向位置之間有一定的差異:涂膠工位需要分別在待涂膠位置(圓柱體)1、2的中心點(diǎn)處正上方滴膠,稀薄的膠液流動(dòng)后可將整個(gè)圓柱體包裹。該膠液為防水膠液,膠量少時(shí)難以將整個(gè)圓柱體完全包裹:而膠量多時(shí)易流至加熱環(huán)外端的金屬盤(pán)(如圖1左上工件),形成廢品,因此上述操作對(duì)工人技術(shù)要求非常高。

圖1  4種型號(hào)熱水壺壺底

該涂膠工藝難點(diǎn)在于涂膠位置的精準(zhǔn)判斷,據(jù)工廠(chǎng)統(tǒng)計(jì),壺底涂膠工藝廢品率高達(dá)20%。為解決上述問(wèn)題,本文進(jìn)行了智能涂膠系統(tǒng)研究,設(shè)計(jì)使用視覺(jué)系統(tǒng)配合六軸機(jī)械手完成壺底的涂膠工作。

壺底加熱盤(pán)為鑄造件,待涂膠位置點(diǎn)的高度不盡相同,因此必須準(zhǔn)確獲取涂膠圓柱體的空間三維位置才能保證涂膠工藝順利完成。智能涂膠系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)如圖2所示,本文使用數(shù)字相機(jī)確認(rèn)待涂膠位置中心點(diǎn)的平面坐標(biāo)值,使用激光傳感器確認(rèn)高度坐標(biāo)值,以上數(shù)值經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后通過(guò)總線(xiàn)方式傳遞給機(jī)器人,引導(dǎo)機(jī)器人完成壺底點(diǎn)膠、涂膠工作。

2智能涂膠系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由六自由度機(jī)械手、數(shù)字相機(jī)、激光傳感器、供膠系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)組成。其中,機(jī)械手采用負(fù)載為6kg的六自由度機(jī)械手:視覺(jué)系統(tǒng)采用數(shù)字相機(jī)和激光測(cè)距儀配合,實(shí)現(xiàn)涂膠點(diǎn)的空間三維測(cè)量,由于工件為圓形,因此視覺(jué)系統(tǒng)采用環(huán)形光源:供膠系統(tǒng)采用塑料膠桶、頂針式小份量閥門(mén)和針頭,按要求可進(jìn)行點(diǎn)膠或軌跡涂膠。

2.1數(shù)字相機(jī)選型

本文工件直徑最大約為200mm,設(shè)計(jì)視野F0v取300mm:工藝誤差P'=1mm:機(jī)械手末端工具誤差相對(duì)相機(jī)誤差的倍數(shù)取5,根據(jù)P'=5×v計(jì)算可得相機(jī)分辨率P=1500。本研究選擇200萬(wàn)像素相機(jī),其圖像尺寸大小為1600×1200。

根據(jù)圖3所示,200萬(wàn)像素相機(jī)的ss(相機(jī)感光元件尺寸)為8.8mm×6.6mm:視野F0v為300mm:wD為相機(jī)距離工件的高度,根據(jù)安裝尺寸取300mm。根據(jù)=計(jì)算,選擇6mm鏡頭。

2.2激光傳感器選型

工作時(shí),激光傳感器距離工件約為300mm,本系統(tǒng)選擇有效行程為300mm的模擬量激光傳感器。

2.3硬件系統(tǒng)搭建

相機(jī)、激光傳感器、膠槍安裝在機(jī)械手末端,三者中心點(diǎn)間隔120x均勻分布在以機(jī)械手末端中心點(diǎn)為原點(diǎn)、150mm為半徑的圓上,如圖4所示。運(yùn)行過(guò)程中,任意型號(hào)壺底工件隨意放置在皮帶線(xiàn)上,當(dāng)壺底工件運(yùn)行到機(jī)器人涂膠工位時(shí),皮帶線(xiàn)停止轉(zhuǎn)動(dòng),相機(jī)拍照確定待涂膠位置點(diǎn)。為提高本系統(tǒng)的精度,該系統(tǒng)使用二次定位,第一次拍照使相機(jī)移動(dòng)到壺底工件的中心點(diǎn),防止由于拍攝角度而造成對(duì)圓柱體上涂膠位置的誤判,當(dāng)相機(jī)運(yùn)行至中心點(diǎn)的正上方時(shí),進(jìn)行第二次拍照,確認(rèn)工件的待涂膠位置。系統(tǒng)可根據(jù)工件種類(lèi)、涂膠位置和涂膠高度進(jìn)行調(diào)整。

圖4 機(jī)械手末端工具圖

硬件系統(tǒng)圖和搭建完成的壺底智能涂膠系統(tǒng)分別如圖5、圖6所示。

在實(shí)際應(yīng)用中,需注意生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的光線(xiàn)問(wèn)題,恒定光源是最理想的條件。但部分實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)往往靠近門(mén)窗或車(chē)間頂部含有天窗,這就導(dǎo)致生產(chǎn)光線(xiàn)隨著日光和天氣的變化在不停改變,影響視覺(jué)系統(tǒng)的效果,此時(shí)可以調(diào)整視覺(jué)系統(tǒng)配套的光源或者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)遮光裝置來(lái)保證光源穩(wěn)定。

3智能涂膠系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié),其標(biāo)定結(jié)果的精度直接影響最終涂膠區(qū)域中心點(diǎn)坐標(biāo)值的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)標(biāo)定法,通常是使用9點(diǎn)或12點(diǎn)標(biāo)定,為提高本系統(tǒng)的標(biāo)定精度,選用16點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定,如圖7所示,圖中圓圈代表基準(zhǔn)位置,六角星代表測(cè)量位置,箭頭指示機(jī)器人移動(dòng)方向。

通過(guò)16點(diǎn)標(biāo)定,可以將機(jī)器人的坐標(biāo)系與相機(jī)的坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)起來(lái),視覺(jué)的像素距離可以轉(zhuǎn)化成機(jī)器人在xY空間上的實(shí)際移動(dòng)距離。

3.2激光傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所應(yīng)用的激光傳感器的有效感應(yīng)距離為(300±150)mm,接線(xiàn)如圖8所示。

圖8 激光傳感器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

傳感器正常工作時(shí),輸出量為電流模擬量,輸出范圍為4~20mA,距離傳感器最近距離點(diǎn)的輸出為20mA,最遠(yuǎn)距離點(diǎn)的輸出為4mA。根據(jù)輸出值可計(jì)算傳感器到工件待涂膠圓柱體的距離為:

式中:I為傳感器輸出電流值:D為傳感器與測(cè)量點(diǎn)的距離值。

設(shè)D'為圓柱體與機(jī)器人傳感器的理論距離,當(dāng)D∈[D'-2,D'＋2]時(shí),傳感器判斷合格,并將上述數(shù)值以總線(xiàn)方式傳遞給機(jī)器人。傳感器與膠槍相對(duì)位置固定,與工件距離比膠槍多80mm,因此機(jī)器人旋轉(zhuǎn)120o并豎直下降d(d=D-80)后即為待涂膠區(qū)域點(diǎn)膠處。

3.3控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

CC-Link是一種高可靠性、高性能的網(wǎng)絡(luò),本文研究了CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通信原理、基本通信結(jié)構(gòu)及Fx系列PLC的系統(tǒng)構(gòu)成,分析了CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)搭建模式,重點(diǎn)研究了基于CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的調(diào)試。

本系統(tǒng)以傳送線(xiàn)的PLC作為主站,工業(yè)機(jī)器人作為從站設(shè)備構(gòu)成CC-Link網(wǎng)絡(luò),如圖9所示,智能相機(jī)及激光測(cè)量傳感器分別通過(guò)RS232和AD轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳送到PLC,PLC再通過(guò)CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將數(shù)據(jù)傳送到機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與多種外設(shè)之間的通信,減少了通信的方式和復(fù)雜程度,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集中控制和管理。

4試驗(yàn)驗(yàn)證

將不同型號(hào)的工件隨意放置于皮帶線(xiàn)上,經(jīng)過(guò)兩次定位,其待涂膠位置處的形狀搜索和點(diǎn)膠示意圖分別如圖10、圖11所示。通過(guò)在圓柱體上標(biāo)記,在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,測(cè)量比對(duì)實(shí)際運(yùn)行位置與圓柱體上標(biāo)記點(diǎn)的位置,在Xy坐標(biāo)平面上精度為0.3mm,Z方向精度為0.2mm,符合工藝要求。

圖10 待涂膠位置處的形狀搜索顯示

圖11 該系統(tǒng)點(diǎn)膠示意圖

5結(jié)語(yǔ)

本文采用數(shù)字相機(jī)+激光傳感器的方式對(duì)智能涂膠系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),分別完成硬件系統(tǒng)的選型及搭建、軟件系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,該試驗(yàn)系統(tǒng)不僅可完成多種型號(hào)壺底的點(diǎn)膠,還適用于其他多品種工件的點(diǎn)膠、涂膠工作。