基于HALCON和C#視覺(jué)系統(tǒng)的鑄件打磨工作站建立

張磊， 萬(wàn)國(guó)揚(yáng)

(1.安徽巢湖鑄造廠(chǎng)有限責(zé)任公司，安徽巢湖 238000；2.埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引 言

大體積產(chǎn)品的鑄件行業(yè)通常存在澆鑄、搬運(yùn)、修邊打磨等工藝。在國(guó)內(nèi)以上工序通常由人工完成[1]，而人工完成普遍存在因工件體積較大而導(dǎo)致的人工操作困難，搬運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)高、產(chǎn)品一致性難保證的等問(wèn)題[2]。而使用工業(yè)機(jī)器人的集成系統(tǒng)[3]則可以很好地解決以上問(wèn)題。近年來(lái)，視覺(jué)引導(dǎo)與定位技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)集成中發(fā)揮出越來(lái)越大的作用[4]。集成了具有視覺(jué)系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，可大幅減輕生產(chǎn)過(guò)程中操作人員的工作壓力，進(jìn)一步提升生產(chǎn)系統(tǒng)安全性[5]。基于視覺(jué)系統(tǒng)的鑄件抓取與打磨工作站，標(biāo)志打磨集成技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的推廣和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成

視覺(jué)打磨工作站各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)高效配合工作[6]，信息的輸入、處理、輸出、執(zhí)行和反饋都準(zhǔn)確無(wú)誤實(shí)現(xiàn)，從而快速高效地完成打磨工作。如圖1所示，為視覺(jué)打磨工作站系統(tǒng)組成部分。

圖1 EVOLUT視覺(jué)打磨工作站系統(tǒng)

1.1 主控中心

主控中心的主要功能是完成系統(tǒng)的邏輯控制，并為遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心提供數(shù)據(jù)[7]。它以含網(wǎng)絡(luò)與總線(xiàn)模塊的中型PLC為核心，以HMI作為顯示界面。PLC系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心提供數(shù)據(jù)，通過(guò)總線(xiàn)功能完成與工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)交換，并下達(dá)控制指令[8]。在實(shí)際應(yīng)用情況下，主控中心可根據(jù)需要，進(jìn)一步擴(kuò)充功能，為復(fù)雜工況下的工業(yè)機(jī)器人工作提供現(xiàn)場(chǎng)管理與支持。

1.2 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人[9]由機(jī)械本體、控制柜、示教器三部分組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用的是EFORT公司生產(chǎn)的210 kg六自由度工業(yè)機(jī)器人，此機(jī)器人有工作范圍廣、運(yùn)行穩(wěn)定、負(fù)載大等優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人控制器集成了MODBUS TCP/IP、DEVICENET等工業(yè)總線(xiàn)協(xié)議，方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與主控中心及視覺(jué)系統(tǒng)的通信。此工作站使用了兩臺(tái)210 kg的工業(yè)機(jī)器人分別完成大負(fù)載工件抓取工作與鑄件打磨工作。

1.3 視覺(jué)系統(tǒng)

視覺(jué)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)由工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭、光源、工業(yè)PC機(jī)等設(shè)備組成。系統(tǒng)配合人工編寫(xiě)視覺(jué)處理程序，并用工業(yè)機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，可直接生成基于工業(yè)機(jī)器人工具坐標(biāo)系的坐標(biāo)值[10]。生成的坐標(biāo)值可通過(guò)工控機(jī)的網(wǎng)口經(jīng)由TCP/IP協(xié)議發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人。軟件則采用HALCON與C#聯(lián)合編程的方式進(jìn)行[11]。HALCON是一款世界著名的機(jī)器視覺(jué)處理軟件，它是目前業(yè)內(nèi)公認(rèn)的功能最完善、效率最高的視覺(jué)軟件之一。HALCON提供了專(zhuān)用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境HDevelop，通過(guò)HDevelop，可以方便地將HALCON算子轉(zhuǎn)化為C、C++、C#等主流程序語(yǔ)言。

2 控制系統(tǒng)

系統(tǒng)的邏輯與動(dòng)作主要依靠主控中心的PLC與機(jī)器人配合編程完成，PLC完成系統(tǒng)的邏輯與外圍設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制，并通過(guò)MODBUS-TCP/IP總線(xiàn)與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行信號(hào)交互[12]。機(jī)器人的抓取與打磨動(dòng)作，通過(guò)執(zhí)行人工主控中心的PLC經(jīng)由MODBUS-TCP/IP總線(xiàn)發(fā)送的命令實(shí)現(xiàn)，具體如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

在有多個(gè)交互信號(hào)的機(jī)器人工作控制系統(tǒng)中，采用總線(xiàn)的通信形式，有降低控制成本、提高通訊效率、加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)。工作站使用的PLC與機(jī)器人的總線(xiàn)架構(gòu)，有利于提高系統(tǒng)的工作效率。

3 基于HALCON與C#的混合編程機(jī)器人抓取視覺(jué)系統(tǒng)

對(duì)于機(jī)器人打磨工作站，工件打磨精度通常為毫米級(jí)，而打磨精度主要由機(jī)器人的示教軌跡精度與被打磨工件的定位精度決定[13]，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)被打磨工件的定位精度，由抓取機(jī)器人的抓取精度與機(jī)取機(jī)器人的重復(fù)定位精度決定。機(jī)器人的抓取系統(tǒng)中，被抓取工件的定位工裝是不可或缺的部分，然而部分被抓取工件因設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中的諸多要求，使得工件定位工裝設(shè)計(jì)難度很大，甚至無(wú)法制作高精度定位工裝。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的出現(xiàn)為解決高精度定位問(wèn)題提供了一個(gè)很好的解決方案[14]，打磨工作站使用視覺(jué)系統(tǒng)為抓取機(jī)器人的工件抓取提供位置支持，使用視覺(jué)定位的機(jī)器人抓取系統(tǒng)，極大地減少了機(jī)器人抓取系統(tǒng)對(duì)被抓取工件定位工裝的精度要求[15]。使用視覺(jué)系統(tǒng)的基本思路是:1）通過(guò)機(jī)器人移動(dòng)工業(yè)相機(jī)到特定的位置，工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍照。確定位置進(jìn)行標(biāo)定，得出相機(jī)基于當(dāng)前機(jī)器人位置下，相對(duì)于機(jī)器人坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系。2）拍攝被抓取工件的圖片，并對(duì)圖片中工件上特定位置的特征進(jìn)行識(shí)別，得出其相對(duì)于圖像的坐標(biāo)。3）用第1）步圖像標(biāo)定出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將工件特征的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

現(xiàn)使用微軟公司提供的Visual Studio 2010軟件為編程軟件，以C#作為整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境。通過(guò)函數(shù)調(diào)用的方式將Halcon圖像處理庫(kù)應(yīng)用于本系統(tǒng)。通常的使用方法如下：1）使用Halcon軟件，通過(guò)工業(yè)相機(jī)對(duì)被測(cè)產(chǎn)品進(jìn)行拍照以獲得產(chǎn)品圖像。在圖像中尋找特征，并分析處理，生成Halcon算子處理程序。2）將Halcon算子處理程序以C#代碼形式導(dǎo)出。使用Visual Studio加載并重新組織算法。3）使用Visual Studio完善程序界面與數(shù)據(jù)處理，并以指定的格式發(fā)送給機(jī)器人。

4 鑄件的定位與識(shí)別

為了提高產(chǎn)品的識(shí)別精度與識(shí)別成功率，需用平整的工件上件臺(tái)擺放產(chǎn)品，使工件的某個(gè)面固定朝向。產(chǎn)品朝向確定后，以機(jī)器人抓取工業(yè)相機(jī)于固定位置拍照以獲得工件圖像。如圖3所示，以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋為例。

工件表面光潔，內(nèi)腔略有油污，工件輪廓鮮明，特定位置圓弧明顯，所以以此為識(shí)別基準(zhǔn)，用Halcon軟件在圖像中將特定區(qū)域設(shè)置為ROI，識(shí)別ROI中的圓弧，并求出此圓弧的中心位置，從而生成圖像坐標(biāo)。根據(jù)相機(jī)標(biāo)定的結(jié)果，將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人可識(shí)別，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人準(zhǔn)確定位工作。

5 整體運(yùn)行

系統(tǒng)構(gòu)建完成后，經(jīng)調(diào)試，當(dāng)工件位于系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)時(shí)，抓取機(jī)器人可正常運(yùn)行并精確抓取工件。此系統(tǒng)對(duì)工件的垂直方向誤差容錯(cuò)率為90°。整體運(yùn)行流程如圖4所示。

6 結(jié)論

基于EFORT公司的工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和HALCON與C#混合編程，對(duì)視覺(jué)技術(shù)集成系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建了具有高精度視覺(jué)技術(shù)定位的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和反饋，在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)鑄件打磨工作站，有效保

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋圓弧識(shí)別基準(zhǔn)

圖3 機(jī)器人抓取打磨加工流程圖和現(xiàn)場(chǎng)加工示意圖

證打磨精度并提高打磨效率。

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