雙目視覺機器人擰緊系統的應用

劉呈銀 南 輝

（陜西漢德車橋有限公司，陜西西安710200）

0 引言

在汽車車橋減速器裝配過程中，因過橋箱蓋需擰緊的螺栓數量多，過橋箱蓋形狀不規則，螺栓分布不均，同時現場AGV在運行到定位點時，?？课恢么嬖谳^大誤差，AGV工裝水平方向也存在誤差，因此使用擰緊機作業過程中需不斷調整擰緊位置和兩條擰緊軸的中心距。但是擰緊所有螺栓需要3～4 min，工人勞動強度大、生產效率低，無法滿足現場作業要求?；谥悄苤圃旒皵底只S建設需求，公司現引進雙目視覺機器人擰緊系統，通過雙目視覺系統將產品類型、樣色、螺栓數量等特征信息轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統。圖像處理系統根據像素分布、亮度、顏色等信息將其轉化成數字信號，視覺系統對這些信號進行各種運算，抽取目標特征和實際產品模板進行比較，根據判別的結果來控制機器人動作。機器人根據接收到的信息調整運行軌跡，實現對過橋箱蓋螺栓的自動擰緊。

1 技術分析

根據汽車車橋減速器裝配現場實際情況梳理出以下待解決的問題：

（1）人工作業工作量大、規范性差、效率低。

（2）人工作業隨意性大，存在漏擰可能，裝配質量難以保證。

（3）作業現場噪聲大，不適宜人工現場工作。

（4）過橋箱蓋種類多。

（5）過橋箱蓋異形，形狀差異大。

2 雙目視覺機器人擰緊系統的工作流程

（1）現場配置KUKA六軸機器人及視覺定位系統，柔性裝配線上AGV輸送小車運行到機器人和視覺系統工作范圍內自動定位。

（2）雙目視覺機器人擰緊系統進行手眼標定，得到照像機的圖像坐標與機器人基座之間的轉換關系。

（3）通過視覺匹配算法，從圖像中定位出過橋箱蓋上螺栓的位置和產品類別。

（4）基于手眼標定的結果，計算出過橋箱蓋上螺栓相對于機器人基座的位置，并以固有的通信方式告知機器人被測物體的位置信息。

（5）控制機器人對過橋箱蓋螺栓進行擰緊。

3 雙目視覺機器人螺栓擰緊系統的組成

3.1 硬件系統組成

（1）松下工業級專用攝像機、輔助光源。

（2）視頻信號數字化設備（圖像處理計算機），其任務是把攝像機或CCD輸出的信號轉換成方便計算和分析的數字信號。

（3）庫卡機器人本體及控制系統。

（4）西門子S7300PLC，通過PROFIBUS總線和擰緊控制器連接，控制擰緊軸進行擰緊作業，采集擰緊結果數據用于顯示和上傳MES系統。

（5）西門子觸摸屏，用于顯示擰緊結果及系統狀態信息。

3.2 軟件系統組成

（1）計算機系統軟件選用Win7，視覺系統軟件選用深路MMIU2.0版。

（2）機器人控制軟件選用RC2。

3.3 信息交換

機器人與視覺系統、AGV控制系統之間通過INTERNET網絡實現信息交換，機器人與擰緊控制PLC、PLC，以及與擰緊軸控制器之間使用工業總線PROFIBUS實現數據交換。

4 雙目視覺機器人擰緊系統的安裝調試

（1）將雙目攝像頭按要求安裝到支架上，固定后調整焦距使其取像清晰，并保證達到適當的取像范圍，需要提取的工件特征信息基本位于圖像的中心位置。

（2）調試前準備工作：準備棋盤校正板，要求平整無褶皺，將機器人擰緊軸套筒取下，在TCP軸（擰緊機非移動軸）中心安裝垂直標定工裝，要求高度超出原套筒高度3 cm左右。

（3）標定：分為機器人標定和視覺軟件標定兩大塊，其主要作用是調整機器人絕對值坐標與軟件像素坐標重合。將棋盤板置于AGV小車的平面上，高度要求與螺栓平面接近平行。需要注意兩點，一是校正板固定后不可移動，否則可能導致校正失?。欢莾蓚€相機都必須拍到棋盤板上的“T型”參照物。1）機器人標定采用“4點”標定法，即在定位鏡頭取像范圍內任意取4個點，并做標記。移動機器人手臂，按順序分別使TCP軸的定位工裝頂點與標記點重合，并記錄機器人當前X、Y坐標值。2）相機標定：打開視覺軟件的“定位”模塊，標定1號相機。在標定窗口中，將軟件中的4個點（P0～P3）用鼠標定位到與機器人記錄的4個點重合，且保證順序相對應；更新圖像坐標，數值隨之自動更新；最后將記錄的機器人X、Y坐標值按順序輸入到對應的視覺軟件實時坐標中保存，標定工作完成。重復這個步驟標定2號相機。在標定板取像范圍內取任意一個點做好標記，并手動進行拍照，再將機器人標定工裝頂點移動到該點，即TCP軸與該點重合。查看示教器中的坐標值是否與視覺軟件中的坐標值相同，以驗證標定結果，并根據現場使用要求確定誤差范圍，如果誤差較大，需要重新標定。

5 相機模版制作

攝像頭的作用是獲取圖像，那么模版的作用就是給系統做比較、分析并最終確定產品信息。每一種產品需制作一個模版，用于在作業過程中和視覺系統采集的圖像進行對比，根據對比結果輸出對應的產品信息。機器人接收視覺系統輸出的信息后開始進行相應的擰緊作業。模板制作步驟如下：在視覺系統采集的圖像中選擇合格品取像制作模版（制作過程中，產品不得移動，直到機器人螺栓擰緊程序編輯完成）。在視覺系統軟件MMIU中，打開模版編輯窗口，添加模版名字，編輯模版特征（分為必要特征和輔助特征）。

（1）調整圖片特征框大小，選定特征范圍。

（2）更改相應參數，生成添加特征選項。

（3）拾取圖片特征信息，并完成添加。

（4）定位坐標原點，即視覺系統在工件上建立的坐標系原點。

（5）選擇保存模版路徑并保存。

按相同方法完成2號相機模板制作。

6 雙相機數據整合

打開視覺軟件，定位雙相機整合，先把偏置數據清零并手動拍照，得出視覺軟件坐標測試數據，再把得出的X、Y及角度數據分別減30 000，最后將得到的數值填到對應偏置數據位置，完成數據整合。

7 機器人基坐標標定及編程

7.1 機器人基坐標標定

打開機器人示教器基坐標標定界面，選擇對應的工具編號，對機器人基坐標進行標定。將機器人TCP軸手動移動到工件上確定的坐標原點（實例中為銷釘的圓心點），點擊示教器測量按鍵，根據提示將機器人向+X方向、原點、+Y方向移動，點擊測量并保存數據，基坐標標定完成。

7.2 機器人編程

首先選定對應產品的機器人子程序，手動觸發攝像機進行拍照。其次，運行機器人程序，完成程序初始化。之后將光標移到PYX=OKX位置，進行句選擇，手動運行機器人。最后將機器人手臂移動到需要擰緊的螺栓上方，進行機器人定位擰緊程序編輯。

8 現場應用

（1）從AGV進入視覺范圍內定位停穩到機器人擰緊完成，節拍為110 s，無需人工操作，解決了傳統擰緊作業效率低、人工作業工作量大的問題。

（2）視覺識別控制機器人作業，可100%擰緊軸，不存在漏擰現象，保證了裝配質量。

（3）機器人控制擰緊軸作業，作業現場噪聲降低50%。

（4）視覺系統自動識別產品，不受產品種類和形狀變化限制。

9 結語

隨著工業技術的不斷發展，機器人視覺系統逐漸發展成熟。微型計算機飛速發展，機器人視覺系統開始進入各個領域，其中汽車制造是機器人視覺系統應用的一個重要領域，已經成為智能工廠的核心組成單元。從上海特斯拉智能工廠、不同汽車品牌加速裝配智能工廠，到雷軍公布的小米“黑燈工廠”（效率比傳統工廠提升60%以上），視覺機器人系統的應用已經成為各大企業提高生產效率、減少成本的重要手段。