FlexiJet 柔性上料綜合創(chuàng)新實驗平臺研制

趙久強，馮毅萍，王凱軍，李一鳴，易 暢，解同辰

（浙江大學 控制科學與工程學院，浙江 杭州 310027）

柔性上料裝置在智能制造領域、自動化生產(chǎn)線上具有廣泛的應用，采用抖動或旋轉的方式上料，運用振動的方式調(diào)整位姿，配合外部的機器視覺系統(tǒng)和機器人，進行物料識別、定位和姿態(tài)調(diào)整，最終完成物料抓取環(huán)節(jié)[1-3]。振動型上料機的工作方式是將物料引至平臺上，然后采用馬達或者電磁鐵驅動平臺振動，通過精心設計不同的振動模式使平臺上的物料移動和姿態(tài)調(diào)整，具有結構簡單、速度快等優(yōu)勢[2]。但振動型上料機的振動效應對生產(chǎn)線的精密裝配、視覺成像都會造成影響，還會產(chǎn)生很大的噪聲；振動型上料機吞吐量較大，翻轉一次會造成多個物料的姿態(tài)變化，而機器人可能只需抓取一種特定的物料，這就存在效率不高的問題。另外，在高校實踐教學環(huán)節(jié)，也難以買到針對智能工廠典型環(huán)節(jié)而研制的可獨立、可聯(lián)動、可綜合開展實驗的高性價比桌面型上料教學平臺。

基于上述實際問題，并結合信息化和工業(yè)化的深度融合過程中出現(xiàn)的新技術、新理念和新模式以及新工科實驗教學改革的實際需要[4-11]，研制了集FlexiJet柔性上料機、PLC 控制系統(tǒng)（上下位機）、機器視覺、機器人、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術和運動控制等為一體的FlexiJet 柔性上料綜合創(chuàng)新實驗平臺，能夠實現(xiàn)遠程選料、柔性上料、視覺輔助、噴氣調(diào)節(jié)位姿、機器人取放等功能，使用靈活且較大程度地涵蓋智能制造領域的相關技術，能夠形成以實際工程應用為導向、“來源于工廠”并“服務于工廠”的綜合創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式[12-14]。

1 平臺架構及硬件設計

圖1 為平臺的架構及硬件設計圖。平臺采用菲尼克斯PLCnext Control AXC F 2152 作為總控制器，處理主邏輯流程。該款PLC 自帶兩個以太網(wǎng)接口，并配有I/O 模塊、RS232 通信模塊和工業(yè)交換機，保證了與機器人（Ethernet 連接）、工控機（Ethernet 連接）、FlexiJet 柔性上料機（RS232 通信）和部分I/O 控制的可靠通信；工業(yè)相機與工控機采用USB 方式連接，其中工控機平臺上安裝了支持系統(tǒng)運行的軟件，例如視覺處理軟件OpenCV、視覺框架的C#開發(fā)平臺、PLC上下位機開發(fā)軟件和機器人程序開發(fā)調(diào)試軟件等[15-16]。機器人采用越疆公司的 Dobot M1，其額定負載為1.5 kg，重復定位精度為0.02 mm，運動臂長均滿足要求，結合定制的氣動抓手，利用其通訊接口進行二次開發(fā)，使其受控于PLC 控制系統(tǒng)并完成指定位置物料的抓取。

圖1 平臺架構及硬件設計圖

2 FlexiJet 柔性上料機

如圖2 所示，F(xiàn)lexiJet 柔性上料機（噴氣式柔性上料機）包括基座及安裝在基座上的傳動系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、噴氣系統(tǒng)，能夠接入并受控于外部控制系統(tǒng)（例如PLC）。傳動系統(tǒng)包括步進電機、雙側滾輪和均勻開設有噴氣通孔的柔性傳送帶（正面 520 mm×300 mm），用于承載和傳送物料；視覺系統(tǒng)位于柔性傳送帶上方，識別柔性傳送帶上的各零件的類型、位置和姿態(tài)；噴氣系統(tǒng)由主控制器（Arduino）、XY 導軌（含步進電機及傳動皮帶）和噴氣氣嘴等組成，噴氣氣嘴固定在XY 導軌一軸末端，位于柔性傳送帶內(nèi)側并可移動位置，用于向選定噴氣通孔噴氣調(diào)整物料姿態(tài)，為保證安全，每條導軌兩側均配有限位開關；外部控制系統(tǒng)可根據(jù)物料的姿態(tài)選定需要翻轉的物料，控制噴氣系統(tǒng)將噴氣嘴移動到選定物料下方的選定噴氣通孔進行噴氣，使選定物料翻轉。

確定當前需要翻轉的物料的策略是：第一，優(yōu)先翻轉裝配訂單中即將要用到的物料；第二，優(yōu)先翻轉周圍障礙物少的物料。確定噴氣最佳位置的策略是：選擇需要翻轉物料的無障礙物一側邊緣為支軸，在物料水平投影所覆蓋的所有傳送帶噴氣通孔中，選取動力臂（噴氣通孔與翻轉支軸的距離）與阻力臂（物料重心與翻轉支軸的距離）比值最大的噴氣通孔。該上料機能夠靈活部署，采用噴氣方式矯正目標物料姿態(tài)，與振動型上料機相比，噪聲更小并消除了振動，對高精度裝配生產(chǎn)線造成的干擾更小。

圖2 FlexiJet 柔性上料機結構圖

因上料機的參數(shù)設置與物料直接相關，本次物料選取場景設定為：規(guī)定下游工位需要特定顏色（根據(jù)訂單3 選1）且必須正面向上的長方體物料，由機器人抓取到指定工位。為了方便實驗，選取紅、藍、綠3 種顏色的樂高長方體積木（63 mm×32 mm×23 mm）為測試物料，見表1。

表1 測試物料選取列表

3 系統(tǒng)軟件架構及通信

整個系統(tǒng)采用PLC 處理主邏輯流程，其上位機和下位機采用菲尼克斯的PLCnext Engineer 編寫。為了能夠實現(xiàn)單步運行和功能測試，在上位機中增加了手動模式，見圖3；自動模式啟動后，控制系統(tǒng)會按照如圖4 所示的流程圖運行，用戶能夠通過上位機界面（Web 端）選擇需要的物料顏色并下單到MySQL 數(shù)據(jù)庫，并能夠通過上位機界面監(jiān)控到訂單的特定信息。

圖3 上位機主界面

圖4 控制系統(tǒng)自動模式流程圖

3.1 PLC 與噴氣系統(tǒng)通信

PLC 控制系統(tǒng)與噴氣系統(tǒng)的主控制器建立RS232串口通信，通過收發(fā)字符串指令控制X、Y 機構的運動，在X、Y 機構移動范圍內(nèi)，可以發(fā)送坐標使噴頭移動到特定的通孔下面，最小步長為1 mm。

為了使傳送帶通孔的相對位置不變，傳動系統(tǒng)以通孔間距（轉動方向18 mm）的整數(shù)倍移動。噴氣噴頭與通孔中心點進行點對點標定，確保噴頭每次均能夠移動到選定通孔正下方進行噴氣，噴氣通孔的選取按照節(jié)2 中翻轉物料的策略進行。

3.2 圖像識別定位

在圖像識別之前，首先調(diào)整工業(yè)相機的高度，使得視野范圍大小合適且圖像的畸變較??；其次調(diào)整環(huán)境光線（可配合外部光源）和相機光圈，使得采集圖像清晰；最后完成相機坐標系與機器人坐標系、氣動夾爪旋轉角度與物料旋轉角度、像素坐標與傳送帶通孔中心坐標（映射噴氣噴頭坐標）的標定。

圖像識別軟件采用visual studio 2015+OpenCV 開發(fā)，部署運行在工控機上，測試界面見圖5，其與PLC控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接，采用C#編寫TCP/IP 協(xié)議的Socket 通信及視覺算法，通過16 進制數(shù)組收發(fā)控制指令和坐標信息，坐標信息包含物料中心點坐標和抓取旋轉角度。圖形處理主要包含預處理、基于感知哈希算法和Hough 圓變換的決策樹算法對零件正反進行特征識別、使用極限腐蝕法進行相鄰物料的判斷、使用Blob 檢測和圖像矩算法對零件進行檢測（顏色，坐標）等。

圖5 視覺軟件測試界面

3.3 PLC 與機器人通信

機器人配合定制的氣動抓手，主要完成物料的抓取和放置的任務。PLC 與機器人采用以太網(wǎng)連接，采用Python 編寫TCP/IP 協(xié)議的Socket 通信及腳本程序，并脫機運行在機器人控制器中，能夠通過16 進制數(shù)組接收PLC 發(fā)送的指令和坐標，并按照既定的路徑由Home 位置移動到指定位置，機器人末端安裝有定制的氣動抓手，PLC 通過控制電磁閥的通斷控制其夾取和放置；完成操作后機器人重新回到Home 位置并反饋完成信號。

4 實驗測試及課程應用

本實驗平臺實物如圖6 所示，經(jīng)過噴氣壓力測試、光感環(huán)境預設、手眼標定和安全抓取區(qū)域限位后，開啟控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行，通過上位機界面隨機生成100個訂單進行測試。實驗測試過程示例如圖7 所示，測試結果如下：

（1）系統(tǒng)能夠正常送料，并實現(xiàn)物料正反面識別，準確率約為98%。

（2）若所需物料正好存在且正面向上，機器人能夠順利抓取放置，成功率約為95%。

（3）若所需物料存在但反面向上，F(xiàn)lexiJet 柔性上料機噴氣調(diào)整后抓取，成功率約為85%。

結合該實驗平臺，可靈活開設單項、多項和綜合創(chuàng)新實驗，形成可獨立、可聯(lián)動、可綜合、由底層基礎到頂層創(chuàng)新、功能改進的金字塔式教學體系。實驗課程應用示例見表2。

圖6 實驗平臺實物

圖7 實驗測試過程示例

表2 實驗課程應用示例表

5 結語

以實際工程應用為導向，研制了集FlexiJet 柔性上料機、PLC 控制系統(tǒng)、機器視覺、機器人、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術和運動控制等為一體的綜合創(chuàng)新實驗平臺，能夠實現(xiàn)遠程選料、柔性上料、視覺輔助、噴氣調(diào)節(jié)位姿、機器人取放等功能。平臺設計為桌面型裝置，且各個模塊獨立設計，通信接口獨立開發(fā)，符合接口標準的新對象可以輕松擴展，學生在該平臺上可以進行單項、多項、綜合創(chuàng)新實驗，教學效果顯著。