基于DELTA機(jī)械手的物料分揀系統(tǒng)設(shè)計

馮志芬

(無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153)

0 引言

隨著自動化生產(chǎn)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，工業(yè)機(jī)器人和視覺識別也被逐漸應(yīng)用到了工業(yè)領(lǐng)域的各個方面，自動分揀就是其中一個非常典型的應(yīng)用。利用機(jī)器人和機(jī)器視覺來替代人的雙手和雙眼完成物料分揀，不僅能減少人工成本[1]，還能提高分揀速度及準(zhǔn)確性，因此智能化的自動分揀[2]已成為自動化生產(chǎn)中一個非常重要的環(huán)節(jié)。

1 系統(tǒng)硬件組成

基于DELTA機(jī)械手的物料分揀硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)硬件主要由智能相機(jī)、RC2控制器、伺服驅(qū)動器、DELTA機(jī)械手、傳動帶及人機(jī)界面HMI等組成。智能相機(jī)用于檢測物料的類型及物料的定位坐標(biāo)值，并將檢測數(shù)據(jù)通過Modbus通信方式傳送給PLC控制器。傳送帶用于物料的傳送，將物料傳到智能相機(jī)監(jiān)測點(diǎn)及機(jī)械手分揀點(diǎn)；DELTA機(jī)械手用于物料的分揀，將物料從傳送帶分揀到相應(yīng)的料槽中；傳動帶及機(jī)械手的動作均有伺服電機(jī)控制。人機(jī)界面HMI用于進(jìn)行系統(tǒng)的控制及顯示，能進(jìn)行運(yùn)動監(jiān)控、報警處理及物料個數(shù)顯示等操作。PLC控制器是系統(tǒng)的核心控制器，能與智能相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，控制智能相機(jī)拍照并接收相機(jī)檢測的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相機(jī)數(shù)據(jù)的處理；能通過X-NET運(yùn)動總線控制伺服驅(qū)動器，進(jìn)而控制傳送帶及機(jī)械手的運(yùn)動；也能與HMI進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

PLC控制器采用信捷的RC2控制器，該控制器支持運(yùn)動總線通信，支持四軸機(jī)械手的控制，支持直線、圓弧插補(bǔ)功能，支持視覺系統(tǒng)和隨動功能。智能相機(jī)采用信捷SV5系列視覺相機(jī)，該相機(jī)為智能化一體相機(jī)，內(nèi)含CMOS傳感器，內(nèi)嵌數(shù)字圖像處理(DSP/A8)芯片，擁有豐富的圖形算法工具，支持Modbus485/TCP通信協(xié)議。人機(jī)界面HMI采用信捷RT800、TFT真彩、1 677萬色顯示，具有強(qiáng)大的控制功能及通信能力。伺服驅(qū)動器采用信捷DS3E系列伺服驅(qū)動器，支持總線控制模式，本系統(tǒng)采用運(yùn)動總線控制模式，采用X-NET協(xié)議，PLC發(fā)送X-NET運(yùn)動指令給伺服驅(qū)動器，從而控制伺服電機(jī)帶動機(jī)械手或傳送帶動作。分揀機(jī)械手采用信捷公司的并聯(lián)DELTA機(jī)械手，如圖2所示，主要由靜平臺(上平臺)、動平臺(下平臺)、主動桿、從動桿4個部分構(gòu)成，主動桿與伺服電機(jī)軸心直接相連，具有通信擴(kuò)展板、I/O擴(kuò)展板及伺服電機(jī)通信板，可通過示教器RT800進(jìn)行示教操作。

圖2 DELTA機(jī)械手

2 視覺檢測軟件設(shè)計

視覺檢測采用與智能相機(jī)相匹配的X-Sight Studio軟件來完成，該軟件功能強(qiáng)大，能進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像定位、圖像測量、圖像計數(shù)、瑕疵檢測、字符識別及彩色提取等操作。

視覺檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是圖像采集及圖像處理。為了使采集的圖像邊界清晰、易于深度學(xué)習(xí)，使用了預(yù)處理工具的二值化處理，使整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。采用定位處理進(jìn)行物料形狀判斷及中心點(diǎn)坐標(biāo)的確定，此處采用圖案定位工具，先提取模板和采集區(qū)域內(nèi)圖像的特征并進(jìn)行比較，進(jìn)而計算出模板與采集區(qū)域內(nèi)物料之間的關(guān)系。圖3為圖案定位后的效果。

定位完成后需要通過腳本程序獲取圖案定位的結(jié)果及物料在相機(jī)坐標(biāo)系下的位置數(shù)據(jù)，部分腳本程序如下：

if(tool2.Out.result==0)

tool5.shape=3;//物料形狀為三角形

tool5.x=tool2.Out.point.x;//相機(jī)坐標(biāo)系下物料中心點(diǎn)的x坐標(biāo)

tool5.y=tool2.Out.point.y;//相機(jī)坐標(biāo)系下物料中心點(diǎn)的y坐標(biāo)

視覺檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過Modbus通信傳送給PLC[3]，然后由PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成機(jī)械手坐標(biāo)系的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而控制Delta機(jī)械手的運(yùn)動軌跡。

3 PLC軟件設(shè)計

3.1 PLC程序流程

PLC程序主要分為相機(jī)數(shù)據(jù)的讀取及處理、傳動帶的啟停控制、機(jī)械手的運(yùn)行軌跡控制3個部分。PLC控制傳送帶運(yùn)動來運(yùn)送物料，當(dāng)視覺檢測區(qū)域的傳感器檢測到物料，則傳送帶停止運(yùn)動，智能相機(jī)啟動拍照，拍照完成后PLC讀取智能相機(jī)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理完成后傳送帶帶著物料繼續(xù)運(yùn)行到物料分揀處，PLC根據(jù)智能相機(jī)檢測結(jié)果，自動規(guī)劃DELTA機(jī)械手運(yùn)動軌跡，按照物料的不同類型將物料分揀到相應(yīng)的料槽中。

3.2 X-NET運(yùn)動協(xié)議

X-NET運(yùn)動協(xié)議致力于為多軸數(shù)、高精度及控制響應(yīng)性快的運(yùn)動控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的總線解決方案，通過使用不同的運(yùn)動控制指令，可以進(jìn)行單軸的相對位置運(yùn)動控制、絕對位置運(yùn)動控制和多段速運(yùn)動控制以及多軸的同步運(yùn)動控制。

傳動帶的運(yùn)動屬于單軸運(yùn)動，因此程序中使用相對位置運(yùn)動指令MOTO及停止運(yùn)動指令MOSTOP來控制傳送帶的啟停。DELTA機(jī)械手的運(yùn)動屬于多軸的同步運(yùn)動控制，因此程序中使用多點(diǎn)軌跡運(yùn)動指令RBPATH來完成，RBPATH指令使用時需要設(shè)置指定路徑的軟元件首地址編號(起始點(diǎn)第一軸坐標(biāo)地址)、指定軌跡點(diǎn)的個數(shù)及運(yùn)行速度3個操作數(shù)，軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)由PLC根據(jù)相機(jī)檢測坐標(biāo)轉(zhuǎn)換而來。

4 HMI界面設(shè)計

人機(jī)界面采用信捷RT800觸摸屏來完成：(1)用作DELTA機(jī)械手的示教器，包括：機(jī)械參數(shù)設(shè)置、控制參數(shù)設(shè)置、空間參數(shù)設(shè)置、回零操作、手動示教操作、坐標(biāo)系設(shè)定等。(2)可以自定義界面來顯示物料分揀系統(tǒng)中的相關(guān)信息，比如：軌跡點(diǎn)坐標(biāo)、當(dāng)前坐標(biāo)、物料形狀、分揀個數(shù)、傳送帶的運(yùn)行情況等。

5 結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人可以替代人從事一些重復(fù)性高、勞動強(qiáng)度大的、枯燥、危險系數(shù)高的作業(yè)，降低企業(yè)的人工成本，提高工作效率及工作質(zhì)量，而機(jī)器視覺的普及，讓生產(chǎn)線從自動化向智能化邁進(jìn)。