基于機器視覺的智能組裝物流系統

賈茜偉，閆 娟，楊慧斌，劉向前JIA Xiwei, YAN Juan, YANG Huibin, LIU Xiangqian

（上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引 言

如今，隨著生活水平的不斷提升，物流已經是生活中不可或缺的一部分，在人們的日常購物中扮演著重要的角色。現代物流隨著科技的不斷進步，正在朝著智能化、自動化的方向快速前進，很大程度上方便了人們的生活，提高了人們的生活質量。自動化在現實生活中無處不在，一個工廠自動化水平的高低直接影響該家企業的生產效率和利益高低，自動化程度起著相當重要的作用。在此背景下，自動化已然成為一種潮流，組裝物流自然也不會缺少它。隨著自動化技術的逐漸成熟，自動化的組裝物流慢慢取代人工，在生產效率方面有了明顯的提高。

機器視覺是人工智能的一個重要組成部分，它的興起在一定程度上代替了人的雙眼，可以達到自動精準識別的效果，使得企業的生產靈活性和自動化水平提高了很多。機器視覺的應用范圍極其廣泛，其非接觸式測量方式避免了在危險場所對人一定量的危害，另外，系統的可靠性也明顯提高。在工件的組裝物流中還有很多可以優化的地方，機器視覺在物流方面的應用不是很廣泛，工件組裝環節始終存在一些不安全、工作效率低、精準度不夠等問題。因此，本文設計的智能組裝物流系統加入了機器視覺，使該物流系統具有更加便利和多樣性的功能，同時節省了一大批勞動力，并且可以使不同大小的貨物實現精準的出庫、組裝和入庫，極大地提高了工作效率。

1 總體物流系統設計

本文所設計的智能物流組裝系統由機器視覺裝置、頂部工件料倉、PLC 控制器、HMI 觸摸屏、兩個ABB 機器人、無桿氣缸、底部工件料倉和成品庫等組成。其中機器視覺裝置包括相機架、攝像頭、條形光源等。系統工作流程為：觸摸屏點擊開始，機器視覺捕捉工件信息，并將工件進行分類；再將得到的信息發送給PLC 控制器，作為控制核心的PLC，對其收到的信息進行解析，將下一步的指令發送給ABB 機器人；操作者在觸摸屏上點擊相應的貨物類別號，ABB 機器人則按照信息指令將該類貨物放在滑軌氣缸上，進行傳輸，到達指定位置后，再次在觸摸屏上選擇工件所需入庫的庫位號，另一個ABB 機器人根據觸摸屏上的指令將成品工件放入規定的庫位中。為了保證在貨物運輸過程中觸摸屏不會被亂點，在觸摸屏中有正在進行的屏幕保護，使操作者更加放心，不易出錯。第一個機器人在抓取的過程中會依據該類工件擺放的先后順序進行抓取，使整個流程井然有序的進行。

整個物流控制系統以PLC 控制器為核心，統一控制HMI 觸摸屏、攝像頭、傳感器、ABB 機器人、無桿氣缸，控制系統結構框架如圖1 所示。PLC 控制器通過工業級交換機與機器視覺、ABB 機器人和觸摸屏進行TCP 通訊，進而控制整個系統的穩定運行。另外，觸摸屏中可以實時顯示倉庫庫位的信息，進一步提高了倉庫管理的高效性。

圖1 總體布局

2 控制系統模塊設計

2.1 電氣控制模塊

PLC 在該套控制系統中，主要扮演著控制通訊的作用，所有控制器之間通過TCP/IP 通訊實際上的輸入點只有兩個，輸出點也是兩個。另外，可編程控制器PLC 還有一些預留的輸入輸出點，以便后續的功能擴展。表1 為I/O 輸入輸出分配情況，磁性開關接線圖如圖2 所示。

表1

圖2 I/O 接線圖

2.2 機器視覺模塊

在該套物流系統中，工件在倉庫中的位置坐標依靠機器視覺來計算。為更好地獲取工件的清晰圖片，對其進行了一定的補光，攝像頭拍取的實物如圖3 所示。首先，對所有工件進行拍照，照片中工件的下邊緣有一排黑色小三角，用來區分工件，兩個黑三角之間距離的不同數值代表一種工件類型，并對每一種工件進行數字標記處理，例如1,2,3；其次，根據工件的大小可以計算得出每個工件的具體位置，計算過程如下：

圖3 工件實物圖

工件緊挨著為直線排列，故只要取橫坐標就可以，縱坐標設為0。

設工件的中心到第一個工件邊緣的距離為其所在位置，因此，設第一個工件的長度為a，故坐標為（0, a/2 ）；

第二個工件的長度為b，故其中心到第一個工件邊緣的距離為（a+b/2 ），坐標為（0, a+b/2 ）。

依次類推，計算出每一個工件的位置。機器視覺將計算得到的工件位置發送給可編程控制器PLC，PLC 將其進行解析，再發給機器人1 和機器人2，從而機器人根據相應的坐標位置來控制機械手對工件進行抓取。

2.3 工件組裝與運輸模塊

組裝與運輸的整個流程是：機器人2 將工件放在無桿氣缸上，動作完成后，PLC 收到完成指令之后再控制無桿氣缸滑到最左邊，此時，機器人1 將倉庫中的工件與無桿氣缸上的工件完成組裝，接著無桿氣缸滑到最右邊，機器人2 再將成品工件放在成品庫位中。整個流程如圖4 所示。

圖4 組裝與運輸流程圖

2.4 軟件模塊

本物流系統采用STEP 7—MicroWIN SMART 設計PLC 程序，程序流程如圖5 所示。

圖5 PLC 設計流程圖

本系統采用模塊化的設計思路，分別單獨建立與機器視覺、機器人1 和機器人2 的通訊，三者之間互不通訊，統一由PLC進行控制。部分程序如圖6 所示。

圖6 部分PLC 程序

3 試驗數據分析與處理

通過試運行，將測試得到的結果與單人完成以上操作得到的結果進行對比，對比結果如表2 所示。

表2

經過試驗數據分析，使用本套物流系統后，工作效率提高了一倍之多，每臺設備至少減少了2 個人力，減少了企業的用人成本。該套設備較穩定，日常維護僅需一人即可，極大地提高了企業的生產效率。

4 結束語

（1） 傳統的組裝與運輸模式以人工為主，費時費力，生產效率低下，而且還存在安全隱患、勞動強度大等問題，因此，本文設計了智能組裝物流系統。

（2） 本文系統是以西門子PLC 200 SMART 為核心，通過控制機器視覺、機器人1 和機器人2 來實現工件的組裝與入庫。機器視覺可以對倉庫中的工件進行精準的定位，而機器人則可以實現工件的準確安裝與入庫，解放了人工，生產效率也提高了一倍之多。

（3） 該套設備可以節省2～3 個人力，幫助企業節省了不少用人成本，并且本設備不需要經常進行維護，15 臺設備配備一個人員管理即可，方便企業進行管理。