基于2.5D視覺技術的智能裝備系統設計

曹飛 高云鵬 王豪 周江林 張博

摘 要：針對家電等行業對智能裝備的需要，介紹了一種智能涂膠系統的設計，以壺底工件作為研究對象，詳細描述了該系統的原理和硬件搭建過程。該系統由數字相機確定待涂膠區域中心點的X/Y坐標值，由激光傳感器確定Z坐標值，從而確認工件待涂膠位置，引導機器人完成點膠工作。該示范線同樣適用于其他多品種工件的智能裝備系統。

關鍵詞：2.5D視覺技術;數字相機;智能涂膠

中圖分類號：TP242.2 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0041-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.011

0 ? ?引言

針對種類多、公差大且作業要求精準的產品，其作業位置的判別非常重要。因此在工業機器人上建立一套視覺系統，使得機器人針對外部環境的變化可及時調整，有利于機器人跟蹤、識別等一系列操作，提高工業機器人的適應性和靈活性。本文以熱水壺壺底作為研究對象，對智能涂膠機器人進行視覺系統的應用研究。本文所述智能涂膠系統與三維視覺系統、雙目視覺系統相比，具有性價比高的特點;其應用不局限于涂膠行業，同時基于視覺的技術還可應用于焊接領域[1-3]。

1 ? ?智能涂膠系統技術路線

某工廠內熱水壺壺底主要有4種型號，如圖1所示，其加熱環是人工手動放置在金屬盤上，造成各工件加熱環相對于金屬盤的軸向和徑向位置之間有一定的差異;涂膠工位需要分別在待涂膠位置（圓柱體）1、2的中心點處正上方滴膠，稀薄的膠液流動后可將整個圓柱體包裹。該膠液為防水膠液，膠量少時難以將整個圓柱體完全包裹;而膠量多時易流至加熱環外端的金屬盤（如圖1左上工件），形成廢品，因此上述操作對工人技術要求非常高。

該涂膠工藝難點在于涂膠位置的精準判斷，據工廠統計，壺底涂膠工藝廢品率高達20%。為解決上述問題，本文進行了智能涂膠系統研究，設計使用視覺系統配合六軸機械手完成壺底的涂膠工作。

壺底加熱盤為鑄造件，待涂膠位置點的高度不盡相同，因此必須準確獲取涂膠圓柱體的空間三維位置才能保證涂膠工藝順利完成。智能涂膠系統技術路線如圖2所示，本文使用數字相機確認待涂膠位置中心點的平面坐標值，使用激光傳感器確認高度坐標值，以上數值經坐標轉換后通過總線方式傳遞給機器人，引導機器人完成壺底點膠、涂膠工作[4-7]。

2 ? ?智能涂膠系統硬件設計

該系統由六自由度機械手、數字相機、激光傳感器、供膠系統和傳動系統組成。其中，機械手采用負載為6 kg的六自由度機械手;視覺系統采用數字相機和激光測距儀配合，實現涂膠點的空間三維測量，由于工件為圓形，因此視覺系統采用環形光源;供膠系統采用塑料膠桶、頂針式小份量閥門和針頭，按要求可進行點膠或軌跡涂膠。

2.1 ? ?數字相機選型

?2.2 ? ?激光傳感器選型

工作時，激光傳感器距離工件約為300 mm，本系統選擇有效行程為300 mm的模擬量激光傳感器。

2.3 ? ?硬件系統搭建

相機、激光傳感器、膠槍安裝在機械手末端，三者中心點間隔120°均勻分布在以機械手末端中心點為原點、150 mm為半徑的圓上，如圖4所示。運行過程中，任意型號壺底工件隨意放置在皮帶線上，當壺底工件運行到機器人涂膠工位時，皮帶線停止轉動，相機拍照確定待涂膠位置點。為提高本系統的精度，該系統使用二次定位，第一次拍照使相機移動到壺底工件的中心點，防止由于拍攝角度而造成對圓柱體上涂膠位置的誤判，當相機運行至中心點的正上方時，進行第二次拍照，確認工件的待涂膠位置。系統可根據工件種類、涂膠位置和涂膠高度進行調整。

硬件系統圖和搭建完成的壺底智能涂膠系統分別如圖5、圖6所示。

在實際應用中，需注意生產現場的光線問題，恒定光源是最理想的條件。但部分實際生產現場往往靠近門窗或車間頂部含有天窗，這就導致生產光線隨著日光和天氣的變化在不停改變，影響視覺系統的效果，此時可以調整視覺系統配套的光源或者根據現場設計遮光裝置來保證光源穩定[6]。

3 ? ?智能涂膠系統軟件設計

3.1 ? ?視覺系統設計

相機參數的標定是非常關鍵的環節，其標定結果的精度直接影響最終涂膠區域中心點坐標值的準確性。系統采用傳統標定法，通常是使用9點或12點標定，為提高本系統的標定精度，選用16點進行標定，如圖7所示，圖中圓圈代表基準位置，六角星代表測量位置，箭頭指示機器人移動方向。

通過16點標定，可以將機器人的坐標系與相機的坐標系對應起來，視覺的像素距離可以轉化成機器人在XY空間上的實際移動距離。

3.2 ? ?激光傳感器系統設計

本文所應用的激光傳感器的有效感應距離為（300±150）mm，接線如圖8所示。

傳感器正常工作時，輸出量為電流模擬量，輸出范圍為4～20 mA，距離傳感器最近距離點的輸出為20 mA，最遠距離點的輸出為4 mA。根據輸出值可計算傳感器到工件待涂膠圓柱體的距離為：

?式中：I為傳感器輸出電流值;D為傳感器與測量點的距離值。

設D′為圓柱體與機器人傳感器的理論距離，當D∈[D′-2，D′+2]時，傳感器判斷合格，并將上述數值以總線方式傳遞給機器人。傳感器與膠槍相對位置固定，與工件距離比膠槍多80 mm，因此機器人旋轉120°并豎直下降d（d=D-80）后即為待涂膠區域點膠處。

3.3 ? ?控制系統整體結構

CC-Link是一種高可靠性、高性能的網絡，本文研究了CC-Link現場總線的通信原理、基本通信結構及FX系列PLC的系統構成，分析了CC-Link現場總線的通信協議與網絡搭建模式，重點研究了基于CC-Link現場總線的PLC控制系統的硬件設計、軟件設計、監控畫面設計、抗干擾設計和系統的調試。

本系統以傳送線的PLC作為主站，工業機器人作為從站設備構成CC-Link網絡，如圖9所示，智能相機及激光測量傳感器分別通過RS232和AD轉換模塊將數據傳送到PLC，PLC再通過CC-Link現場總線將數據傳送到機器人，實現機器人與多種外設之間的通信，減少了通信的方式和復雜程度，實現了系統的集中控制和管理。

4 ? ?試驗驗證

將不同型號的工件隨意放置于皮帶線上，經過兩次定位，其待涂膠位置處的形狀搜索和點膠示意圖分別如圖10、圖11所示。通過在圓柱體上標記，在實際運動過程中，測量比對實際運行位置與圓柱體上標記點的位置，在XY坐標平面上精度為0.3 mm，Z方向精度為0.2 mm，符合工藝要求。

5 ? ?結語

本文采用數字相機+激光傳感器的方式對智能涂膠系統進行了設計，分別完成硬件系統的選型及搭建、軟件系統和通信系統的設計。通過試驗驗證，該試驗系統不僅可完成多種型號壺底的點膠，還適用于其他多品種工件的點膠、涂膠工作。

[參考文獻]

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收稿日期：2022-02-16

作者簡介：曹飛（1988—），女，山東人，工程師，研究方向：智能制造裝備的開發與應用。