基于2.5D視覺(jué)技術(shù)的智能裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹飛 高云鵬 王豪 周江林 張博

摘 要：針對(duì)家電等行業(yè)對(duì)智能裝備的需要，介紹了一種智能涂膠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以壺底工件作為研究對(duì)象，詳細(xì)描述了該系統(tǒng)的原理和硬件搭建過(guò)程。該系統(tǒng)由數(shù)字相機(jī)確定待涂膠區(qū)域中心點(diǎn)的X/Y坐標(biāo)值，由激光傳感器確定Z坐標(biāo)值，從而確認(rèn)工件待涂膠位置，引導(dǎo)機(jī)器人完成點(diǎn)膠工作。該示范線(xiàn)同樣適用于其他多品種工件的智能裝備系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：2.5D視覺(jué)技術(shù);數(shù)字相機(jī);智能涂膠

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號(hào)：1671-0797（2022）09-0041-04

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

0 ? ?引言

針對(duì)種類(lèi)多、公差大且作業(yè)要求精準(zhǔn)的產(chǎn)品，其作業(yè)位置的判別非常重要。因此在工業(yè)機(jī)器人上建立一套視覺(jué)系統(tǒng)，使得機(jī)器人針對(duì)外部環(huán)境的變化可及時(shí)調(diào)整，有利于機(jī)器人跟蹤、識(shí)別等一系列操作，提高工業(yè)機(jī)器人的適應(yīng)性和靈活性。本文以熱水壺壺底作為研究對(duì)象，對(duì)智能涂膠機(jī)器人進(jìn)行視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用研究。本文所述智能涂膠系統(tǒng)與三維視覺(jué)系統(tǒng)、雙目視覺(jué)系統(tǒng)相比，具有性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn);其應(yīng)用不局限于涂膠行業(yè)，同時(shí)基于視覺(jué)的技術(shù)還可應(yīng)用于焊接領(lǐng)域[1-3]。

1 ? ?智能涂膠系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)

某工廠(chǎng)內(nèi)熱水壺壺底主要有4種型號(hào)，如圖1所示，其加熱環(huán)是人工手動(dòng)放置在金屬盤(pán)上，造成各工件加熱環(huán)相對(duì)于金屬盤(pán)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(diǎn)處正上方滴膠，稀薄的膠液流動(dòng)后可將整個(gè)圓柱體包裹。該膠液為防水膠液，膠量少時(shí)難以將整個(gè)圓柱體完全包裹;而膠量多時(shí)易流至加熱環(huán)外端的金屬盤(pán)（如圖1左上工件），形成廢品，因此上述操作對(duì)工人技術(shù)要求非常高。

該涂膠工藝難點(diǎn)在于涂膠位置的精準(zhǔn)判斷，據(jù)工廠(chǎng)統(tǒng)計(jì)，壺底涂膠工藝廢品率高達(dá)20%。為解決上述問(wèn)題，本文進(jìn)行了智能涂膠系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)使用視覺(jué)系統(tǒng)配合六軸機(jī)械手完成壺底的涂膠工作。

壺底加熱盤(pán)為鑄造件，待涂膠位置點(diǎn)的高度不盡相同，因此必須準(zhǔn)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(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)如圖2所示，本文使用數(shù)字相機(jī)確認(rèn)待涂膠位置中心點(diǎn)的平面坐標(biāo)值，使用激光傳感器確認(rèn)高度坐標(biāo)值，以上數(shù)值經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后通過(guò)總線(xiàn)方式傳遞給機(jī)器人，引導(dǎo)機(jī)器人完成壺底點(diǎn)膠、涂膠工作[4-7]。

2 ? ?智能涂膠系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由六自由度機(jī)械手、數(shù)字相機(jī)、激光傳感器、供膠系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)組成。其中，機(jī)械手采用負(fù)載為6 kg的六自由度機(jī)械手;視覺(jué)系統(tǒng)采用數(shù)字相機(jī)和激光測(cè)距儀配合，實(shí)現(xiàn)涂膠點(diǎn)的空間三維測(cè)量，由于工件為圓形，因此視覺(jué)系統(tǒng)采用環(huán)形光源;供膠系統(tǒng)采用塑料膠桶、頂針式小份量閥門(mén)和針頭，按要求可進(jìn)行點(diǎn)膠或軌跡涂膠。

2.1 ? ?數(shù)字相機(jī)選型

?2.2 ? ?激光傳感器選型

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

2.3 ? ?硬件系統(tǒng)搭建

相機(jī)、激光傳感器、膠槍安裝在機(jī)械手末端，三者中心點(diǎn)間隔120°均勻分布在以機(jī)械手末端中心點(diǎn)為原點(diǎn)、150 mm為半徑的圓上，如圖4所示。運(yùn)行過(guò)程中，任意型號(hào)壺底工件隨意放置在皮帶線(xiàn)上，當(dāng)壺底工件運(yùn)行到機(jī)器人涂膠工位時(shí)，皮帶線(xiàn)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，相機(jī)拍照確定待涂膠位置點(diǎn)。為提高本系統(tǒng)的精度，該系統(tǒng)使用二次定位，第一次拍照使相機(jī)移動(dòng)到壺底工件的中心點(diǎn)，防止由于拍攝角度而造成對(duì)圓柱體上涂膠位置的誤判，當(dāng)相機(jī)運(yùn)行至中心點(diǎn)的正上方時(shí)，進(jìn)行第二次拍照，確認(rèn)工件的待涂膠位置。系統(tǒng)可根據(jù)工件種類(lèi)、涂膠位置和涂膠高度進(jìn)行調(diào)整。

硬件系統(tǒng)圖和搭建完成的壺底智能涂膠系統(tǒng)分別如圖5、圖6所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，需注意生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的光線(xiàn)問(wèn)題，恒定光源是最理想的條件。但部分實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)往往靠近門(mén)窗或車(chē)間頂部含有天窗，這就導(dǎo)致生產(chǎn)光線(xiàn)隨著日光和天氣的變化在不停改變，影響視覺(jué)系統(tǒng)的效果，此時(shí)可以調(diào)整視覺(jué)系統(tǒng)配套的光源或者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)遮光裝置來(lái)保證光源穩(wěn)定[6]。

3 ? ?智能涂膠系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ? ?視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其標(biāo)定結(jié)果的精度直接影響最終涂膠區(qū)域中心點(diǎn)坐標(biāo)值的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)標(biāo)定法，通常是使用9點(diǎn)或12點(diǎn)標(biāo)定，為提高本系統(tǒng)的標(biāo)定精度，選用16點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，如圖7所示，圖中圓圈代表基準(zhǔn)位置，六角星代表測(cè)量位置，箭頭指示機(jī)器人移動(dòng)方向。

通過(guò)16點(diǎn)標(biāo)定，可以將機(jī)器人的坐標(biāo)系與相機(jī)的坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)起來(lái)，視覺(jué)的像素距離可以轉(zhuǎn)化成機(jī)器人在XY空間上的實(shí)際移動(dòng)距離。

3.2 ? ?激光傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

傳感器正常工作時(shí)，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(diǎn)的輸出為20 mA，最遠(yuǎn)距離點(diǎn)的輸出為4 mA。根據(jù)輸出值可計(jì)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(cè)量點(diǎn)的距離值。

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

3.3 ? ?控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

CC-Link是一種高可靠性、高性能的網(wǎng)絡(luò)，本文研究了CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通信原理、基本通信結(jié)構(gòu)及FX系列PLC的系統(tǒng)構(gòu)成，分析了CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)搭建模式，重點(diǎn)研究了基于CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的調(diào)試。

本系統(tǒng)以傳送線(xiàn)的PLC作為主站，工業(yè)機(jī)器人作為從站設(shè)備構(gòu)成CC-Link網(wǎng)絡(luò)，如圖9所示，智能相機(jī)及激光測(cè)量傳感器分別通過(guò)RS232和AD轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)傳送到PLC，PLC再通過(guò)CC-Link現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將數(shù)據(jù)傳送到機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與多種外設(shè)之間的通信，減少了通信的方式和復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集中控制和管理。

4 ? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

將不同型號(hào)的工件隨意放置于皮帶線(xiàn)上，經(jīng)過(guò)兩次定位，其待涂膠位置處的形狀搜索和點(diǎn)膠示意圖分別如圖10、圖11所示。通過(guò)在圓柱體上標(biāo)記，在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，測(cè)量比對(duì)實(shí)際運(yùn)行位置與圓柱體上標(biāo)記點(diǎn)的位置，在XY坐標(biāo)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(jié)語(yǔ)

本文采用數(shù)字相機(jī)+激光傳感器的方式對(duì)智能涂膠系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分別完成硬件系統(tǒng)的選型及搭建、軟件系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該試驗(yàn)系統(tǒng)不僅可完成多種型號(hào)壺底的點(diǎn)膠，還適用于其他多品種工件的點(diǎn)膠、涂膠工作。

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收稿日期：2022-02-16

作者簡(jiǎn)介：曹飛（1988—），女，山東人，工程師，研究方向：智能制造裝備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。