基于FANUC 機(jī)器視覺的工件分揀應(yīng)用研究

黃朝輝

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

目前，機(jī)器視覺系統(tǒng)基本都是由工業(yè)相機(jī)、圖形處理系統(tǒng)、執(zhí)行圖像處理結(jié)果的工控機(jī)或機(jī)器人等軟硬件組成，分別由不同的供應(yīng)商提供，軟硬件都不是集成在一起，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和操作難度。在軸承缺珠檢測中，智能相機(jī)抓拍采集圖像經(jīng)過相機(jī)開發(fā)軟件處理的數(shù)據(jù)讀取到PLC 的內(nèi)部寄存器，由PLC 控制達(dá)到分揀的目的[1]。工件在線檢測中，工業(yè)攝像機(jī)采集的圖像傳送給計(jì)算機(jī)的圖像分析軟件進(jìn)行處理和判斷，機(jī)器人通過與計(jì)算機(jī)的連接通信實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的抓取[2]。蘋果采摘機(jī)器人系統(tǒng)中，雙目視覺系統(tǒng)采集圖像處理后通過工控機(jī)控制伺服驅(qū)動(dòng)和末端執(zhí)行器完成采摘任務(wù)[3]。機(jī)器視覺定位的自動(dòng)貼膜機(jī)控制系統(tǒng)中，相機(jī)控制器與PLC 進(jìn)行通信，貼膜機(jī)械手由PLC 控制完成動(dòng)作[4]。

FANUC 作為世界上極少數(shù)在機(jī)器人系統(tǒng)中集成視覺功能的機(jī)器人供應(yīng)商，大大降低了視覺系統(tǒng)的使用成本，可實(shí)現(xiàn)高柔性的機(jī)器人應(yīng)用。全部工藝由機(jī)器人上的CPU 單元執(zhí)行，因而不會(huì)產(chǎn)生通信延時(shí)的現(xiàn)象，也不需要再附加硬件[5]。

1 iRVision 視覺系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

iRVision 是FANUC 研發(fā)的即插即用視覺傳感器系統(tǒng)。只要將工業(yè)相機(jī)和電纜連接到機(jī)器人的處理器上，就可以立即使用。為機(jī)器人提供視覺的系統(tǒng)完全是集成到機(jī)器人的控制器中[6]。

在一般情況下，iRVision 由如下設(shè)備構(gòu)成：相機(jī)、鏡頭、相機(jī)電纜、照明裝置、復(fù)用器（根據(jù)需要選配），如圖1 所示。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，安裝連接方便，占用空間面積少。

圖1 iRVision 的典型設(shè)備構(gòu)成圖

根據(jù)工藝的需要選擇FANUC M-10iA 機(jī)器人和FANUC R-30iB Mate 控制器，相機(jī)使用SONY XC-56 CCD 相機(jī)，如圖2 所示。

圖2 SO?NY XC-56 CCD 相機(jī)

2 iRVision 視覺系統(tǒng)的工作原理

iRVision 視覺系統(tǒng)用于補(bǔ)償機(jī)器人的軌跡偏差，偏差值定位精準(zhǔn)，確保機(jī)器人高品質(zhì)完成作業(yè)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，已處于國內(nèi)外高水準(zhǔn)行列[7]。

FANUC 機(jī)器人是示教重放方式的機(jī)器人，以相同的方式對(duì)放置在工作臺(tái)上的工件進(jìn)行作業(yè)，必須每次把工件放置在相同的位置。iRVision 視覺系統(tǒng)使用相機(jī)對(duì)工件的位置進(jìn)行測量，對(duì)處于與示教機(jī)器人的程序時(shí)不同位置的工件，采用能以相同的方式進(jìn)行作業(yè)的形態(tài)補(bǔ)正機(jī)器人的動(dòng)作。

補(bǔ)正機(jī)器人就是利用傳感器識(shí)別現(xiàn)在工件的實(shí)測位置與機(jī)器人程序示教時(shí)工件的基準(zhǔn)位置之間的偏差量，并計(jì)算出進(jìn)行機(jī)器人位置補(bǔ)正的補(bǔ)正量（或補(bǔ)償數(shù)據(jù)）。

因此，在iRVision 上計(jì)算機(jī)器人補(bǔ)正量，假設(shè)使得補(bǔ)正用坐標(biāo)系位移，這樣就無需個(gè)別計(jì)算各點(diǎn)的補(bǔ)正量。如圖3 所示，使得補(bǔ)正用坐標(biāo)系移至處于實(shí)測位置的工件就好像處于基準(zhǔn)位置那樣的位置。通過補(bǔ)正坐標(biāo)系本身，就無需針對(duì)每個(gè)示教點(diǎn)計(jì)算補(bǔ)正量，因而具有便于示教作業(yè)進(jìn)行的優(yōu)點(diǎn)。iRVision 將補(bǔ)正用坐標(biāo)系的移動(dòng)量作為補(bǔ)正量予以輸出。機(jī)器人通過iRVision 獲取偏移值后，就可以帶著偏移值按照示教機(jī)器人時(shí)的移動(dòng)指令完成對(duì)偏移放置位置的工件進(jìn)行作業(yè)。

圖3 補(bǔ)正用坐標(biāo)系的位移圖

3 iRVision 視覺系統(tǒng)的應(yīng)用

iRVision 視覺系統(tǒng)直接在機(jī)器人設(shè)備上就可以完成全部設(shè)置，無需第三方軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理。

通過FANUC 機(jī)器人iRVision2 維補(bǔ)正技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器的準(zhǔn)確抓取，確保順利實(shí)施下一道工序的任務(wù)，例如裝配、碼垛、定位、焊接、選件等。機(jī)器人末端執(zhí)行器準(zhǔn)確抓取不同位置工件的前提是確保iRVision 視覺系統(tǒng)的正確設(shè)置和程序創(chuàng)建。

iRVision 視覺系統(tǒng)有2D 和3D 的視覺應(yīng)用，其中2維補(bǔ)正功能是這些應(yīng)用的基礎(chǔ)。2 維補(bǔ)正功能最典型的視覺應(yīng)用方法是1 臺(tái)相機(jī)的2 維補(bǔ)正，其他適用方法都需要應(yīng)用1 臺(tái)相機(jī)的2 維補(bǔ)正的啟動(dòng)步驟來啟動(dòng)。

1 臺(tái)相機(jī)的2 維補(bǔ)正功能是利用1 臺(tái)相機(jī)檢出平面上任意位置的工件，對(duì)工件的平行移動(dòng)（X，Y）以及X-Y 平面的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)（R）方向進(jìn)行補(bǔ)正的一種功能。iRVision 視覺系統(tǒng)的2 維補(bǔ)正的流程如圖4 所示。

圖4 iRVision 2 維補(bǔ)正的流程圖

3.1 相機(jī)的標(biāo)定

相機(jī)的標(biāo)定采取通用的標(biāo)定方法：點(diǎn)陣板標(biāo)定。使用的工具叫點(diǎn)陣板夾具，在將點(diǎn)陣板夾具固定設(shè)置在工作臺(tái)等進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，通常使用比視野尺寸大一圈的點(diǎn)陣板夾具，點(diǎn)陣板標(biāo)定的設(shè)置步驟如圖5 所示。

圖5 點(diǎn)陣板標(biāo)定的流程圖

點(diǎn)陣板標(biāo)定具體的流程為：大多數(shù)情況下選擇0號(hào)用戶坐標(biāo)作為設(shè)定相機(jī)標(biāo)定的基準(zhǔn)坐標(biāo)系的初始值。在iRVision 上進(jìn)行相機(jī)數(shù)據(jù)中相機(jī)的種類、相機(jī)的設(shè)置方法等設(shè)定。在執(zhí)行相機(jī)的標(biāo)定之前調(diào)整鏡頭的光圈和焦點(diǎn)。在設(shè)定點(diǎn)陣板夾具的設(shè)置信息時(shí)，使用正確進(jìn)行了TCP 設(shè)置的觸針觸碰的方法在用戶坐標(biāo)系中設(shè)定設(shè)置信息。該TCP 設(shè)置的精度會(huì)影響到機(jī)器人搬運(yùn)工件的精度。在圖6 點(diǎn)陣板標(biāo)定的設(shè)定畫面中，正確選擇基準(zhǔn)坐標(biāo)系和點(diǎn)陣板夾具設(shè)置信息設(shè)定的坐標(biāo)系編號(hào)。最后確認(rèn)所創(chuàng)建標(biāo)定數(shù)據(jù)的內(nèi)容和標(biāo)定點(diǎn)，若沒有問題，則標(biāo)定結(jié)束。

圖6 點(diǎn)陣板標(biāo)定的示教畫面

3.2 補(bǔ)正用坐標(biāo)系的設(shè)定

在用戶坐標(biāo)系上以使得補(bǔ)正用坐標(biāo)系的XY 平面與放置有工件的面的平行方式來設(shè)定補(bǔ)正用坐標(biāo)系。本例中補(bǔ)正用坐標(biāo)系已被設(shè)定在1 號(hào)用戶坐標(biāo)系中。補(bǔ)正用坐標(biāo)系通過使用觸針碰觸進(jìn)行設(shè)定。如圖7 所示，在傳送帶上設(shè)定補(bǔ)正用坐標(biāo)系。

圖7 補(bǔ)正用坐標(biāo)系示意圖

3.3 視覺處理程序的創(chuàng)建和示教

一臺(tái)相機(jī)檢測工件的2 維位置而進(jìn)行機(jī)器人補(bǔ)正的視覺程序的流程如圖8 所示。程序示教時(shí)打開[2-D Single-View Vision Process]編輯畫面完成各項(xiàng)信息的設(shè)置。按下F4 檢測而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)是否按照期望的方式動(dòng)作。根據(jù)設(shè)定的基準(zhǔn)位置和檢測位置的相對(duì)關(guān)系計(jì)算補(bǔ)正量，同時(shí)在設(shè)定基準(zhǔn)位置時(shí)的工件位置進(jìn)行機(jī)器人的位置示教。最后完成指定視覺參數(shù)。

圖8 視覺程序的流程圖

3.4 機(jī)器人程序的創(chuàng)建和示教

根據(jù)任務(wù)系統(tǒng)的工作流程，機(jī)器人的程序主要包含以下幾個(gè)方面：設(shè)定坐標(biāo)系、視覺執(zhí)行、視覺檢測、條件判斷并跳轉(zhuǎn)、計(jì)算存儲(chǔ)補(bǔ)償數(shù)據(jù)、機(jī)器人視覺補(bǔ)正完成作業(yè)動(dòng)作。視覺圖像數(shù)據(jù)處理程序和機(jī)器人程序結(jié)合在一起，大大減少了程序量，而且不需要進(jìn)行程序間的處理和轉(zhuǎn)換。機(jī)器人的關(guān)鍵程序如下。

機(jī)器人的工作流程如圖9 所示。傳送帶傳送工件到位后并停止，機(jī)器人設(shè)定用戶和工具坐標(biāo)系，移動(dòng)到示教機(jī)器人的初始位置。調(diào)用視覺程序并發(fā)出拍照信號(hào)檢測在線工件，若判斷拍照后的視圖與模型示教視圖比對(duì)成功后，計(jì)算補(bǔ)償數(shù)據(jù)并獲取偏移值存儲(chǔ)到視覺寄存器中，機(jī)器人帶視覺補(bǔ)正完成對(duì)傳送線工件的作業(yè)動(dòng)作。若拍照比對(duì)失敗后，程序跳轉(zhuǎn)至標(biāo)簽行執(zhí)行視覺錯(cuò)誤報(bào)警。

圖9 機(jī)器人程序流程圖

4 結(jié)論

通過對(duì)FANUC 機(jī)器人iRVision 視覺系統(tǒng)的應(yīng)用研究，iRVision 視覺系統(tǒng)不需要額外的硬件和第三方視覺圖像數(shù)據(jù)處理軟件就可以實(shí)現(xiàn)高柔性的機(jī)器人應(yīng)用，使用方便，集成度高，大大降低了視覺系統(tǒng)的使用成本，提高了機(jī)器人的工作效率、質(zhì)量和可靠性，同時(shí)也減輕了設(shè)備維護(hù)的工作量。