基于機器視覺的機器人協同裝配工作站的設計

孫紅英

（蘭州石化職業技術大學，甘肅蘭州，730060）

0 引言

近些年，工業機器人技術已經較為成熟，在很多領域都已有應用，尤其是制造行業，開始借助于這類機器人替代人工作業，完成組裝或者加工工作。過去人工裝配在分揀效率上相對較低，而且有著較高的勞動強度，工作環境也頗為惡劣等，這使得裝配效率很難提升。而機器人技術的運用，則能很好的解決這些問題。國內制造業在機器人自動化裝配技術方面的運用還不夠深入，相關技術的開發水平還有待提升，目前主要是借助于機器人來完成上料、取料等簡單工作。本文借助于工業機器人、視覺識別等技術，同時利用HMI、PLC等完成自動化裝配系統的開發。在機器視覺識別技術快速進步之下，將該技術與機器人技術進行科學的融合，就能進一步增強對加工件的自動化檢測與識別，同時還能有效提升通過機器人進行自動化裝配的精準度與合格率。本文主要通過軸孔裝配技術，自主開發了一款集自動裝配、視覺識別、自動推料以及模擬加工一體化的機器人協同裝配工作站。之后對此進行了現場實驗，機器人協同裝配工作站可以完成生產工藝需求。

1 裝配工作站總體方案和系統組成

1.1 系統設計要求

借助于創新技術，利用機器人取代人工作業模式，再對機器視覺識別技術等進行運用，在機器人與自動化傳送系統的支持下，實現產品自動化、批量化的裝配等，即為自動裝配技術，這已經成為當前工業生產的重要構成。本文將工業六軸機器人為對象，對其第一關節的自動化裝配進行案例分析，開發一套可以支持其自動化裝配的工作站系統。該自動化裝配系統主要功能為：配件的自動入庫、出庫；配件質量檢測；自動裝配與精準抓取配件等。此外，還借助于PLC（可編程控制器）技術，來對整個產品的流轉與生產過程進行動態監控。

1.2 系統組成

以工業六軸機器人為對象，綜合其第一關節裝配流程與系統設計要求，對傳感、機器視覺、PLC、機器人等技術進行科學運用，由此開發出自動化裝配工作站。其中立體倉庫，能對各種產品配件進行存儲，倉位總共達到二十八個，分為七列和四行。在具體倉位上都配置了專門的傳感裝置，可以對倉位是不是存在著配件進行實時辨識[1]。碼垛機則能為配件入庫、出庫提供操作處理。其中3軸桁架結構則是通過電機與變頻器進行控制，傳感模塊與限位開關，前者能夠感測位置，后者則能進行限位。AGV機器人能夠支持流水線作業，為配件的運輸提供托盤。在機器人的行進路徑上配置磁條，利用無線路由器收發信號。倍速鏈等可以借助于電機、變頻器的驅動，來對托盤進行運輸，通過擋塊、傳感模塊，對托盤位置進行感測，同時還能進行限位。視覺系統可以對配件進行辨識，其中應用到智能化相機，采集影像圖，而且不依賴計算機來進行圖像運算。工業機器人主要作用是用于處理配件和托盤，以及組裝工件。六軸工業機器人的負載為20千克，手臂容量為1722毫米。工件裝配線用于定位工件、改變工件位置和裝配工件。裝配站、附件站和成品站固定在工件的裝配線上，裝配站還具備重新定位附件的作用。

2 工作站工作流程與PLC主控程序架構

2.1 工作站工作流程

對PLC主控柜開啟操作鈕進行觸發，隨后，本自動化系統就會對料庫進行檢測，查看是不是滿料，倘若符合滿料要求，那么料庫就會將軸工件、料筒進行推出。接著，機器人1/2依次將需要操作的部件夾送至相機1/2上端，對其進行視覺檢測，相機1/2分別對料筒尺寸、軸工件加工面進行檢測，前者若是不合格，那么就由機器人將其轉移至廢料盒，并重新提取新料筒，通過這樣的循環檢測，直至滿足要求[2]；若是后者不是加工面，那么機器人2就會將其進行翻轉作業，在確認是加工面之后，就可以將其轉移至車床對其進行模擬加工。成功后，再由該機器人將其轉移至組裝臺，再和機器人1進行合作，完成裝配作業。成功后，由機器人2將其轉移至存儲模塊[3]。緊接著，對后續的料筒、軸工件進行推出，進入到下一個加工周期，直至所有部件完成裝配，系統停止作業，具體工作流程如圖1所示。

圖1 系統工作流程圖

2.2 PLC主控程序架構

本系統運用的主控芯片為PLC-1200（西門子生產），利用以太網可以與觸摸屏、智能相機、機器人等子模塊進行信息交互。對于PLC系統而言，能夠支持信息的交互，并能利用觸摸屏實現人機交互[4]。下表1給出了該人機交互頁面。整個屏幕分成4個部分，第一，系統啟停、復位等功能操作需要提供的判定條件；第二，對警告燈、料庫氣缸、機器人抓手等模塊的I/O信號是不是具有正常性進行展示；第三，按照報警信號，提醒相關設備故障，并對相關故障信息進行展現；第四，I/O監控頁面，將該芯片的各類I/O狀態進行展現。

表1 HMI觸摸屏界面

點動測試界面 檢測料庫推料機構及卡盤狀態故障記錄界面 實時顯示報警信息I/O 監控界面 顯示料庫有無料狀態

系統程序運用的是模塊化設計模式，通過主程序對不同子模塊的功能程序進行調用。在個程序流程中其中子模塊功能程序涉及到運行、視覺通訊、故障、啟動、復位等。在本系統正式啟動前，需要進行復位處理，而且在復位成功后，當系統符合啟動條件，主程序就會調取運行子程序時，機器人1/2對工件進行抓取，將其轉移到裝配臺，并對其進行視覺檢測。符合條件之后，機器人2就需要將工件轉移至車床，對其進行加工，成功后，再轉移至裝配臺，進行裝配。整個程序通過整個流程的不斷循環，直至各種工件被裝配，機器人復位，系統停止運行，機器人與PLC程序借助于這些通訊口進行交互。

3 控制系統設計與系統驗證

為了將此裝配過程實現自動化，以便高效率工作和有效監督，此系統用西門子PLC對系統進行控制，對人機交互進行控制與監督的是西門子的HMI。

3.1 工件的再定位設計

工件在裝配線上的重新定位對于實現工件的精確自動裝配非常重要。進而該系統特地開發一個裝配站，用于在裝配前進行零件裝配以及重新定位。該工位主要是由四組V形塊與四個氣缸完成工件及其附件的重新定位功能以及固定[5]。當附件放置在相應的安裝臺上時，氣缸驅動V形塊移動并鎖定工件，確保工件位于V形塊氣缸和夾緊爪的中心軸上，以實現工件及其附件的重新定位。

3.2 工件的機器視覺識別設計

為了更為自動化、精準性裝配，需要借助于機器視覺識別技術，精準的檢測相關部件。本系統所選用的識別技術，運用的核心部件為智能相機（型號：信捷 SV4-30ML），這款相機可以獲取高品質影像圖，而且還集成了專門的芯片，對圖像進行直接處理。其中還運用了模板法，能夠實現深度學習，更為精準的判別工件質量[6]。具體就是對采集到的影像圖與學習圖進行對比，獲得工件相關的位姿等信息，然后進行邏輯處理，將獲取的數據最終傳遞至PLC，為后續運用提供支持。

3.3 整體控制

本文開發的PLC控制系統，運用了模塊化思路，它的結構性整體較強，也具有較佳的可讀性，在系統修改與維護層面的難度并不高，它具有較小的開發工作量，開發周期較短，而且還有這較高的抗干擾能力，穩定性強，日常維護也頗為簡單。根據本次自動裝配系統要求，最終選用的PLC型號為西門子PLCS7-1200，選用了兩顆芯片，分別用作主站與分站，對碼垛機進行控制。

3.4 人機交互界面

因為PLC沒有高水平的人際交互功能，在工藝參量、控制系統整體較多之際，此時就可以運用觸摸屏，對系統進行相應的操控。本系統使用的交互模塊，為HMITP700，共有兩臺裝置，其中一臺能和PLC進行配合運用，提供人機交互，另外則和碼垛機進行關聯，實現和碼垛機的人際交互。而且這些交互頁面，還提供了兩種模式，分別為人工與自動模式[7]。主人機控制交互界面：主操作界面按操作階段分為監控界面與多個控制子界面。點擊主操作屏幕上指定按鍵，就可以進入到對應的畫面中。主要操作界面包括可堆疊機器人監控屏、機器人單元監控屏、工件數據屏、流水線單元監控屏等。

3.5 系統驗證

按照設計要求對機器人自動裝配工作站系統進行調試、安裝以及管理。在實驗階段中，系統對特殊工件的交付、搬運、視覺識別、裝配等過程進行驗證。該系統可以識別和處理不完整的工件。裝配工位可以滿足于裝配條件時，機器人立刻會裝配工件，操作結束后會將工件轉移到成品工位上。經過實驗，該系統可以完成六軸工業機器人第一個關節產品模型的自動裝配功能。在裝配階段中，此系統不僅可以精準檢測出不完整零件同時還會對比進行自動處理，因此該系統可以滿足于設計需求，實現產品精準裝配。

4 結語

本文開發出以機器視覺為核心基礎的機器人系統裝配工作站，并對該工作站的整個運作流程進行了細致分析。分析了PLC系統程序框架，以及和機器人之間的交互，同時還綜合視覺技術，使得本次開發的工作站能夠對軸類、料筒類工件進行自動化裝配，同時還能對軸共建進行模擬加工。經過測試，本工作站有著較高的裝配精度，運行也具有較高穩定性，對公司生產助益甚多。