工業機器人視覺系統在電氣自動化中的應用淺析

謝楊春

(安徽電氣工程學校 安徽 合肥 230061)

0 引言

電氣自動化控制技術在第三次科技革命后得到飛速的發展,對我國工業生產及國民經濟發展產生了顯著助推作用,同時促使電氣自動化技術得到了深度優化。基于工業互聯網下制造業的優化升級改造,我國出現以“互聯網+”為重點的新型制造模式,通過大數據、人工智能、移動互聯網云計算、物聯網等新生代計算機信息技術與制造業的深度融合,推動制造業向自動化、數字化、信息化的“三級跳”轉型,加快工業機器人等智能裝備所在的智能制造產業鏈發展,成功建構智能制造專業群[1]。伴隨工業機器人在自動化領域的大規模應用,結合視覺檢測技術、運動學原理、三角測量法的AI+3D視覺系統,已經被開發成為工業機器人的“眼睛”,在其被普遍使用的過程中,能夠充分結合現代電氣控制技術、計算機技術,網絡通信技術實現控制系統的閉環控制、順序控制和智能化控制,能有效提升相關領域的電氣自動化控制水平,可憑借智能人機交互突破單純重復既定程序軌跡的限制。還可以根據工業生產變化適時規劃工業機器人軌跡,從而提高生產效率和質量,降低人工操作過程中產生的誤差大、準確率低、實時性弱、效率低下等弊端與風險[2]。因此,基于工業機器人的機器視覺應用在電氣自動化的工業實際生產制造及其控制當中,有著廣闊的發展前景。

1 工業機器人視覺系統

1.1 工業機器人概述

現階段,越來越多基于機器視覺的工業機器人已經被成功應用于工業制造,尤其是在智能制造背景下,作為實現高端制造等的重要一環,工業機器人擔任著越來越重要的角色。越來越多的工業場景應用“機器人+”技術,其強大的適應能力能夠按照電氣自動化控制系統規模和產量進行自適應性組合,能夠適應智能模式的工業生產環境,產生事半功倍的作用,提升制造產品的核心競爭力。

面向工業領域的機器人,主要是指多關節機械手或多自由度的機器裝置,其具有一定的自動性,可依靠自身的動力能源和控制能力實現各種工業加工制造功能。工業機器人的柔性強、自動化程度高、可編程性好、通用性明顯,具有自動控制的操作和移動功能,可以完成不同作業環境下的可編程操作。

傳感部分是機器的三大部分之一,感知系統和人機交互系統是其六個子系統的重要組成。工業機器人的主要組成框如圖1所示。感知系統是多個傳感器和控制系統組成主要實現感知與自身工作狀態相關的機械量,如位移、速度和力等。視覺感知系統提高了機器人的機動性、適應性和智能化水平。

圖1 工業機器人的主要組成框圖

1.2 工業機器人視覺系統

工業機器人視覺系統主要通過替代“人眼”賦能工業生產,在解決人眼無法準確識別和檢測的生產任務過程中,能夠有效克服人眼標準的差異性,通過制定更高級別的品控數智化標準,以高速、高光譜、高分辨率、高靈敏度、高可靠性超越人眼標準極限。在視覺定位、尺寸測量和外觀識別與檢測過程中,工業機器人視覺系統利用光源控制器、攝像頭和光學部件、視覺控制系統等進行攝像和拍照,其中,光源控制器、攝像頭和光學部件負責獲取圖像信號后成像,信號成像傳送給圖像處理系統后轉換為數字信號,視覺控制系統根據數字信號運算結果獲取目標特征,通過邏輯判斷運算結果,輸出結果至執行部件,精準控制工業機器人動作。

大部分工業機器人的視覺系統主要經由光源控制器、多個攝像頭和鏡頭、部件傳感器、視頻捕捉卡(video capture card)、PC平臺、檢測軟件、高速數字I/O板卡和中繼器、集線器、交換機和路由器等網絡連接設備共同組成,在視覺系統讀取、傳輸和處理信息過程中,與人眼的運動機制一一對應,成為人眼視覺在工業生產過程中的技術延伸[3]。工業機器人的視覺系統通過源控制器、多個攝像頭和鏡頭感應機械臂可以接觸的范圍,進而保證機械臂正常運行,系統主要由視覺系統(單目、雙目、多目、RGB-D)、控制器、控制系統組成,經過大量實驗數據證實,單目視覺系統運行的方式,更加適合電氣自動化。

工業機器人視覺系統(圖像采集設備、CMOS傳感器&CCD電荷耦合元件)主要涉及高精度二維視覺定位技術和3D視覺定位技術兩類,其中,應用最為廣泛的是高精度、高準確率的二維視覺定位技術,這是工業機器人代替人眼最為基礎的機器視覺定位技術,具有顯著且絕對的應用優勢。其能夠24 h不間斷運轉的狀態下,將采集到的物體轉化為圖像信號,根據像素分布、亮度、顏色等信息,利用圖像處理系統將其轉換成為適應性、可靠性和重復性較高的數字信號,通過各種運算方法提取主要特征,根據判斷結果控制工業機器人在不同應用場景中的動作,不僅能夠提升工業生產良品率,同時能夠加快產線運轉效率,屬于成熟系統。工業機器人視覺系統有硬件系統和軟件系統,其軟件系統主要組成如圖2所示。

圖2 工業機器人視覺系統軟件

智能制造把工業機器人與機器視覺緊密結合起來,機器視覺將是人工智能未來的方向和趨勢。機器視覺系統的性能由最差的部分決定,精度則由它能獲取的信息決定。合理進行配置就可以建立一個零故障、有彈性的工業機器人視覺檢測系統。工業機器人的視覺系統運行,首先需要根據目標確定位置,通過二維視覺定位技術和3D視覺定位技術成功鎖定目標,其次需要提前進行信息識別明確目標位置,或通過邊緣檢測引導工業機器人完成動作任務。

2 工業機器人視覺系統在電氣自動化中的應用

2.1 識別

工業機器人視覺系統在電氣自動化中的識別應用,可以在無接觸的前提下,精準甄別目標物理特征,通過視覺處理和運算功能,幫助工業機器人對識別目標的外形、顏色、尺寸、條碼等特征做出高準確度識別,進而通過對比、處理場景生成操作指令。在外形識別過程中,為實現自動化生產線檢測,工業機器人主要發揮引導抓取和放置操作功能,視覺系統在電氣自動化過程中做出準確定位,引導機械臂準確動作[4]。在顏色檢測過程中,工業機器人視覺系統通過檢測目標外觀存在的缺陷、污染物及其他異常情況,保證大批量工業生產過程中的不同目標適配性。在尺寸測量過程中,工業機器人視覺系統能夠憑借自動測量技術進行目標外觀尺寸的測量,例如表面積、長和寬度等,同時對測量結果進行確定,工業機器人可以從測量數據中準確識別出目標幾何尺寸。在光學字符閱讀識別過程中,工業機器人視覺系統通過對圖像進行處理、分析和理解識別不同模式的目標。例如,針對二維碼的識別,工業機器人可以通過視覺系統對不同二維碼進行讀取,準確跟蹤、溯源管理目標,在此過程中,識別速度是衡量視覺系統應用效果的關鍵指標[5]。

2.2 測量

工業機器人視覺系統綜合光學、機械、電子、計算機軟硬件等技術,涉及計算機、圖像處理、模式識別、AI、信號處理、光機電一體化等不同領域。根據工業機器人視覺系統中的D-H正向運動學模型和微分運動學模型,建立機器人視覺測量模型,通過高精度二維視覺定位技術和3D視覺定位技術將成功獲取的圖像像素信息,標定成為電氣自動化常用的度量衡標準,通過工業機器人的視覺手段測量目標外觀尺寸,同時進行目標輪廓、孔徑、高度、寬度、間距和面積的測量,通過測量完成工業生產的產線需求,主要應用于電氣自動化的高精度、復雜形態測量[6]。例如,通過工業機器人與視覺系統的科學結合,能夠完成更加精準的焊接、加工、搬運等工作。焊接機器人的應用十分普遍,具備抗疲勞、高精準、抗干擾特征,應用焊接機器人可以取代人工焊接,確保焊接質量一致性,提升焊接作業效率,直觀地反饋焊接作業質量。加工機器人對工作環境要求較低,具備持續加工能力,有能力完成高精度、大批量、高難度復雜加工任務。搬運機器人可以適應電氣自動化生產線搬運任務,降低安全隱患的同時,有效減小危險品、輻射品產生的人體傷害。

2.3 定位

工業機器人融合綜合導航定位、路徑規劃、避障、多傳感功能,主要借助視覺傳感器完成并獲取目標的位置信息(二維或是三維),進而借助視覺系統(單目、雙目、多目、RGB-D)、攝像頭或攝像機、視頻信號數字化設備、數字信號處理器等外部設備獲取目標圖像,通過準確分析進行環境光學處理,壓縮成功采集的圖像信息后反饋至工業機器人的神經網絡+統計學算法構成的系統,經由關聯圖像信息與工業機器人實際位置完成定位應用。在電氣自動化中應用定位操作,可以輔助工作機器人完成裝配和執拾取任務等[7]。工業機器人通過視覺系統進行紅外線定位導航的工作原理,主要通過紅外線IR標識發射帶有無線數據的紅外射線,通過安裝在室內的光學傳感器,接收來自不同移動設備所發射的紅外射線,進行精準的目標定位,總體造價相對高昂。例如,在工業生產過程中,工業機器人的視覺系統能夠快速、準確地確定被測零部件目標的位置,上、下料使用機器人視覺系統做出定位,引導機器人的機械臂準確抓取目標。在一些半導體封裝作業中,封裝設備需要根據工業機器人的視覺系統準確獲取芯片的位置信息,及時進行拾取頭的方向調整,在準確拾取芯片目標后實施綁定操作,這就是工業機器人視覺系統定位應用在工業生產過程中最基本的實際應用。

2.4 檢測

工業機器人視覺系統在電氣自動化中的檢測應用主要針對目標表面狀態,精準判斷目標是否存在缺陷。平板顯示器行業主要包括生產LCD拼接屏、LED顯示屏、OLED顯示屏等不同類型的顯示元器件,在工藝流程上較為復雜,其中,LCD拼接屏是主要的顯示技術,行業對其生產質量和品控要求極高,工業機器人視覺系統作為0接觸、高精度、高速度的技術操作系統,其檢測能力成為檢測LCD拼接屏的關鍵技術手段。從前端ITO導電玻璃檢測、液晶屏背光模組檢測,In-Cell、On-Cell及OGS全貼合屏幕、COG設備、視覺對位全貼合、激光切割機、飛針測試機等,能夠顯著提升LCD拼接屏生產制造商的核心競爭力[8]。

印制電路板是電子元器件電氣相互連接的載體,在行業發展已經十分成熟的當下,行業針對高性能印制電路板的工業制造要求逐漸提升制造標準。隨著撓性板、多層板、HDI 板及IC封裝基板等印制電路板制造技術的發展,對印制電路板生產工藝提出較高技術制造要求。在印制電路板制造過程中,工業機器人的視覺系統已經得到廣泛的技術應用,例如,在菲林AOI激光檢測機、PCB 電路板的AOI光學檢測設備、PCB板外觀檢查機AVI、印制電路板內層板AXI測試、PCB板絲網印刷、激光全自動曝光機、SPI串行外設接口設備、打孔機等設備中,工業機器人的視覺定位系統可以憑借應用檢測技術,實現快速、精準的目標質量檢測和品控過程,提高工業制造過程中的產品生產質量和生產效率,是設備高性能提升的關鍵性保障。

3 結語

工業機器人的視覺系統能夠在電氣自動化中實現識別、測量、定位和檢測應用,有效降低工業生產過程中的誤差,大幅度降低人力資源成本的消耗,降低智能制造的生產成本。隨著智能制造對工業生產的要求逐漸提高,工業機器人需要依托工業軟件技術、大數據技術、人工智能技術、現場總線技術、工業互聯網技術、信息安全技術、可編程邏輯控制器技術、工業機器人視覺技術、數控技術、變頻伺服技術、啟動液壓技術、電工電子技術、傳感技術、射頻識別技術和視覺技術集成智能制造技術體系,解決由供料、輸送線體、加工單元、機器人、倉儲、工控、人機交互、機器視覺、數據采集系統等硬件和CAD/CAM/CAE、計算機虛擬仿真、MES、PLM、工控、機器視覺等軟件構成的智能制造生產示范線自動化過程中存在的問題,持續優化電氣自動化系統,實現大規模定制、生產設備網絡化、生產數據可視化、生產文檔無紙化、生產過程透明化、生產現場無人化等,最終提升我國電氣自動化的發展水平以及中國制造水平。