視覺控制數(shù)控機(jī)床機(jī)器人上下料PLC 編程及研究

廖志青，韓 偉，魏文鋒，劉楚生

（1.廣州城市理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣州 510800；2.廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣州 510700）

我國汽車產(chǎn)業(yè)自改革開放以來，作為最早開放的行業(yè)，一直是國家發(fā)展戰(zhàn)略層面的重要支柱產(chǎn)業(yè)。“十三五”規(guī)劃中，將汽車劃入重點(diǎn)領(lǐng)域智能工廠應(yīng)用示范工程，在規(guī)劃實(shí)施期間，行業(yè)通過技術(shù)升級(jí)，在汽車核心技術(shù)、制造水平、整車裝配精度等方面都有了巨大的提升與明顯的進(jìn)步。

為了提高現(xiàn)代汽車制造企業(yè)的生產(chǎn)效率和無人化智能制造水平，文獻(xiàn)[1]提出采用機(jī)器人代替人工作業(yè)；文獻(xiàn)[2]提出采用機(jī)器視覺代替人工分揀。本項(xiàng)目將機(jī)器人技術(shù)與機(jī)器視覺相結(jié)合，使用機(jī)器人自動(dòng)上下料，視覺系統(tǒng)定位獲取零件的隨機(jī)擺放位置，使用生產(chǎn)全域的無人看管、自動(dòng)化加工控制，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率及加工精度。

1 視覺控制機(jī)器人上下料的系統(tǒng)組成及工作流程

基于視覺控制的智能產(chǎn)線比傳統(tǒng)的專機(jī)上下料方式更容易進(jìn)行不同零件之間的更換，具有更高的自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢，能減少機(jī)床的輔助加工時(shí)間和輔助托盤系統(tǒng)成本。同時(shí)也對(duì)視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、機(jī)器人動(dòng)作的位置和精度控制、數(shù)控機(jī)床加工程序啟動(dòng)節(jié)拍和傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)的協(xié)調(diào)性提出了更高的要求，運(yùn)用PLC 控制技術(shù)和快捷可靠的通信連接方法才能實(shí)現(xiàn)[3]。

1.1 產(chǎn)線系統(tǒng)的組成和通信連接

用于缸蓋和缸體柔性變換加工的產(chǎn)線，如圖1所示。由3 臺(tái)加工中心、機(jī)器人及行走軸、輸送系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)組成。3 臺(tái)加工中心分別完成缸體零件V 形斜面孔的精銑加工，側(cè)面、底面幾何形狀精銑以及鉆孔和攻牙等加工內(nèi)容。

圖1 柔性數(shù)控加工產(chǎn)線通信連接Fig.1 Flexible CNC machining production line communication connection

在產(chǎn)線傳送帶的側(cè)上方，安裝了3 組視覺光源和相機(jī)，同時(shí)FANUC-R-30iA 控制器控制柜主板上設(shè)有JRL6A、JRL6B、JRL6C 和JRL6D 等共6 個(gè)照相機(jī)復(fù)用連接接口，通過多路視頻切換器和圖像處理平臺(tái)與3 組相機(jī)及配屬的光源連接。系統(tǒng)采用西門子S7-1500PLC 控制器，通信連接形式為開放的PROFINET 數(shù)據(jù)總線連接架構(gòu)，與視覺系統(tǒng)、機(jī)器人控制器以及數(shù)控機(jī)床的互聯(lián)互通，將現(xiàn)場設(shè)備層、控制軟件層和系統(tǒng)管理層集成為一體化的數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場總線交換、診斷、管理和維護(hù)。如圖1 所示，PROFINET-RT 實(shí)時(shí)系統(tǒng)用于PLC控制器與I/O 設(shè)備通訊，滿足數(shù)控加工產(chǎn)線的實(shí)時(shí)快速同步通信要求。

1.2 視覺控制機(jī)器人上下料數(shù)控加工的工作流程

工件在完成清理打磨工序后吊裝至傳送帶上無序放置，存在傾斜和錯(cuò)位等情況，需要首先經(jīng)過視覺系統(tǒng)精確的三維空間定位數(shù)據(jù)，根據(jù)加工時(shí)零件在機(jī)床上準(zhǔn)確裝夾的視覺標(biāo)定模板，驅(qū)使機(jī)器人調(diào)整關(guān)節(jié)角度和位置對(duì)準(zhǔn)零件，才能將零件準(zhǔn)確可靠抓取起來[4]，如圖2 所示。

圖2 視覺控制機(jī)器人上下料動(dòng)作Fig.2 Vision controls the loading and unloading movements of the robot

經(jīng)過壓鑄成型并清理切除澆冒口的缸體零件，首先由機(jī)器人吊裝至數(shù)控加工產(chǎn)線傳送帶上的制定區(qū)域內(nèi)，視覺系統(tǒng)第1 組斜置相機(jī)對(duì)放入的零件進(jìn)行拍照。確認(rèn)零件已完全放置在規(guī)定區(qū)域內(nèi)便觸發(fā)傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，傳送帶運(yùn)送零件至視覺定位拍照區(qū)域時(shí)，由第2 組相機(jī)對(duì)視界區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)零件進(jìn)行拍照，并將零件位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)反饋至系統(tǒng)與視覺圖像模板進(jìn)行比對(duì)，得出零件的角度和位置偏移量。機(jī)器人則根據(jù)偏移量抓取傳送帶上的待加工零件，再根據(jù)機(jī)床上加工時(shí)的準(zhǔn)確裝夾位置進(jìn)行二次偏移調(diào)整，對(duì)準(zhǔn)機(jī)床上的加工裝夾位置后將零件放入，數(shù)控機(jī)床在工控系統(tǒng)PLC 指令下啟動(dòng)數(shù)控加工流程，完成加工后的零件將被機(jī)器人再次抓取，放回輸送鏈，準(zhǔn)備進(jìn)入下一臺(tái)數(shù)控機(jī)床配屬的視覺系統(tǒng)的視域范圍，由此產(chǎn)線進(jìn)行連續(xù)的上料、加工和下料運(yùn)轉(zhuǎn)過程。

2 視覺相機(jī)和機(jī)器人與PLC 控制器之間的連接控制

由于加工產(chǎn)線包括了數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、視覺相機(jī)和輸送鏈等多個(gè)不同通信協(xié)議支持的子單元，因此各單元之間需要通過數(shù)據(jù)兼容性較強(qiáng)的PLC進(jìn)行動(dòng)作控制，西門子S7-1500PLC 控制器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)兼容能力保證了數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、視覺相機(jī)和輸送鏈等設(shè)備不同制造商設(shè)備之間的兼容性，從而實(shí)現(xiàn)了高標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信的通信接口以及一整套強(qiáng)大的數(shù)字孿生集成技術(shù)功能。

2.1 西門子PLC 與康耐視相機(jī)之間的硬件連接配置

康耐視In-Sight 8000 智能攝像機(jī)以緊湊的形式提供了高速圖像采集、圖像處理軟件和網(wǎng)絡(luò)通信功能，可以將零件定位速度提高多達(dá)10 倍。視覺系統(tǒng)的PLC 控制首先要安裝相機(jī)配置GSD 文件，如圖3（a）所示，打開康耐視控制界面，創(chuàng)建新項(xiàng)目。雙擊“設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)”，打開“網(wǎng)絡(luò)視圖”；選擇“PLC_1”，表示與PLC_1 進(jìn)行Profinet 通訊；然后添加PLC 并將PLC 的IP 地址設(shè)置與相機(jī)在同一網(wǎng)段。再在設(shè)備設(shè)置選項(xiàng)中，添加選擇通信設(shè)備“Siemens”為制造商，選擇西門子S7-1500PLC 以及選擇“PROFINET”協(xié)議通信方式。

圖3 視覺系統(tǒng)與PLC 通信控制連接設(shè)置Fig.3 Visual system and PLC communication control connection settings

在圖3（b）中添加工件顏色識(shí)別結(jié)果和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將設(shè)置顏色結(jié)果數(shù)據(jù)類型為“8 位整數(shù)”；圖像數(shù)據(jù)類型為“32 位浮點(diǎn)型”并勾選“高字節(jié)/低字節(jié)”和“高字/低字”交互數(shù)據(jù)的高低字或者字節(jié)，配置相機(jī)通訊的I/O 地址和相機(jī)采集狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)。然后再進(jìn)行PLC 與相機(jī)之間的變量通信和監(jiān)控調(diào)試，添加PLC 變量后在“默認(rèn)變量表”中輸入通信數(shù)據(jù)的變量和名稱，然后在新建的監(jiān)控表“監(jiān)控表_1”中輸入需要監(jiān)控的變量。通過監(jiān)控對(duì)比PLC 接收到的變量數(shù)據(jù)與相機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)是否一致，如果數(shù)據(jù)一致則說明相機(jī)與PLC 控制器之間通過Profinet 通信發(fā)送數(shù)據(jù)成功。

2.2 西門子PLC 與FANUC 機(jī)器人的連接及配置

西門子S7-1500PLC 擁有PROFINET 通信口并支持PROFINET 總線模式，能夠與FANUC 機(jī)器人R-30iB 控制器上的PROFINET 通信擴(kuò)展板采用網(wǎng)線直連。連接后機(jī)器人系統(tǒng)成為西門子PLC 的從站，西門子S7-1500CPU 則作為PROFINET 總線架構(gòu)的主站。連接配置時(shí)先用普通網(wǎng)線將S7-1500 控制器的PROFINET 通信口與機(jī)器人的PROFINET通信口進(jìn)行連線，然后安裝FANUC 機(jī)器人GSD 文件并在硬件配置中選擇“Options=>Install GSD file”。如圖4 所示，將機(jī)器人的“Start up mode”設(shè)置為“Read In”，使機(jī)器人讀取剛下載的配置。將“Start up mode”設(shè)置為“operation”并保存下載的配置。

圖4 西門子PLC 與FANUC 機(jī)器人連接配置Fig.4 Siemens PLC and FANUC robot connection configuration

然后在PLC 端進(jìn)行雙方的IP 地址設(shè)置和硬件組態(tài)，例如將PLC 的IP 地址設(shè)置為192.168.0.1，機(jī)器人的則設(shè)為192.168.0.2。組態(tài)時(shí)PLC 控制器端IB256 設(shè)為輸入，QB256 則設(shè)為機(jī)器人輸出端，組態(tài)完成后PLC 端就可獲取到通信I/O 地址，雙方的I/O關(guān)聯(lián)地址分別為QB256—DI[1-8]和IB256—DO[1-8]。當(dāng)PLC 需要給機(jī)器人信號(hào)時(shí)，通過QB256 發(fā)送給機(jī)器人，而機(jī)器人需要反饋信號(hào)給PLC 時(shí)，通過DO[1-8]發(fā)送給PLC，由此實(shí)現(xiàn)了PLC 與機(jī)器人之間的實(shí)時(shí)信號(hào)輸送。

3 機(jī)器人上下料動(dòng)作的PLC 編程及系統(tǒng)協(xié)調(diào)節(jié)拍控制

電氣控制系統(tǒng)運(yùn)用PLC 集中控制視覺系統(tǒng)拍照頻率、輸送帶傳送速度和停頓時(shí)序、每臺(tái)數(shù)控機(jī)床加工工序時(shí)段節(jié)拍協(xié)調(diào)，以及機(jī)器人抓取和行走動(dòng)作，運(yùn)用觸摸屏人機(jī)界面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和控制。通過伺服控制的輸送鏈，使零件按照規(guī)定速度到達(dá)拍照點(diǎn)和抓取點(diǎn)，完成產(chǎn)線的協(xié)調(diào)控制運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.1 視覺控制機(jī)器人上下料控制程序和PLC 編程

在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，視覺控制數(shù)控機(jī)床機(jī)器人上下料的工作過程如下：

（1）按下系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，視覺系統(tǒng)、輸送鏈和機(jī)器人開始運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)，機(jī)器人伺服電機(jī)驅(qū)使機(jī)器人啟動(dòng)。當(dāng)?shù)? 組相機(jī)拍攝到零件的圖像后，機(jī)器人手爪運(yùn)動(dòng)到達(dá)傳送帶抓取點(diǎn)位置正前方80 cm 處，發(fā)出機(jī)器人準(zhǔn)備就緒信號(hào)。其PLC 梯形圖程序如圖5所示。

圖5 視覺系統(tǒng)啟動(dòng)PLC 控制程序Fig.5 Visual system startup PLC control program

（2）第2 個(gè)視覺相機(jī)拍攝進(jìn)入定位區(qū)域目標(biāo)零件，拍攝生成隨機(jī)無序零件位置并計(jì)算出偏移位置和角度傳送給機(jī)器人；機(jī)器人J6 軸旋轉(zhuǎn)手爪并調(diào)整位置對(duì)準(zhǔn)零件，機(jī)器人抓取零件。

機(jī)器人夾持零件移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)第1 臺(tái)數(shù)控機(jī)床夾具方向；數(shù)控機(jī)床接到上料準(zhǔn)備信號(hào)，PLC 控制器發(fā)出信號(hào)驅(qū)使數(shù)控機(jī)床安全門打開，同時(shí)視覺系統(tǒng)發(fā)送零件偏移值給機(jī)器人，PLC 程序如圖6 所示。

圖6 機(jī)器人夾持零件送料PLC 程序Fig.6 Robot clamping parts feeding PLC program

（3）機(jī)器人獲取零件偏移值及送料開始信號(hào)，機(jī)器人手爪按偏移值VR[1]進(jìn)行坐標(biāo)系偏差調(diào)整，對(duì)準(zhǔn)零件進(jìn)行夾持。再送入數(shù)控機(jī)床夾具相應(yīng)位置中，然后機(jī)器人返回?cái)?shù)控機(jī)床正前方80 cm 處待命，發(fā)出機(jī)器人送料完成信號(hào)。

在上述運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，機(jī)器人程序和PLC 控制程序同時(shí)交替作用，其中傳送帶根據(jù)PLC 的節(jié)拍控制程序，同步執(zhí)行前進(jìn)、暫停和等待動(dòng)作的配合。為了使系統(tǒng)各部分的運(yùn)轉(zhuǎn)配合協(xié)調(diào)，機(jī)器人程序中必須考慮PLC 控制的動(dòng)作時(shí)序。如在機(jī)器人執(zhí)行手爪關(guān)閉抓取零件時(shí)，傳送帶則配合暫停等待5 s，方便機(jī)器人準(zhǔn)確執(zhí)行抓取動(dòng)作，具體的機(jī)器人動(dòng)作程序編制如下：

1：UFRAME_NUM=1//用戶坐標(biāo)系設(shè)定；

2：UTOOL_NUM=1//工具坐標(biāo)系設(shè)定；

3：R[1：Notfound]=0//成像啟動(dòng)；

4：L P[1]2000mm/sec FINE//夾持器到達(dá)指定成像點(diǎn)；

5：VISION RUN_FIND'A'//調(diào)用視覺模板程序；

6：VISION GET_OFFSET VISION1 VR[1]//獲取當(dāng)前拍攝零件偏移值VR[1]，JMP，LBL[99]，如視覺錯(cuò)誤，跳轉(zhuǎn)至LBL[99]；

7：CALL HANDOPEN//確認(rèn)手爪處于放開；

8：VOFFSET，VR[1] Tool_Offset，PR[1]//把視覺偏差的位置數(shù)據(jù)補(bǔ)償賦值給R1；

9：L P[2：Approach] 500mm/sec FINE VOFFSET VR[1]// 機(jī)器人接近點(diǎn)P2，并按補(bǔ)償值VR[1]進(jìn)行坐標(biāo)系偏差調(diào)整；

10：CALL HAND_CLOSE//機(jī)器人手爪關(guān)閉抓取零件；

11：L P[3：Approach] 500mm/sec FINE VOFFSET VR[2]//夾 持零件轉(zhuǎn)至P3 點(diǎn)，并按補(bǔ)償值VR[2]進(jìn)行偏差調(diào)整對(duì)準(zhǔn)機(jī)床工作臺(tái)；

12：L P[4]2000mm/sec FINE//夾持零件到達(dá)機(jī)床夾具上方P4 點(diǎn)：

13：CALL HANDOPEN//手爪釋放放入零件；

14：L P[1]2000mm/sec FINE//夾持器回到P1；

15：END//程序結(jié)束：

3.2 機(jī)器人上下料的時(shí)序節(jié)拍控制

智能產(chǎn)線系統(tǒng)通過輸送鏈跟蹤I/O 板，連接相機(jī)、機(jī)器人和FANUC 的R-30iA 控制器，再經(jīng)過PLC 控制器進(jìn)行各部分動(dòng)作節(jié)拍的協(xié)調(diào)控制。通過輸送鏈的同步信號(hào)，視覺系統(tǒng)得以接受傳送帶上零件的運(yùn)用情況，從而決定是否啟動(dòng)拍照，將要抓取的目標(biāo)零件在連續(xù)不斷運(yùn)動(dòng)進(jìn)入拍照視域，視覺系統(tǒng)按照事先規(guī)劃好的節(jié)拍進(jìn)行拍照和圖像數(shù)據(jù)處理通信，機(jī)器人便可以處于不斷運(yùn)動(dòng)過程中，避免了機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停的現(xiàn)象。

上述研究內(nèi)容在發(fā)動(dòng)機(jī)零件混流加工的數(shù)字孿生管理控制系統(tǒng)建設(shè)中得到了實(shí)際運(yùn)用，將視覺系統(tǒng)處理零件位置偏移數(shù)據(jù)的時(shí)間設(shè)置為大于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度周期。因此在一個(gè)視覺處理周期之后，視覺系統(tǒng)能夠有充裕的時(shí)間做好下一個(gè)視覺處理周期之內(nèi)的機(jī)器人動(dòng)作數(shù)據(jù)供應(yīng)[5]。

4 結(jié)語

通過對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體數(shù)控加工自動(dòng)化上下料機(jī)器人、視覺系統(tǒng)和輸送鏈等設(shè)備的PLC 編程及協(xié)調(diào)控制問題研究過程，得出以下結(jié)論：ProfiNET 總線通信能夠支持康耐視智能攝像機(jī)與FANUC 機(jī)器人、西門子PLC 集成控制器之間采用網(wǎng)線直連，實(shí)現(xiàn)視覺系統(tǒng)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床和輸送鏈之間集成為一體化的數(shù)字孿生系統(tǒng)；產(chǎn)線運(yùn)行過程中機(jī)器人讀取視覺偏差值進(jìn)行位置調(diào)整和坐標(biāo)系跟蹤的過程，需要通過視覺標(biāo)定和FANUC 視覺跟蹤程序?qū)崿F(xiàn)；通過PLC 集中控制視覺系統(tǒng)拍照頻率、機(jī)器人動(dòng)作、輸送帶傳送速度和數(shù)控機(jī)床加工程序啟停，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工產(chǎn)線系統(tǒng)的的運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)拍協(xié)調(diào)控制。