基于智能抓取的精定位器具調(diào)試方法研究

智能制造作為新一代工業(yè)革命的核心，目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、高效化和精準(zhǔn)化。在這一背景下，自動(dòng)上料系統(tǒng)作為智能制造的重要組成部分，其重要性日益凸顯。

自動(dòng)上料系統(tǒng)旨在解決傳統(tǒng)人工上料方式中存在的效率低、成本高、精度差等問題1。通過引入先進(jìn)的機(jī)器視覺技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)及精定位器具，自動(dòng)上料系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物料的快速識(shí)別、精準(zhǔn)定位與高效上料，顯著提升生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。

機(jī)器視覺技術(shù)作為自動(dòng)上料系統(tǒng)的“眼睛”，通過高精度攝像頭捕捉物料圖像，并利用先進(jìn)的圖像處理算法對(duì)圖像進(jìn)行分析與處理[2]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的快速識(shí)別與初步定位。這一技術(shù)不僅提高了物料識(shí)別的準(zhǔn)確性和速度，還為后續(xù)的精準(zhǔn)定位與上料提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。機(jī)器人技術(shù)則是自動(dòng)上料系統(tǒng)的“手臂”，通過編程控制機(jī)器人按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)3，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的抓取、搬運(yùn)與放置。機(jī)器人技術(shù)的引入不僅降低了人力成本，還提高了上料的穩(wěn)定性和可靠性。此外，隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制精度、負(fù)載能力、靈活性等方面均得到了顯著提升，為自動(dòng)上料系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了有力保障。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，單純依靠機(jī)器視覺與機(jī)器人技術(shù)往往難以達(dá)到極高的上料精度，同時(shí)機(jī)器視覺受限于操作環(huán)境以及產(chǎn)品件與視覺模板的匹配度，在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)視覺誤判導(dǎo)致產(chǎn)品件的抓取失敗和損壞，大大降低了自動(dòng)上料的效率，同時(shí)增加了成本損耗。因此，精定位器具的引入顯得尤為重要，對(duì)物料進(jìn)行微調(diào)與定位，確保物料在被抓取前達(dá)到極高的位置與姿態(tài)精度。這一技術(shù)的加入，使得自動(dòng)上料系統(tǒng)的整體性能得到了顯著提升。

智能抓取

智能抓取系統(tǒng)總體包含機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器視覺以及精定位器具三部分，其中精定位器具的引入大大提高了定位抓取的效率，降低了由于視覺失靈造成的生產(chǎn)線停轉(zhuǎn)，避免影響生產(chǎn)節(jié)拍。同時(shí)，精定位器具的調(diào)試是適應(yīng)后續(xù)不同生產(chǎn)條件的關(guān)鍵，提高對(duì)于不同生產(chǎn)需求以及生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性4。

1.機(jī)器人技術(shù)

機(jī)器人技術(shù)包含對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、機(jī)器人動(dòng)作的規(guī)劃以及編程。

2.機(jī)器視覺

機(jī)器視覺是基于傳感器和工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體的姿態(tài)識(shí)別，并指引機(jī)器人根據(jù)中控系統(tǒng)的動(dòng)作設(shè)計(jì)完成相關(guān)操作。

3.精定位器具

在機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器視覺研究完備的基礎(chǔ)上，精定位器具作為高適應(yīng)性部分連接上料環(huán)節(jié)與生產(chǎn)節(jié)拍。精定位器具主要包含精定位料框和精定位料框庫位。

（1）精定位料框精定位料框是一種高精度的工位器具，用于生產(chǎn)過程中對(duì)物料進(jìn)行精確定位和固定。其設(shè)計(jì)可以適應(yīng)不同形狀和尺寸的物料，并且可以通過調(diào)整參數(shù)來滿足不同定位要求。

其中，精定位料框采用銷孔定位等高精度的定位技術(shù)，確保物料在料框中的準(zhǔn)確位置，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[5。同時(shí)料框結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠確保物料在運(yùn)輸和加工過程中的穩(wěn)定性，減少物料損壞和返工率。定位方式可根據(jù)生產(chǎn)線需求進(jìn)行選擇和組合，實(shí)現(xiàn)最佳的定位效果。圖1所示為焊接生產(chǎn)線頂蓋、車門定位料框。

精定位料框分為產(chǎn)品件平放和產(chǎn)品件豎放兩種，圖2所示是產(chǎn)品件平放和豎放。

以圖3所示焊接生產(chǎn)線產(chǎn)品件平放精定位料框結(jié)構(gòu)為例，其組成包括基準(zhǔn)平面、焊接框架、防護(hù)網(wǎng)、標(biāo)志牌安裝處、叉車鏟口、防撞條、堆垛凹槽、膠墊、立柱組件和基準(zhǔn)孔。

它們的作用分別為：

1）基準(zhǔn)平面：上基準(zhǔn)平面用于安裝立柱組件，是整個(gè)精定位料框的安裝基準(zhǔn)。

焊接框架：焊接工藝可以將鋼結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件牢固地連接在一起，形成整體受力體系，使得結(jié)構(gòu)在承受荷載時(shí)能夠更均勻地分布力量，提高結(jié)構(gòu)的安全性。

防護(hù)網(wǎng)：防護(hù)網(wǎng)還可以防止產(chǎn)品件掉落，從而保護(hù)周圍的人員和設(shè)備的安全。它能夠承受一定的沖擊力，減輕掉落物體對(duì)下方區(qū)域的傷害。

2）標(biāo)志牌安裝處：便于料框的識(shí)別與管理。

堆垛頂端：堆垛頂端的設(shè)計(jì)可以提供多層放置的的支撐點(diǎn)，使得整個(gè)堆垛結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固。這些頂端可以與其他物體的凹進(jìn)部分或?qū)Ｓ弥渭芘浜希纬煞€(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。

3）叉車鏟口：與叉車配合，便于料框轉(zhuǎn)移過程中的穩(wěn)固性和牢固性。

4）防撞條：對(duì)相撞時(shí)進(jìn)行緩沖，從而減輕對(duì)料框的沖擊。這種緩沖作用雖然不能完全避免碰撞造成的損害，但能夠在一定程度上降低損害程度。

膠墊：起保護(hù)地面作用。

堆垛凹槽：堆垛凹槽的設(shè)計(jì)主要是多層放置的時(shí)候，放在堆垛頂端上面，形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。

5）立柱組件：應(yīng)用高精度組件，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品件的裝配和定位（見圖4）。

6）基準(zhǔn)孔、平面：基準(zhǔn)孔和基準(zhǔn)平面被廣泛應(yīng)用于校準(zhǔn)和校驗(yàn)精定位料框上組件的基準(zhǔn)。通過測(cè)量工具利用基準(zhǔn)孔建立坐標(biāo)系，可以確定精定位料框上組件的偏差和誤差，從而進(jìn)行校準(zhǔn)和修正，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，保證機(jī)械手臂抓取產(chǎn)品件時(shí)坐標(biāo)的精度。

平放料框的功能主要通過立柱組件實(shí)現(xiàn)。立柱組件由立柱、導(dǎo)軌、壓舌板、連桿、支撐銷和連桿組成，壓舌板中部開有螺栓孔，依次固定在安裝面上。其中最重要的是根據(jù)定位基準(zhǔn)和工件的特點(diǎn)，選擇合適的定位元件，這些元件應(yīng)該具有高精度、高剛度和高耐磨性，以確保工件能夠被準(zhǔn)確定位（面精加工Ra1.6μm ，定位塊采用45鋼，調(diào)質(zhì)，線切割，HRC55定位銷；外觀面：尼龍、聚氨酯等）。

在放料時(shí)，料框最下方的壓舌板立柱上的壓舌板由于自重圍繞固定螺栓向下旋轉(zhuǎn)，被落回支撐銷阻擋，壓舌板前段伸出安裝面 10mm ，現(xiàn)在位置稱為一級(jí)初始位置，往上的其余壓舌板相同，但落回支撐銷相對(duì)于安裝孔比最后一個(gè)的位置向下 8mm ，以使壓舌板末端與安裝面平齊，保證抓手放件可以放到最下端當(dāng)抓手放置第一個(gè)件時(shí)，使最下方的壓舌板到達(dá)1級(jí)放件位置，連接在末端的連桿向上拱起，使第二級(jí)的壓舌板伸出一小部分，當(dāng)?shù)诙€(gè)件放下后重復(fù)第一個(gè)件的過程，往后依次類推，直至整個(gè)料框放完。當(dāng)機(jī)器人抓手取件時(shí)，從最上面的件開始依次取，取完一個(gè)，相對(duì)應(yīng)的壓舌板由于自重向下旋轉(zhuǎn)，與落回支撐銷接觸，使壓舌板的末端與立柱安裝面平齊，避免抓手取下一個(gè)件發(fā)生干涉，直至取完。

（2）精定位料框庫位包括基準(zhǔn)小車和庫位。

1）基準(zhǔn)小車。庫位由小車配合使用，起著承上啟下的作用，一方面承載料框，另一方面與庫位配合起定位作用。小車由外導(dǎo)向、萬向輪、AGV導(dǎo)向、AGV牽引裝置、基準(zhǔn)定位銷、基準(zhǔn)定位平面和限位裝置組成。

2）庫位。氣缸還可以與其他定位機(jī)構(gòu)（如導(dǎo)向軌、限位開關(guān)等）配合，確保貨物能夠準(zhǔn)確停放在指定位置。

光電傳感器、壓力傳感器等可以監(jiān)測(cè)庫位內(nèi)的安全狀況，如防止碰撞、過載等情況的發(fā)生

驗(yàn)證試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

1.精定位料框的預(yù)備工作

（1）確定定位基準(zhǔn)選擇合適的定位基準(zhǔn)是精定位工位器具定位的關(guān)鍵8。根據(jù)產(chǎn)品件的空間位置，方便取件的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）調(diào)整定位元件根據(jù)定位基準(zhǔn)和工件的特點(diǎn)，調(diào)整定位元件的位置和姿態(tài)，確保定位元件與工件之間的配合精度。產(chǎn)品件間距位置采用精加工銷孔定位，不調(diào)整；兩個(gè)以上的工位器具，為保證高度統(tǒng)一，立柱采用墊片調(diào)整，與產(chǎn)品件非支撐對(duì)應(yīng)的面采用立柱橢圓口調(diào)整；基準(zhǔn)小車的軸承采用墊片。

（3）固定定位元件將定位元件固定在精定位工位器具上，確保定位元件的位置和姿態(tài)在加工過程中保持不變。（整個(gè)框架/基準(zhǔn)面），通過測(cè)量裝置對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，確定工件的位置和姿態(tài)是否符合要求。

2.精定位料框的檢測(cè)

（1）檢測(cè)基準(zhǔn)三坐標(biāo)檢測(cè)時(shí)，以料框的底部平面和孔為基準(zhǔn)，建立坐標(biāo)系。在后續(xù)自主上料時(shí)，料框上面所有的位置度都是在檢測(cè)基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整。為檢測(cè)方便，檢測(cè)時(shí)可將工位器具翻轉(zhuǎn)進(jìn)行檢測(cè)（或加工專用檢測(cè)平臺(tái)）。

（2）立柱檢測(cè)因是工位器具，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但調(diào)整復(fù)雜。檢測(cè)時(shí)先檢測(cè)立柱的垂直度，檢測(cè)安裝面的上下兩個(gè)點(diǎn)（ ±2mm ）。檢測(cè)上下定位塊的（產(chǎn)品件）側(cè)面，側(cè)面的偏差只允許偏離產(chǎn)品 0.5～1.5mm ，不允許偏向產(chǎn)品件。對(duì)于定位孔直徑小于 8mm 的產(chǎn)品件，側(cè)面的偏差只允許偏離產(chǎn)品 0.5mm 以內(nèi)。檢測(cè)定位塊，產(chǎn)品件支撐面誤差控制在 ±2mm 內(nèi)。檢測(cè)導(dǎo)向，只要求與產(chǎn)品件相對(duì)應(yīng)的方向，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)同定位塊的側(cè)面，偏差只允許偏離產(chǎn)品 0.5～1.5mm ，不允許偏向產(chǎn)品件。

產(chǎn)品件側(cè)面偏差對(duì)機(jī)器人抓取有很大的影響，所以調(diào)試過程中側(cè)面與基準(zhǔn)的偏差值非常重要，過大和過小都會(huì)造成不良的影響。如果間隙過小，易造成產(chǎn)品件變形，過大導(dǎo)致產(chǎn)品件的位置發(fā)生變動(dòng)，抓手抓壞件。所以為了尋找最佳的間隙，調(diào)整不同間隙，分別抓取100個(gè)件，記錄抓件合格的次數(shù)，見表1。

3.機(jī)器人的調(diào)試方法

1）初次調(diào)試必須以拆垛的方式去調(diào)試，通過后，可進(jìn)行視覺調(diào)試（避免后期視覺故障，整個(gè)抓取工作無法進(jìn)行）。

2）調(diào)試時(shí)，先把產(chǎn)品放置最后一層，進(jìn)行抓取調(diào)

試，抬升過程中，不能出現(xiàn)產(chǎn)品的剮蹭現(xiàn)象，然后在最上端進(jìn)行抓取調(diào)試，保證最底層和最上層每個(gè)支柱的兩點(diǎn)垂直。

3）完成后，利用最上端產(chǎn)品件的程序軌跡，直接調(diào)用步進(jìn)軌跡，按照料框的設(shè)計(jì)層數(shù)尺寸進(jìn)行設(shè)置步進(jìn)尺寸。

精定位器具拆垛調(diào)試

首先AGV小車運(yùn)載對(duì)應(yīng)料框進(jìn)入第一個(gè)庫位，接下來對(duì)料框和庫位分別按步驟調(diào)試（見圖5）。

1）如圖6所示，將產(chǎn)品件1放置于料框最上層，調(diào)整機(jī)器人相對(duì)于產(chǎn)品1的位置，使抓手所有定位點(diǎn)與產(chǎn)品件接觸。由于產(chǎn)品件有微小差異，要記錄不同產(chǎn)品件，未接觸定位點(diǎn)與產(chǎn)品件之間的相對(duì)距離，調(diào)整機(jī)器人定位坐標(biāo)，保證定位點(diǎn)與機(jī)器人之間距離最小，抓取姿勢(shì)最優(yōu)。

2）經(jīng)過步驟1的機(jī)器人手臂位姿調(diào)整后，將產(chǎn)品件1通過機(jī)械手臂下移，放置于料框最下層（圖5中產(chǎn)品件2的所在位置）時(shí)，識(shí)別此時(shí)產(chǎn)品件與壓舌間隙是否一致（可存在1mm之內(nèi)誤差）。

如果一致，則此步驟調(diào)試通過。若不一致（見圖6），則通過機(jī)械抓手調(diào)整產(chǎn)品件與壓舌的間隙（在示教器內(nèi)調(diào)整抓手的X或Y坐標(biāo)值），使此間隙與產(chǎn)品件在最上層時(shí)一致（可存在1mm之內(nèi)誤差）。根據(jù)系統(tǒng)返回的調(diào)整后定位銷位置坐標(biāo)以及在最上層時(shí)定位銷位置坐標(biāo)，求解調(diào)整前后偏移角度對(duì)應(yīng)的調(diào)整機(jī)器人坐標(biāo)系。調(diào)完后，要記錄最上端和最下端壓舌與產(chǎn)品件的間隙，用于后續(xù)的料框調(diào)整參考。

最上層料框相對(duì)于最下層料框，可能發(fā)生兩種方向的偏移值，分別為X軸方向和Y軸方向。以X坐標(biāo)值方向發(fā)生偏移為例，因?yàn)榈谝粋€(gè)料框的水平基準(zhǔn)以及庫位的基準(zhǔn)已經(jīng)在準(zhǔn)備工作中進(jìn)行調(diào)整，視為標(biāo)準(zhǔn)。

由于兩個(gè)坐標(biāo)系建立的原點(diǎn)不一致，相對(duì)位置有平移，其示意圖如7所示。

此時(shí)平移后坐標(biāo)用向量進(jìn)行表示，可以表示為

最上層料框相與最下層料框壓舌 X 方向間隙不一致時(shí)，考慮坐標(biāo)系的變換，視為坐標(biāo)系繞Y軸進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)，在不考慮平移的情況下，坐標(biāo)系示意如圖8所示。

此時(shí)旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)前坐標(biāo)系可以通過等式表示

進(jìn)一步可以表示為

表示為向量則得到：

將此調(diào)試中的情況規(guī)定為坐標(biāo)系先進(jìn)行了平移后進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)，若要對(duì) {j} 坐標(biāo)系進(jìn)行校正，使其與 {i} 坐標(biāo)系重合，進(jìn)一步推導(dǎo)聯(lián)合變換的情況：

計(jì)算出偏移角度 a ，得到旋轉(zhuǎn)平移矩陣修正坐標(biāo)系。同時(shí)在X向出現(xiàn)壓舌間隙調(diào)整時(shí)，坐標(biāo)系偏移角度a 計(jì)算方式如下

其中， Δ Z為最上層與最下層Z坐標(biāo)的正向差值，ΔX 為抓手在最下層進(jìn)行調(diào)整時(shí)的坐標(biāo)偏移距離，可以根據(jù)定位銷返回中控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

調(diào)整后，由于要相應(yīng)的調(diào)整機(jī)器人坐標(biāo)角度，機(jī)械抓手在最上層的角度也發(fā)生了相應(yīng)的變化，如果偏移角度在 ±1.5^° 之內(nèi)，則忽略此變化對(duì)抓取產(chǎn)品件時(shí)的定位影響；如果偏移角度過大，則需要在可控范圍內(nèi)調(diào)整機(jī)械手臂位姿，確保定位銷與產(chǎn)品件不發(fā)生干涉。

3）更換庫位進(jìn)行抓取，此時(shí)，水平基準(zhǔn)和立柱無需再調(diào)整，需要按照在第一個(gè)庫位的步驟1和步驟2進(jìn)行調(diào)試。雖然在第一個(gè)庫位已對(duì)機(jī)器人以及料框進(jìn)行調(diào)試通過，但是由于不同庫位地面平整度不一致，若在對(duì)不同層產(chǎn)品件抓取時(shí)出現(xiàn)偏差，操作同步驟2最上層和最下層的產(chǎn)品件與壓舌間隙不一致情況下的操作。同時(shí)，也需要記錄最上端和最下端壓舌與產(chǎn)品件的間隙。

4）更換料框2，把產(chǎn)品2放置在料框最下邊一層，進(jìn)行抓取調(diào)試。機(jī)器人抓取后，按照Z坐標(biāo)軸方向抬升，抬升過程中，不斷地觀察所有立柱的導(dǎo)向，不允許別蹭產(chǎn)品件，有問題必須調(diào)整整個(gè)立柱，不允許單獨(dú)調(diào)整導(dǎo)向，直至在最下方一層抓取產(chǎn)品件時(shí)不發(fā)生剮蹭。

同時(shí)觀察產(chǎn)品件與壓舌間隙，若產(chǎn)品件在最上層和最下層時(shí)與壓舌間隙超過1mm誤差允許，則考慮是發(fā)生了誤差累積。需要觀察步驟2中記錄的間隙數(shù)據(jù)，看最下層相對(duì)于最上層是往靠近壓舌方向誤差偏移，還是往遠(yuǎn)離壓舌方向誤差偏移，對(duì)比本步驟產(chǎn)品件與壓舌間隙，進(jìn)行微調(diào)。

5）在進(jìn)行步驟1、步驟2、步驟3和步驟4調(diào)整后，在料框最下層和最上層放置2個(gè)產(chǎn)品件，位置如圖6所示。然后，讓機(jī)器人快速抓取這兩個(gè)產(chǎn)品件，通過即為合格。此操作在于檢查自動(dòng)抓取產(chǎn)品件的效率。

6）最后，將多件產(chǎn)品件放置在立柱組件上，根據(jù)最上層產(chǎn)品件初始位置，設(shè)定初始抓取坐標(biāo)，在Z軸方向按照固定間隔逐層下移抓取產(chǎn)品件，此為拆垛，用于在機(jī)器視覺失靈時(shí)保證自動(dòng)上料工作的正常進(jìn)行。

結(jié)語

將精定位器具應(yīng)用于焊接線生產(chǎn)時(shí)的自動(dòng)上料過程具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義，能夠有效提高自動(dòng)上料過程的定位準(zhǔn)確度和效率，大大減少了人力成本。同時(shí)，保證了由于機(jī)器視覺失靈時(shí)自動(dòng)上料過程的正常進(jìn)行，減少機(jī)械手臂定位不準(zhǔn)造成的壞件。

本文意在針對(duì)自動(dòng)上料系統(tǒng)的精定位器具提出可靠有效的流程，使其適用于不同操作現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線中對(duì)于機(jī)器視覺、機(jī)器人技術(shù)尤其是精定位料框的調(diào)試，應(yīng)用此調(diào)試方法可以使精定位器具與機(jī)器視覺以及機(jī)器人技術(shù)的配合程度更高。

參考文獻(xiàn)：

[1]李松林.基于工業(yè)機(jī)器人的數(shù)控車床自動(dòng)上下料系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2023.

[2]王建，趙紅霞.基于FPGA的圖像處理探究[J].信息通信，2021，34（3）：79-82.

[3]鐘靖，姜萬生，秦現(xiàn)生，等.基于機(jī)器人技術(shù)的自動(dòng)上下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2014（7）：60-63.

[4]王健.沖壓車間生產(chǎn)線物流工位器具的改善設(shè)計(jì)分析[J].科學(xué)與信息化，2017（33）：54-56.

[5]黃佳興.基于圖像識(shí)別的銷孔對(duì)準(zhǔn)與插接裝置設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：湖南工業(yè)大學(xué)，2023.

[6]余科學(xué)，陳季蘭，張瑞海，等．一種推拉式精定位料框結(jié)構(gòu)：202021034807.4[P].2024-10-10.

[7]董小瓊，程繼興，蒲新征.傳感器技術(shù)與檢測(cè)[M].北京：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2012.

[8]黃新勝，鞠佳東，任鵬遠(yuǎn)，等.工位器具的精度檢測(cè)方法和裝置：CN202110215144.9[P].2024-10-10.