李銘

摘要：得益于人們生活水平的提高，汽車的需求量與日俱增。無形中促使了汽車產(chǎn)能的飛速提升，當(dāng)前汽車制造行業(yè)已經(jīng)高度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無論是主機(jī)廠還是零配件廠自動(dòng)化水平都非常高。在這其中，機(jī)器人配合視覺協(xié)同作業(yè)作為自動(dòng)化行業(yè)中的新興翹楚扮演著越來越重要的角色。隨著機(jī)器人制造水平，視覺傳感器技術(shù)，控制技術(shù)以及通訊技術(shù)的進(jìn)步，其功能及穩(wěn)定性越來越高。應(yīng)用也越來越廣泛。鑒于此，本文簡要分析整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，以期促進(jìn)機(jī)器視覺的高效利用。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;視覺;擰緊

機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)，它能協(xié)助或取代人類完成工作。機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是通過機(jī)器視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，然后根據(jù)其像素分布、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號;圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng)作。目前機(jī)器視覺來引導(dǎo)機(jī)器人協(xié)同工作在各行各業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，本文簡單介紹其在汽車座椅制造裝配行業(yè)的應(yīng)用及其穩(wěn)定性提高研究。

一、基于PLC控制的機(jī)器視覺引導(dǎo)的機(jī)器人擰緊座椅骨架螺栓系統(tǒng)簡介

該系統(tǒng)控制核心為西門子CPU315-2PN/DP，它有兩個(gè)profinet網(wǎng)絡(luò)接口以及一個(gè)profibus接口。觸摸操作屏為西門子KTP1000，機(jī)器視覺采用康耐視智能相機(jī)，機(jī)器人為發(fā)那科M20ia。電動(dòng)擰緊扭矩扳手為阿特拉斯品牌。二維碼讀取器為康耐視Q150M系列。該系統(tǒng)的主要任務(wù)是擰緊已經(jīng)人工正確擰入兩到三個(gè)螺紋的螺栓，使其達(dá)到最終設(shè)定扭矩。分為正副司機(jī)兩種座椅，每臺座椅四顆螺栓。一臺座椅的生產(chǎn)完成是在一個(gè)托盤上進(jìn)行，而受限于托盤精度以及輸送托盤的線體精度，螺栓的位置不是一成不變的，所以需要引入視覺系統(tǒng)來加以輔助機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。擰緊的螺栓為T50型梅花槽盤頭螺栓，批頭為T50型。座椅到達(dá)既定位置后通過夾具將承載座椅的托盤固定，此時(shí)應(yīng)滿足機(jī)器人在待機(jī)原位置，固定式讀碼器讀取條碼信息比對正副司機(jī)座椅，比對成功后機(jī)器人執(zhí)行既定程序到達(dá)拍照點(diǎn)開始拍照，智能相機(jī)運(yùn)用機(jī)器視覺拍攝的圖片進(jìn)行圖像處理，識別圖片中螺栓的特征以便于精確定位螺栓帽的位置，轉(zhuǎn)達(dá)給PLC，然后PLC再通過運(yùn)算處理來得出偏移量，進(jìn)而控制機(jī)器人準(zhǔn)確將電槍批頭插入螺栓帽，然后在由PLC控制電動(dòng)扳手去將其擰緊到設(shè)定扭矩。達(dá)到設(shè)定扭矩后將扭矩上傳給MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)），座椅擰緊完成后機(jī)器人回歸原點(diǎn)位置，座椅放行到下一工位。

二、系統(tǒng)穩(wěn)定性提高研究

本系統(tǒng)中設(shè)定了擰緊不成功報(bào)警。當(dāng)長時(shí)間達(dá)不到設(shè)定扭矩時(shí)或者阿特拉斯控制器故障引起電動(dòng)扳手無法工作時(shí)，觸摸屏?xí)棾鎏崾韭菟〝Q緊不合格報(bào)警。在實(shí)際運(yùn)行中，常常發(fā)生螺栓擰緊不合格報(bào)警，經(jīng)反復(fù)觀察發(fā)現(xiàn)時(shí)而出現(xiàn)批頭不能完全進(jìn)入螺栓梅花槽等偏差較大的情況。問題指向于智能相機(jī)識別定位螺栓帽的準(zhǔn)確性，此前智能相機(jī)定位螺栓基于梅花槽盤頭螺栓的最小的內(nèi)圓，通過內(nèi)圓來計(jì)算出螺栓中心位置，進(jìn)而反饋到機(jī)器人，使其能夠正確運(yùn)行到螺栓中心點(diǎn)。通過監(jiān)控智能相機(jī)的拍攝圖片，發(fā)現(xiàn)發(fā)生故障時(shí)照片的螺栓內(nèi)圓識別錯(cuò)誤，以至于圓心定位偏。鑒于此，經(jīng)過研究決定增加特征點(diǎn)來加以識別，增加螺帽最外圈的圓以及梅花型輪廓，三管齊下，共同來確定螺栓帽的中心，準(zhǔn)確率直線上升，基本達(dá)到百分之百。這樣識別螺栓中心的問題就解決了。

認(rèn)帽報(bào)警，由于電動(dòng)扳手?jǐn)y帶的批頭在每次旋轉(zhuǎn)擰緊工作后的停留角度與座椅上待擰緊螺栓的梅花槽很難保證一致性，所以在每次認(rèn)帽時(shí)時(shí)而也會(huì)出現(xiàn)阿特拉斯控制器報(bào)警，為了解決這種問題，在電動(dòng)扳手旋轉(zhuǎn)時(shí)啟用兩套程序，即開始認(rèn)帽時(shí)在拍照點(diǎn)以低速旋轉(zhuǎn)并向螺帽進(jìn)入，機(jī)器人行進(jìn)到擰緊點(diǎn)后再啟動(dòng)第二套程序高速旋轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定扭矩。效果好了些，但還是時(shí)而發(fā)生類似情況。通過研究批頭磨損情況，發(fā)現(xiàn)用久了的批頭是故障率會(huì)相對低一些，且越久越明顯，但太久就故障率又高了。既而覺得采用小一號的批頭進(jìn)行試驗(yàn)研究，采用T45型號的批頭進(jìn)行試驗(yàn)，效果明顯好轉(zhuǎn)。但仍然達(dá)不到理想狀態(tài)，由于機(jī)器視覺引導(dǎo)機(jī)器人行走偏移量僅僅是二個(gè)維度，而縱向進(jìn)給量是通過長期試驗(yàn)摸索出來的，即不固定的。所以批頭與阿特拉斯電動(dòng)扳手的連接在垂直于旋轉(zhuǎn)面的縱向是浮動(dòng)連接的，即彈性的。通過彈簧的彈力去支撐批頭縱向前伸。但這個(gè)彈簧的彈力大小就顯得尤為重要，如果彈力太小將無法進(jìn)入螺栓或者啟動(dòng)擰緊旋轉(zhuǎn)時(shí)由于反作用力而將來回進(jìn)出甚至擰花螺栓梅花槽，如果彈力過大將會(huì)出現(xiàn)認(rèn)帽進(jìn)入時(shí)碰撞力過大而導(dǎo)致阿特拉斯控制器報(bào)警，長此以往高速旋轉(zhuǎn)撞擊也會(huì)加速批頭的異常磨損。

二維碼讀取器的選擇上盡量要選擇一些讀取率高，故障率低，識別率強(qiáng)的。市場上常見的讀碼器價(jià)格上從幾百到幾萬都有，質(zhì)量參差不齊。質(zhì)量好的讀碼器讀取二維碼失效的概率會(huì)非常低，當(dāng)然二維碼的打印質(zhì)量也很大程度上影響著讀取成功率，要定期去檢修維護(hù)打印設(shè)備。以免打印模糊不清影響識別率。

三、結(jié)束語

總之，本系統(tǒng)中，為了提高機(jī)器人手臂持電動(dòng)扳手去擰緊位置相對不太固定的螺栓的成功率，我們做了一些改善研究。相機(jī)的圖像處理識別螺帽增加多個(gè)特征校準(zhǔn)，低速旋轉(zhuǎn)認(rèn)帽再高速擰緊，批頭小于螺栓帽一號以及批頭彈簧力量的選擇，最后到二維碼讀取器的選型以及打印設(shè)備的定期維護(hù)，通過這些摸索性改善達(dá)到了預(yù)期效果。隨著智能制造的普及，越來越多的工作被智能機(jī)器設(shè)備取代。但機(jī)器設(shè)備的在模仿人類動(dòng)作時(shí)畢竟需要一些磨合，人可以隨時(shí)靈活調(diào)整動(dòng)作姿態(tài)來適應(yīng)外界因素變化。而機(jī)器人在面對這類變化因素時(shí)只能按照設(shè)定的程序去執(zhí)行。我們需要盡可能多的考慮周全，提高機(jī)器設(shè)備的適應(yīng)性。

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