上海發(fā)那科機器人有限公司

    摘要：本文以一個(gè)機床上下料應用實(shí)例，介紹機器人在智能化機床上下料應用中所涉及到的新技術(shù)，以及機器人在機床上下料領(lǐng)域中的應用前景。著(zhù)重描述了機器人對無(wú)夾具定位工件的自動(dòng)柔性搬運（2D視覺(jué)技術(shù)）以及3D視覺(jué)定位技術(shù)。

    關(guān)鍵詞：自動(dòng)柔性搬運；定位；視覺(jué)定位技術(shù)

    1 前言

    橋箱類(lèi)零件生產(chǎn)具有精度高、加工工序多、形狀復雜、重量重的特點(diǎn)，為提高加工精度及生產(chǎn)效率，各重型汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)紛紛采用數控加工中心來(lái)加工此類(lèi)的零部件。使用數控加工中心加工工件時(shí)，要求工件在工作臺上具有非常高的定位精度，且需要保證每次上料的一致性。由于人工上料這類(lèi)的工件具有勞動(dòng)強度高、上料精度不好控制等缺點(diǎn)，現在正逐步被工業(yè)機器人或專(zhuān)機進(jìn)行上下料所取代。工業(yè)機器人的應用具有重復定位精度高，可靠性高，生產(chǎn)柔性化，自動(dòng)化程度高等無(wú)可比擬的優(yōu)勢。與人工相比，能夠極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)；與專(zhuān)機相比，具有可實(shí)現生產(chǎn)的柔性化，投資規模小等特點(diǎn)。機器人智能化自動(dòng)搬運系統作為減速器殼體加工的重要生產(chǎn)環(huán)節，已經(jīng)在國內重型汽車(chē)廠(chǎng)內取得成功地應用，但在國內應用還不廣泛。在國家經(jīng)濟建設飛速發(fā)展的進(jìn)程中，重型載重汽車(chē)的生產(chǎn)能力及生產(chǎn)力水平亟待有一個(gè)質(zhì)的飛躍，而工業(yè)機器人即是提升生產(chǎn)力水平的強力推進(jìn)器，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

    2 現場(chǎng)布局（見(jiàn)圖1）
                 
                                           圖1  現場(chǎng)布局
    3 項目描述

    該系統使用1臺機器人完成服務(wù)5臺機床進(jìn)行上下料的作業(yè)，系統描述如下：

    1臺FANUC R-2000iB/165F機器人：安裝于行走軸上，實(shí)現整個(gè)系統的上下料動(dòng)作。

    1個(gè)機器人手爪：基于機器人專(zhuān)用手爪單元開(kāi)發(fā)的手爪，非常適用于工件一致性不好的使用情況，并有較高的定位精度和抓持穩定性，定位精度高、耐用性好、維護簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
                           
                                       圖2  手爪
    1個(gè)長(cháng)11m的行走軸：在行走軸導軌上安裝一臺工業(yè)機器人，最大運動(dòng)速度為1.5米/秒，使用FANUC伺服電機驅動(dòng)，具有重復定位精度高、響應速度快、運行平穩、可靠等特點(diǎn)，并專(zhuān)門(mén)設計了防塵罩，保護導軌、直線(xiàn)軸承以及齒條等運動(dòng)部件，大大提高了可靠性和使用壽命。在實(shí)際應用中，導軌安裝于兩條生產(chǎn)線(xiàn)機床的中心線(xiàn)上，所安裝的工業(yè)機器人運動(dòng)范圍完全覆蓋5臺機床以及上下料滑臺區域。從而實(shí)現了1臺機器人服務(wù)5臺機床進(jìn)行上下料作業(yè)。
                    
                                    圖3  行走軸                  
    2臺上下料滑臺：每個(gè)上下料滑臺上有4個(gè)托盤(pán)，每個(gè)托盤(pán)分別可以存放一個(gè)工件。實(shí)現待加工工件的上料，以及加工完成工件的下料。在該系統中，由于使用了視覺(jué)技術(shù)，因此上下料滑臺無(wú)需工件的定位裝置。

    FANUC iR Vision 2DV視覺(jué)系統：該視覺(jué)系統由一個(gè)安裝于手爪上的2D攝像頭完成視覺(jué)數據采集。該視覺(jué)系統作為待加工工件準確抓取的定位方式，省去通常為滿(mǎn)足機器人的準確抓取而必須采用的機械預定位夾具，具有很高的柔性，使得在加工中心上可以非常容易地實(shí)現多產(chǎn)品混合生產(chǎn)。

    FANUC iR Vision 3DL視覺(jué)系統：該視覺(jué)系統由一個(gè)安裝于地面上的3D Laser Sensor完成視覺(jué)數據采集。該視覺(jué)系統解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問(wèn)題。由于待加工工件為毛坯件，機器人抓取工件后，上料的定位孔位置會(huì )發(fā)生變化，甚至工件上料時(shí)的平面度也有變化。該技術(shù)可以自動(dòng)補償位置變化，實(shí)現高精度上料。
                   
                            圖4  3DL視覺(jué)支架
    5臺抽檢滑臺：針對每臺機床有一個(gè)抽檢滑臺，實(shí)現隨時(shí)對該機床工件加工工件質(zhì)量的檢測。

    電氣控制系統：運用人機界面對整個(gè)系統的運行狀態(tài)進(jìn)行監控，采用三菱Q系列PLC控制器，并使用工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現系統中實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數據的傳輸，具有高度可靠性和可維護性。

    安全設備采用門(mén)開(kāi)關(guān)，作為機器人工作區域的安全防護，完全做到人機隔離，確保系統在自動(dòng)運行中的人員安全。

    該套設備的應用極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量穩定性，節省了大批人工，提高了企業(yè)的自動(dòng)化水平，減少了企業(yè)的勞動(dòng)力成本支出，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。

    4 系統流程
               
                                   圖5  系統流程圖
    5 無(wú)夾具定位工件的自動(dòng)柔性搬運

    隨著(zhù)國家和社會(huì )的進(jìn)步，對機械產(chǎn)品的加工也提出了更高的要求，促進(jìn)了機床加工技術(shù)的不斷提高，同時(shí)對機床在加工過(guò)程中工件的上下料方式也提出了更高的要求，現代機械產(chǎn)品的加工具有自動(dòng)化程度高、安全文明、環(huán)保性好（噪音?。?、實(shí)用性強等顯著(zhù)特點(diǎn)和優(yōu)勢，以機器人在機械加工中的自動(dòng)化應用為代表，在各個(gè)加工領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣，將成為現代機械加工的主流輔助設備。

    在國外，在機械產(chǎn)品的加工中使用機器人已經(jīng)非常普遍，它具有速度快、柔性高、效能高、精度高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常成熟的機械加工輔助手段。機器人對無(wú)定位工件的自動(dòng)柔性搬運系統的工作原理，就是利用高清晰攝像頭（vision系統）實(shí)現對無(wú)定位工件的準確位置判斷，在機器人收到信號后，機器人裝上為工件定制的專(zhuān)用手爪去可靠的抓取工件，在與機床進(jìn)行通訊得到上料請求后，最終完成機床的上下料。在各種機械加工行業(yè)中該系統應用廣泛。使用機器人對無(wú)夾具定位工件的自動(dòng)柔性搬運系統可以使生產(chǎn)流水線(xiàn)更加簡(jiǎn)單易于維護，并大幅度降低工人的勞動(dòng)強度，效率和柔性又比較高。該系統結構簡(jiǎn)單、安全文明、無(wú)污染，能在各種機械加工場(chǎng)合進(jìn)行應用，滿(mǎn)足了高效率、低能耗的生產(chǎn)要求。在國內的機械加工，目前很多都是使用專(zhuān)機或人工進(jìn)行機床上下料的方式，這在產(chǎn)品比較單一、產(chǎn)能不高的情況下是非常適合的。但是隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步和發(fā)展，科技的日益進(jìn)步，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，使用專(zhuān)機或人工進(jìn)行機床上下料就暴露出了很多的不足和弱點(diǎn)，一方面專(zhuān)機占地面積大，結構復雜、維修不便，不利于自動(dòng)化流水線(xiàn)的生產(chǎn)；另一方面，它的柔性不夠，難以適應日益加快的變化，不利于產(chǎn)品結構的調整；其次，使用人工會(huì )造成勞動(dòng)強度的增加，容易產(chǎn)生工傷事故，效率也比較低下，且使用人工上下料的產(chǎn)品質(zhì)量的穩定性不夠，不能滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)的需求。使用機器人自動(dòng)柔性搬運系統就可以解決以上問(wèn)題，該系統具有很高的效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩定性，柔性較高且可靠性高，結構簡(jiǎn)單更易于維護，可以滿(mǎn)足不同種類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)。對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，可以很快進(jìn)行產(chǎn)品結構的調整和擴大產(chǎn)能，并且可以大大降低產(chǎn)業(yè)工人的勞動(dòng)強度。在這種趨勢下，對機器人自動(dòng)柔性搬運系統的需求會(huì )大量增加。
                         
                                               圖6  2DV視覺(jué)布置
                          
                                          圖7  2DV視覺(jué)系統操作流程
    FANUC iR Vision 2DV視覺(jué)系統主要是通過(guò)視覺(jué)系統軟件設置，建立視覺(jué)畫(huà)面上的點(diǎn)位與機器人位置相對應關(guān)系。對工件進(jìn)行視覺(jué)成像，與已標定的工件進(jìn)行比較，得出偏差值，即機器人抓放位置的補償值，實(shí)現機器人自動(dòng)抓放。該技術(shù)實(shí)現了機器人在無(wú)夾具定位工件情況下的自動(dòng)柔性搬運。在該上下料系統中，待加工工件形狀復雜，用夾具進(jìn)行定位非常復雜，同時(shí)不利于以后同類(lèi)新產(chǎn)品的擴展。在應用了FANUC iR Vision 2DV視覺(jué)系統后，待加工工件只需放置于上下料滑臺無(wú)定位裝置的托盤(pán)上，實(shí)際情況為待加工工件可以在托盤(pán)上移動(dòng)正負2厘米以及旋轉正負30度。這樣大大減少了在上下料滑臺上的設計工作，保證了系統的擴展功能。

    原理：選一個(gè)待加工工件作為初始工件，通過(guò)2DV視覺(jué)軟件對該工件在攝像頭中的畫(huà)面點(diǎn)位與機器人示教點(diǎn)位的關(guān)系進(jìn)行標定，同時(shí)完成初始工件的特征標定。示教完成的抓取程序為初始工件初始位置的抓取位置，此時(shí)工件抓取偏差值為零。當工件平移或者旋轉后，位置與初始工件的位置發(fā)生變化。通過(guò)2DV軟件，機器人能夠計算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Ｒ。機器人把該偏差值存入位置寄存器PR中。此時(shí)機器人可以通過(guò)把偏差值PR補償到初始抓取位置來(lái)實(shí)現工件的抓取。

    補充：在該上下料的應用中只有一種工件，當有多種工件時(shí)，2DV視覺(jué)系統可以根據不同的工件進(jìn)行多次特征標定，實(shí)現多種工件之間的切換調用。大大提高了系統的可擴展性，柔性度高。

    6 3D視覺(jué)定位技術(shù)

    應用于機器人上料至機床。
                  
                                     圖8  3DL視覺(jué)布置
                         
                                   圖9  3DL視覺(jué)標定畫(huà)面
    攝像頭安裝位置：固定在3DL視覺(jué)支架上。

    該技術(shù)解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問(wèn)題。由于加工工件為毛坯件，機器人抓取工件后，上料的定位孔位置會(huì )發(fā)生變化，甚至工件上料時(shí)的平面度也有變化。對于此種情況，在沒(méi)有3DL視覺(jué)系統的情況下，機器人是無(wú)法實(shí)現對工件的準確上料。

    原理：選一個(gè)毛坯件作為初始工件，通過(guò)3DL視覺(jué)軟件對該工件在攝像頭中的畫(huà)面點(diǎn)位與機器人示教點(diǎn)位的關(guān)系進(jìn)行標定，同時(shí)完成初始工件的特征標定。示教完成的上料程序為初始工件初始位置的上料位置，此時(shí)工件上料偏差值為零。當抓取其它毛坯件后，定位孔位置以及工件的平面度發(fā)生變化。通過(guò)3DL軟件，機器人能夠計算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Z、W、P、Ｒ。機器人把該偏差值存入位置寄存器PR中。此時(shí)機器人可以通過(guò)把偏差值PR補償到初始上料位置來(lái)實(shí)現工件的上料。

    補充：2DV是通過(guò)攝像頭計算平面變化量，3DL是通過(guò)攝像頭和激光綜合計算空間變化量，實(shí)際上是2DV與激光技術(shù)的綜合應用。該技術(shù)的應用大大增加了系統設計的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件設計時(shí)。

    7 軟浮動(dòng)功能（Soft Float）

    應用于工件抓取和機器人機床上、下料步驟。

    該項目中機器人手爪抓取待加工工件位置在毛坯面，各個(gè)毛坯件抓取位置與定位孔位置都有差異。雖然有2DV視覺(jué)補償，但是毛坯面不能作為特征量，導致在機器人手爪抓取工件的位置在不停地變化，機器人無(wú)法補償此偏差。以下是由于毛坯面與定位孔位置變化帶來(lái)的問(wèn)題。

    （1）工件在托盤(pán)內，機器人抓取后，由于毛坯面帶來(lái)的偏差，導致工件在手爪抓取時(shí)有移動(dòng)，偏差大時(shí)與托盤(pán)有摩擦；

    （2）機器人從機床下料時(shí)，由于毛坯面帶來(lái)的偏差，導致手抓不能完全貼合毛坯面，即使強硬貼合上，在工件脫離定位銷(xiāo)時(shí)會(huì )有嚴重的摩擦，導致碰撞報警。

    說(shuō)明：軟浮動(dòng)功能在開(kāi)啟后，機器人可以受外力改變姿態(tài)，改變大小可以通過(guò)參數設置。手爪在抓取毛坯件時(shí)可以根據毛坯面改變姿態(tài)，達到完全貼合，避免碰撞和摩擦。

    補充：該項目中，工件定位孔與機床定位銷(xiāo)（錐形）之間的配合精度達到0.01毫米。機器人本身的重復精度大于0.01毫米，導致工件上料位置偏差。此時(shí)應用軟浮動(dòng)功能，機器人抓取工件運行到定位銷(xiāo)錐度部位，由機床夾具夾緊，機器人通過(guò)軟浮動(dòng)移動(dòng)至上料位置，實(shí)現上料過(guò)程。

    8 結論

    隨著(zhù)國家經(jīng)濟的快速增長(cháng)，重型載重運輸汽車(chē)的需求在不斷地擴大，為滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，各重型汽車(chē)廠(chǎng)在不斷地積極開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，并擴大原有產(chǎn)能。使用機器人服務(wù)加工中心組成柔性加工生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化方式逐步得到廣泛采用，從而在提高生產(chǎn)效率、減少人工成本、保障作業(yè)安全、提高生產(chǎn)品質(zhì)等方面起到了顯著(zhù)作用。機器人自動(dòng)柔性搬運系統具有很高的效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩定性，柔性較高且可靠性高，結構簡(jiǎn)單，便于維護，可以滿(mǎn)足不同種類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)，對于重型汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)，可以很快進(jìn)行產(chǎn)品結構的調整和擴大產(chǎn)能，同時(shí)大大降低了產(chǎn)業(yè)工人的勞動(dòng)強度，具有廣泛的應用前景。 

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第九期