欧凤琴
（埃夫特智能装备股份有限公司，安徽芜湖，241007）
摘 要：视觉系统的应用越来越广泛，本文以空调生产为例，将EFORT工业机器人配置一台2D视觉相机，固定安装，通过视觉拍照协助，完成产品用机器人来定位抓取。机器人可自动切换30多款产品混线生产。此应用替代了原先的人工搬运作业，解决了人工劳动强度大、速度慢、工作效率低等问题，提高了车间自动化生产水平。
关键词：工业机器人，相机，TCP/IP协议
目前国内家电等行业生产线的装配及包装作业都是纯人工完成，大多生产线要求节拍在11s以内完成一台成品空调的包装入库，其中劳动负荷最大的就是人工抱机工位。在辊道线上，人工先放好空调底泡（用来放置空调的底座和泡沫，对空调运输有减震效果）和珍珠棉，然后将上一工位检测合格的空调由托盘经辊道线输送到位后，人工抱起空调放置到底泡上，空托盘经辊道升降机构进行托盘回收，放置后的空调经辊道线自动输送到板链输送线进行人工打包、装箱等作业。
由于空调规格很多，体积、重量及外观不一，重的可达40kg左右，若一天要生产3000台，抱机工位的劳动强度普通人根本承受不了，所以此工位的人员流动很频繁，严重影响生产。对此，我们设计用机器人替代人工完成抱机工作。
如图1所示，通过相机拍照、将空调的定位信息传送给机器人，机器人运动到空调抓取位，根据不同的产品，机器人调用相应的抓具夹抱程序，实现产品自动切换抓取；底泡是由车间皮带线输送到机器人工位，经气缸推到辊道线上定位；机器人抓取空调放置到底泡上方，因产品型号不一，有的空调在放置前需桁架工作先放一片珍珠棉在底泡上方；机器人打开抓具，运动到空调上方，阻挡气缸下降到位，空调放行，同时机器人自动回原位。至此，完成一个产品的循环生产流程。
图1 抱机现场照片
2.1 工业机器人
安装在地面上，利用视觉定位抓取空调。
2.1.1 机器人选型
选用EFORT工业机器人ER165C-C10（负载为165kg）。
图2 ER165C-C10机器人本体
2.1.2 ER165C-C10机器人性能参数
ER165C-C10机器人性能参数见表1。
表1 ER165C-C10机器人性能参数
机器人型号ER165C-C10结构关节型自由度6轴驱动方式AC伺服驱动最大动作速度J1轴1.57rad/s(100°/s) J2轴1.57rad/s(90°/s) J3轴1.66rad/s(95°/s) J4轴2.27rad/s(130°/s) J5轴2.27rad/s(130°/s) J6轴3.14rad/s(180°/s)最大动作范围J1轴±3.14rad(±180°) J2轴+1.05rad/-1.4rad(+60°/-80°) J3轴+3.66rad/-1.4rad(+210°/-80°) J4轴±6.28rad(±360°) J5轴±2.09rad(±120°) J6轴±6.28rad(±360°)手腕扭矩J4轴1092N·m J5轴784N·m J6轴412N·m手腕惯性力矩J4轴89.6kg·㎡J5轴89.6kg·㎡J6轴53.6kg·㎡最大活动半径2618mm手腕部最大负载最大165kg重复定位精度±0.3mm安装方式地装本体重量1504kg
图3 ER165C-C10机器人最大工作半径
2.2 视觉相机
此项目中应用的视觉相机是一款德国森萨帕特的2D相机。因考虑空调产品多样，每次拍照高度不一致，为保证相机拍照的稳定性和精准度，我们在相机安装支架上新增了步进电机和滑块，针对不同的产品可切换高度，只需要人工在HMI界面上输入产品号，视觉相机自动调整拍照高度到特定位置，如1550mm(相机距离空调顶部高度)。此调整只在机型切换的时候自动调整，如果批量生产，不需要每次进行调整。
由于空调规格太多，来件用托盘送来，且空调在托盘的位置也是随意的，无法通过机械结构实现对多款空调的精确定位。故此增加2D视觉相机一套，机器人与相机进行通信，实现数据发送与接收。
首先需要对相机及机器人抓手进行坐标系标定，然后对每款空调在托盘上进行相机模板标定和相关参数设置，将相机拍照的X、Y及角度值相对模板数据、所得的偏移值发送给机器人；机器人接收后将其转化为机器人坐标系下的X、Y及A坐标值。机器人每次自动变换姿态，实现来件空调的精确定位抓取；机器人抓取空调离开托盘后，辊道返板机构自动下降，空托盘自动回收，在空调出口处通过升降阻挡气缸、辊道侧向对中气缸及辊道输送动力完成底泡的定位，实现机器人自动放空调作业。下一空调随托盘输送到位后，机器人发送相机触发信号，完成拍照，将数据再次发送给机器人，机器人实现自动抓取。如果空调在托盘的位置超过±45°，或不在相机拍照范围内，相机会发送拍照失败信号给机器人，机器人在原位等待，此时需要人工干预，按下外部暂停按钮，合理调整空调位置，再复位暂停信号、按启动按钮继续拍照。
由于空调规格及高度不一致，故在相机支架上安装一步进电机及丝杆直线导轨，如果换产品型号，则需要在外部PLC柜触摸屏上进行产品号切换，相机自动调整相应高度，确保相机距离被抓空调顶部高度为1350mm，否则相机也会拍照失败。
此项目的成功应用，解决了原先人工抱机劳动强度大的问题，机型通用性强，空调来件位置灵活，相机自动识别拍照，机器人自动抓取作业，系统可靠性强，生产节拍快，目前节拍控制在10s以内，比人工抱机快，是家电生产线改造的示范工位。后期将在其他家电行业生产线上应用和推广。
相机与机器人通信程序及指令如下：
WaitIsFinished()；信号同步指令，类似 WaitTime(0)指令，防止信号提前触发
SensoPart_Reset() ；相机复位指令
SensoPart_Connect('192.168.1.200', 2006, 2005) ；机器人和相机通讯IP地址和输入/输出端口号设置
SensoPart_ChangeJob('CJB002') ；切换2#相机任务
SensoPart_Trigger('TRG') ；相机触发拍照信号
下列为相机与机器人间的坐标值转换指令：
WaitTime(0)
cp1.x := cp0.x + (iin0.val / 1000 * 0.6059)；将相机发给机器人的Y轴偏移量转换为机器人的X轴坐标值
cp1.y := cp0.y + (iin1.val / 1000 * 0.6059) ；将相机发给机器人的X轴偏移量转换为机器人的Y轴坐标值
cp1.a := cp0.a + (iin2.val / 1000) ；将相机发给机器人的a轴偏移量转换为机器人的A轴绕X轴旋转角度值
2.3 机器人抓具
如图4所示，抓具安装在机器人末端法兰处，通过伺服电缸来控制抓手的打开和夹紧状态。针对不同的机型，在调试阶段，人工调试好每款空调的电缸夹紧和打开位置，通过编码器存储，在自动生产时实现各产品的自动夹紧、打开和产品切换生产等。
在抓具设计上， 伺服电缸由PLC控制，机器人运动到空调抓取位，给PLC夹紧信号，机器人等待夹紧到位后，抓取空调继续运行。
图4 机器人抓具结构
图5 桁架机器人
2.4 桁架机器人
此项目中应用到一款XZ轴的桁架机构，主要实现向底泡上放置珍珠棉的作业。
2.5 上件区
如图6所示，机器人上一工位是人工工位，工人将从噪音检测房出来的合格空调电源线进行整理并放置到电源滑槽中，空调通过人工踩踏板信号进入机器人工作区，待稳定后，相机拍照。如出现异常情况，上件区有操作按钮盒进行简单故障的处理。
图6 人工上件区及操作盒
2.6下件区
如图7所示，机器人放置空调到底泡后，运行到空调上方，空调阻挡气缸下降到位，空调自动输送到人工下件区板链上。如出现异常情况，下件区有操作按钮盒进行简单故障的处理。
图7 人工下件区及操作盒
电气控制系统由三菱PLC实现对机器人、抓具、桁架、辊道线及外围气缸、安全设备的控制等，而视觉是直接和机器人通过TCP/IP协议实现通信和信号交互的，但产品切换、相机高度调整是由PLC实现控制的。正常生产前，人工开机将机器人回到原位，加载主程序后，将操作权限切换到外部，由上件区或下件区人工按启动按钮实现机器人自动运行。如有紧急或异常情况，人工可按下暂停按钮让机器人暂时停止作业，待故障处理完毕后，按启动信号让机器人继续运行。
机器人工作区域以内必须安装安全围栏、安全门锁和安全门复位信号，做到人机隔离，确保系统自动运行中的人员安全，同时也方便日常设备检修和维护等操作。
图8 项目系统控制框图
该文项目已于2015年11月10日完成调试，并已投入生产使用。通过视觉拍照定位、气缸输送定位底泡、桁架吸盘抓取珍珠棉放置、机器人抓取空调自动放置到底泡上等工序，实现了机器人自动抱机作业，无需人工干预。目前，机器人以100%的速度运行，单台空调抱机作业运行节拍控制在10s以内。生产至今，系统稳定，故障率低，机器人系统操作简单，车间设备维修人员已熟练掌握技术，并能处理日常的基本故障。
上述空调生产线目前两班制生产，单班产量3600台，此工位自动化线的改造有效地提高了生产节拍，降低了人工劳动强度，更好地验证了EFORT工业机器人带视觉在家电行业中的应用。
参考文献：
[1] 孙树栋.工业机器人技术基础[M].西安：西安工业大学出版社，2006.
[2] 森萨帕特视觉2D智能相机使用说明书.
[3] EFORT机器人ER165C-C10系统机械维护说明书.
[4] EFORT机器人ER165C-C10系统电控使用说明书.
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