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案例頻道 上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司
摘要：本文以一個機(jī)床上下料應(yīng)用實例，介紹機(jī)器人在智能化機(jī)床上下料應(yīng)用中所涉及到的新技術(shù)，以及機(jī)器人在機(jī)床上下料領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。著重描述了機(jī)器人對無夾具定位工件的自動柔性搬運(yùn)（2D視覺技術(shù)）以及3D視覺定位技術(shù)。
關(guān)鍵詞：自動柔性搬運(yùn)；定位；視覺定位技術(shù)
1 前言
橋箱類零件生產(chǎn)具有精度高、加工工序多、形狀復(fù)雜、重量重的特點(diǎn)，為提高加工精度及生產(chǎn)效率，各重型汽車生產(chǎn)廠紛紛采用數(shù)控加工中心來加工此類的零部件。使用數(shù)控加工中心加工工件時，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。由于人工上料這類的工件具有勞動強(qiáng)度高、上料精度不好控制等缺點(diǎn)，現(xiàn)在正逐步被工業(yè)機(jī)器人或?qū)C(jī)進(jìn)行上下料所取代。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用具有重復(fù)定位精度高，可靠性高，生產(chǎn)柔性化，自動化程度高等無可比擬的優(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)；與專機(jī)相比，具有可實現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化，投資規(guī)模小等特點(diǎn)。機(jī)器人智能化自動搬運(yùn)系統(tǒng)作為減速器殼體加工的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，已經(jīng)在國內(nèi)重型汽車廠內(nèi)取得成功地應(yīng)用，但在國內(nèi)應(yīng)用還不廣泛。在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展的進(jìn)程中，重型載重汽車的生產(chǎn)能力及生產(chǎn)力水平亟待有一個質(zhì)的飛躍，而工業(yè)機(jī)器人即是提升生產(chǎn)力水平的強(qiáng)力推進(jìn)器，具有廣闊的市場前景。
2 現(xiàn)場布局（見圖1）
圖1 現(xiàn)場布局
3 項目描述
該系統(tǒng)使用1臺機(jī)器人完成服務(wù)5臺機(jī)床進(jìn)行上下料的作業(yè)，系統(tǒng)描述如下：
1臺FANUC R-2000iB/165F機(jī)器人：安裝于行走軸上，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的上下料動作。
1個機(jī)器人手爪：基于機(jī)器人專用手爪單元開發(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(wěn)定性，定位精度高、耐用性好、維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)。
圖2 手爪
1個長11m的行走軸：在行走軸導(dǎo)軌上安裝一臺工業(yè)機(jī)器人，最大運(yùn)動速度為1.5米/秒，使用FANUC伺服電機(jī)驅(qū)動，具有重復(fù)定位精度高、響應(yīng)速度快、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠等特點(diǎn)，并專門設(shè)計了防塵罩，保護(hù)導(dǎo)軌、直線軸承以及齒條等運(yùn)動部件，大大提高了可靠性和使用壽命。在實際應(yīng)用中，導(dǎo)軌安裝于兩條生產(chǎn)線機(jī)床的中心線上，所安裝的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動范圍完全覆蓋5臺機(jī)床以及上下料滑臺區(qū)域。從而實現(xiàn)了1臺機(jī)器人服務(wù)5臺機(jī)床進(jìn)行上下料作業(yè)。
圖3 行走軸
2臺上下料滑臺：每個上下料滑臺上有4個托盤，每個托盤分別可以存放一個工件。實現(xiàn)待加工工件的上料，以及加工完成工件的下料。在該系統(tǒng)中，由于使用了視覺技術(shù)，因此上下料滑臺無需工件的定位裝置。
FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)：該視覺系統(tǒng)由一個安裝于手爪上的2D攝像頭完成視覺數(shù)據(jù)采集。該視覺系統(tǒng)作為待加工工件準(zhǔn)確抓取的定位方式，省去通常為滿足機(jī)器人的準(zhǔn)確抓取而必須采用的機(jī)械預(yù)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現(xiàn)多產(chǎn)品混合生產(chǎn)。
FANUC iR Vision 3DL視覺系統(tǒng)：該視覺系統(tǒng)由一個安裝于地面上的3D Laser Sensor完成視覺數(shù)據(jù)采集。該視覺系統(tǒng)解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問題。由于待加工工件為毛坯件，機(jī)器人抓取工件后，上料的定位孔位置會發(fā)生變化，甚至工件上料時的平面度也有變化。該技術(shù)可以自動補(bǔ)償位置變化，實現(xiàn)高精度上料。
圖4 3DL視覺支架
5臺抽檢滑臺：針對每臺機(jī)床有一個抽檢滑臺，實現(xiàn)隨時對該機(jī)床工件加工工件質(zhì)量的檢測。
電氣控制系統(tǒng)：運(yùn)用人機(jī)界面對整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，采用三菱Q系列PLC控制器，并使用工業(yè)現(xiàn)場總線實現(xiàn)系統(tǒng)中實時和非實時數(shù)據(jù)的傳輸，具有高度可靠性和可維護(hù)性。
安全設(shè)備采用門開關(guān)，作為機(jī)器人工作區(qū)域的安全防護(hù)，完全做到人機(jī)隔離，確保系統(tǒng)在自動運(yùn)行中的人員安全。
該套設(shè)備的應(yīng)用極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，節(jié)省了大批人工，提高了企業(yè)的自動化水平，減少了企業(yè)的勞動力成本支出，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。
4 系統(tǒng)流程
圖5 系統(tǒng)流程圖
5 無夾具定位工件的自動柔性搬運(yùn)
隨著國家和社會的進(jìn)步，對機(jī)械產(chǎn)品的加工也提出了更高的要求，促進(jìn)了機(jī)床加工技術(shù)的不斷提高，同時對機(jī)床在加工過程中工件的上下料方式也提出了更高的要求，現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的加工具有自動化程度高、安全文明、環(huán)保性好（噪音小）、實用性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)和優(yōu)勢，以機(jī)器人在機(jī)械加工中的自動化應(yīng)用為代表，在各個加工領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，將成為現(xiàn)代機(jī)械加工的主流輔助設(shè)備。
在國外，在機(jī)械產(chǎn)品的加工中使用機(jī)器人已經(jīng)非常普遍，它具有速度快、柔性高、效能高、精度高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常成熟的機(jī)械加工輔助手段。機(jī)器人對無定位工件的自動柔性搬運(yùn)系統(tǒng)的工作原理，就是利用高清晰攝像頭（vision系統(tǒng)）實現(xiàn)對無定位工件的準(zhǔn)確位置判斷，在機(jī)器人收到信號后，機(jī)器人裝上為工件定制的專用手爪去可靠的抓取工件，在與機(jī)床進(jìn)行通訊得到上料請求后，最終完成機(jī)床的上下料。在各種機(jī)械加工行業(yè)中該系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。使用機(jī)器人對無夾具定位工件的自動柔性搬運(yùn)系統(tǒng)可以使生產(chǎn)流水線更加簡單易于維護(hù)，并大幅度降低工人的勞動強(qiáng)度，效率和柔性又比較高。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安全文明、無污染，能在各種機(jī)械加工場合進(jìn)行應(yīng)用，滿足了高效率、低能耗的生產(chǎn)要求。在國內(nèi)的機(jī)械加工，目前很多都是使用專機(jī)或人工進(jìn)行機(jī)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。但是隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，科技的日益進(jìn)步，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，使用專機(jī)或人工進(jìn)行機(jī)床上下料就暴露出了很多的不足和弱點(diǎn)，一方面專機(jī)占地面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修不便，不利于自動化流水線的生產(chǎn)；另一方面，它的柔性不夠，難以適應(yīng)日益加快的變化，不利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整；其次，使用人工會造成勞動強(qiáng)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(wěn)定性不夠，不能滿足大批量生產(chǎn)的需求。使用機(jī)器人自動柔性搬運(yùn)系統(tǒng)就可以解決以上問題，該系統(tǒng)具有很高的效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，柔性較高且可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單更易于維護(hù)，可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)。對用戶來說，可以很快進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和擴(kuò)大產(chǎn)能，并且可以大大降低產(chǎn)業(yè)工人的勞動強(qiáng)度。在這種趨勢下，對機(jī)器人自動柔性搬運(yùn)系統(tǒng)的需求會大量增加。
圖6 2DV視覺布置
圖7 2DV視覺系統(tǒng)操作流程
FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)主要是通過視覺系統(tǒng)軟件設(shè)置，建立視覺畫面上的點(diǎn)位與機(jī)器人位置相對應(yīng)關(guān)系。對工件進(jìn)行視覺成像，與已標(biāo)定的工件進(jìn)行比較，得出偏差值，即機(jī)器人抓放位置的補(bǔ)償值，實現(xiàn)機(jī)器人自動抓放。該技術(shù)實現(xiàn)了機(jī)器人在無夾具定位工件情況下的自動柔性搬運(yùn)。在該上下料系統(tǒng)中，待加工工件形狀復(fù)雜，用夾具進(jìn)行定位非常復(fù)雜，同時不利于以后同類新產(chǎn)品的擴(kuò)展。在應(yīng)用了FANUC iR Vision 2DV視覺系統(tǒng)后，待加工工件只需放置于上下料滑臺無定位裝置的托盤上，實際情況為待加工工件可以在托盤上移動正負(fù)2厘米以及旋轉(zhuǎn)正負(fù)30度。這樣大大減少了在上下料滑臺上的設(shè)計工作，保證了系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。
原理：選一個待加工工件作為初始工件，通過2DV視覺軟件對該工件在攝像頭中的畫面點(diǎn)位與機(jī)器人示教點(diǎn)位的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，同時完成初始工件的特征標(biāo)定。示教完成的抓取程序為初始工件初始位置的抓取位置，此時工件抓取偏差值為零。當(dāng)工件平移或者旋轉(zhuǎn)后，位置與初始工件的位置發(fā)生變化。通過2DV軟件，機(jī)器人能夠計算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Ｒ。機(jī)器人把該偏差值存入位置寄存器PR中。此時機(jī)器人可以通過把偏差值PR補(bǔ)償?shù)匠跏甲ト∥恢脕韺崿F(xiàn)工件的抓取。
補(bǔ)充：在該上下料的應(yīng)用中只有一種工件，當(dāng)有多種工件時，2DV視覺系統(tǒng)可以根據(jù)不同的工件進(jìn)行多次特征標(biāo)定，實現(xiàn)多種工件之間的切換調(diào)用。大大提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，柔性度高。
6 3D視覺定位技術(shù)
應(yīng)用于機(jī)器人上料至機(jī)床。
圖8 3DL視覺布置
圖9 3DL視覺標(biāo)定畫面
攝像頭安裝位置：固定在3DL視覺支架上。
該技術(shù)解決了定位面有偏差的工件上料位置變化問題。由于加工工件為毛坯件，機(jī)器人抓取工件后，上料的定位孔位置會發(fā)生變化，甚至工件上料時的平面度也有變化。對于此種情況，在沒有3DL視覺系統(tǒng)的情況下，機(jī)器人是無法實現(xiàn)對工件的準(zhǔn)確上料。
原理：選一個毛坯件作為初始工件，通過3DL視覺軟件對該工件在攝像頭中的畫面點(diǎn)位與機(jī)器人示教點(diǎn)位的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，同時完成初始工件的特征標(biāo)定。示教完成的上料程序為初始工件初始位置的上料位置，此時工件上料偏差值為零。當(dāng)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3DL軟件，機(jī)器人能夠計算出位置變化量Ｘ、Ｙ、Z、W、P、Ｒ。機(jī)器人把該偏差值存入位置寄存器PR中。此時機(jī)器人可以通過把偏差值PR補(bǔ)償?shù)匠跏忌狭衔恢脕韺崿F(xiàn)工件的上料。
補(bǔ)充：2DV是通過攝像頭計算平面變化量，3DL是通過攝像頭和激光綜合計算空間變化量，實際上是2DV與激光技術(shù)的綜合應(yīng)用。該技術(shù)的應(yīng)用大大增加了系統(tǒng)設(shè)計的可行性，尤其是在遇到定位面有偏差的工件設(shè)計時。
7 軟浮動功能（Soft Float）
應(yīng)用于工件抓取和機(jī)器人機(jī)床上、下料步驟。
該項目中機(jī)器人手爪抓取待加工工件位置在毛坯面，各個毛坯件抓取位置與定位孔位置都有差異。雖然有2DV視覺補(bǔ)償，但是毛坯面不能作為特征量，導(dǎo)致在機(jī)器人手爪抓取工件的位置在不停地變化，機(jī)器人無法補(bǔ)償此偏差。以下是由于毛坯面與定位孔位置變化帶來的問題。
（1）工件在托盤內(nèi)，機(jī)器人抓取后，由于毛坯面帶來的偏差，導(dǎo)致工件在手爪抓取時有移動，偏差大時與托盤有摩擦；
（2）機(jī)器人從機(jī)床下料時，由于毛坯面帶來的偏差，導(dǎo)致手抓不能完全貼合毛坯面，即使強(qiáng)硬貼合上，在工件脫離定位銷時會有嚴(yán)重的摩擦，導(dǎo)致碰撞報警。
說明：軟浮動功能在開啟后，機(jī)器人可以受外力改變姿態(tài)，改變大小可以通過參數(shù)設(shè)置。手爪在抓取毛坯件時可以根據(jù)毛坯面改變姿態(tài)，達(dá)到完全貼合，避免碰撞和摩擦。
補(bǔ)充：該項目中，工件定位孔與機(jī)床定位銷（錐形）之間的配合精度達(dá)到0.01毫米。機(jī)器人本身的重復(fù)精度大于0.01毫米，導(dǎo)致工件上料位置偏差。此時應(yīng)用軟浮動功能，機(jī)器人抓取工件運(yùn)行到定位銷錐度部位，由機(jī)床夾具夾緊，機(jī)器人通過軟浮動移動至上料位置，實現(xiàn)上料過程。
8 結(jié)論
隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速增長，重型載重運(yùn)輸汽車的需求在不斷地擴(kuò)大，為滿足市場的需求，各重型汽車廠在不斷地積極開發(fā)新產(chǎn)品，并擴(kuò)大原有產(chǎn)能。使用機(jī)器人服務(wù)加工中心組成柔性加工生產(chǎn)線的自動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)等方面起到了顯著作用。機(jī)器人自動柔性搬運(yùn)系統(tǒng)具有很高的效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，柔性較高且可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)，可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)，對于重型汽車生產(chǎn)廠家來說，可以很快進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和擴(kuò)大產(chǎn)能，同時大大降低了產(chǎn)業(yè)工人的勞動強(qiáng)度，具有廣泛的應(yīng)用前景。
摘自《自動化博覽》2010年第九期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號