配視覺系統(tǒng)的直角坐標(biāo)機器人的應(yīng)用實例
作者：周文寶
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產(chǎn)品：德國BergerLahr公司和Roboworker公司中國總代理
一 直角坐標(biāo)機器人的定義及主要特點
機器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個或3個以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動化設(shè)備。這里自由度就是指可運動或轉(zhuǎn)動的軸。直角坐標(biāo)機器人是以直線運動軸為主，各個運動軸通常對應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸，Y軸和Z軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機器人的各個直線運動軸間的夾角為直角。
直角坐標(biāo)機器人主要由一些直線運動單元，驅(qū)動電機，控制系統(tǒng)和末端操作器組成。針對不同的應(yīng)用，可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機器人，從簡單的二維機器人到復(fù)雜的五維機器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從食品生產(chǎn)到汽車裝配等各行各業(yè)的自動化生產(chǎn)線中，都有各式各樣的多臺直角坐標(biāo)機器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作，可以說直角坐標(biāo)機器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動化任務(wù)。下面是其主要特點：
1任意組合成各種結(jié)構(gòu)樣式，帶載能力和尺寸的機器人，
2采用多根直線運動單元級連和齒輪齒條傳動，可以形成幾十米的超大行程機器人。
3采用多根直線運動單元平連及各帶多滑塊結(jié)構(gòu)時其負載能力可增加到數(shù)噸。
4 其最大運行速度可達到每秒8米，加速度可達到每秒4米。
5 重復(fù)定位精度可達到0.01mm~ 0.05mm。
6 采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復(fù)雜軌跡的工作。
二 德國VC視覺系統(tǒng)簡介
機器視覺就是使機器有人眼和大腦的部分功能，能自動進行幾何形狀測量，印刷質(zhì)量缺欠識別和產(chǎn)品外觀質(zhì)量識別等工作。機器視覺系統(tǒng)通常用在全自動化、高效可靠和非接觸的大批量生產(chǎn)過程中的檢測識別工作。常見的視覺系統(tǒng)一般包括：光源、鏡頭、CCD攝相機、圖像采集卡、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。而許多智能相機就是一個通用圖象處理系統(tǒng)，把鏡頭、圖象傳感器、高速DSP、存儲器、常用圖像處理軟件、通訊口和/輸入輸出口等集成在一個香煙盒大小的盒內(nèi)，用戶可以任意編程，能代替基于PC機的圖象處理系統(tǒng)。智能相機有彩色智能相機和黑白智能相機，有線陣和面陣智能相機，本文僅介紹一款德國VC公司面陣黑白CCD智能相機。
工作時首先CCD智能相機將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成灰度圖像信號，先放大該信號，再數(shù)字化為數(shù)字圖像。數(shù)字圖像以二維矩陣存儲起來，如Vision Components GmbH公司智能像機VC2028的每一幅數(shù)字圖像都是640*480的二維矩陣。該矩陣的每一個元素叫像素，它的數(shù)值通常是0~255。像素的數(shù)值0~255對應(yīng)目標(biāo)的最暗和最亮處。圖像處理軟件就是根據(jù)圖像中像素分布和亮度變化等信息抽取圖像中目標(biāo)的特征，如：孔的數(shù)量、面積、形狀、長度、形狀寬度和位置等，還可以是亮度變化等，然后與所存的模板進行比較匹配，最后給出尺寸、角度、偏移量、個數(shù)、合格/不合格、有/無等。結(jié)果。
用戶可以在PC機上用C語言或VC編寫自己的應(yīng)用程序，然后下傳到智能相機里，智能相機運行該程序來完成特定的任務(wù)。也可以選用VC公司配帶的圖象處理軟件。
三 機器人數(shù)控系統(tǒng)
該機器人的控制系統(tǒng)采用德國運動控制技術(shù)公司（Movtec）的三軸運動控制卡DEC4T和運動控制軟件Editasc。DEC4T運動控制卡是基于PC機，專用控制3臺步進電機和數(shù)字伺服電機的運動控制卡。EdiTasc不僅是MOVTEC公司各種控制卡配套的通用數(shù)控軟件，它也是一個高度開放的開發(fā)平臺，可以直接控制各種工業(yè)自動化設(shè)備，或方便的開發(fā)用戶專用頁面及控制系統(tǒng)。DEC4T自帶36路數(shù)字輸入輸出口，來作為限位開關(guān)，控制CCD智能相機和起動檢測儀器。
Editasc可采用Mtasc語言或G代碼編程，Mtasc語言為Editasc專用語言，具有如下一些特點：
l 任意定義各種長度、多種類型的變量和數(shù)組；
l 許多數(shù)學(xué)函數(shù)；
l 多種循環(huán)程序;
l 多種條件
l 允許有任意層擴展和嵌套；
l 調(diào)用子程序和調(diào)用其它語言的子程序；
l 極其方便的I/O口操作。
l 在程序的輸入和編輯過程中可以執(zhí)行任意一行或幾行程序，可方便地驗證程序及數(shù)據(jù)的合理性。
四 幾個典型應(yīng)用
1 產(chǎn)品標(biāo)簽檢驗
在幾乎所有的現(xiàn)代化批量生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品包裝盒上所印文字、符號、產(chǎn)品上的標(biāo)簽等要求印刷精美，無任何缺陷和錯誤。但實際中會出現(xiàn)下面的問題，如部分字符漏印，部分字符不完整，不同字符間混亂，如：5和6; 6和9印混了，字符位置不對，字符的字體不對或不一致等。要解決上面的問題就必須選一優(yōu)秀的圖象處理系統(tǒng)，對這些文字和符號進行100%的可靠的檢驗，才能保證100%的合格率，達到真正的“零缺陷”。被檢驗識別的文字和符號可以由下面的方式產(chǎn)生：印刷，噴碼，熱轉(zhuǎn)印和激光雕刻等。這更增加了檢驗識別的難度。
本文CCD相機選用德國Vision Components公司智能攝像機VC2038。其配置如下：CCD芯片是Sony 1/2” 640*480點，每秒25楨圖像，存儲器配置是16 MB SDRAM, 2 MB Flash Eprom, 8 bit overlay, CPU是TMS320C62XX，速度是1200MIPS （每秒1200百萬指令）。VC2038通過自帶RS232口 可以把位置數(shù)據(jù)傳給PC機。VC2038還自帶4路數(shù)字輸入口和4路數(shù)字輸出口。根據(jù)視場范圍和高度選用對應(yīng)的鏡頭。
被檢驗的產(chǎn)品在傳送帶上單排排放或如圖1所示的并列排放。機器人首先停止傳送帶，并把檢測頭移動到第一個產(chǎn)品上方，識別系統(tǒng)開始自動檢測識別第一個產(chǎn)品。機器人再把檢測頭移動到第二個產(chǎn)品上方，接著識別系統(tǒng)開始自動檢測第二個產(chǎn)品，如此依次識別完該排最后一個產(chǎn)品。再啟動傳送帶把第二排產(chǎn)品移到檢測系統(tǒng)正下方，并開始該行產(chǎn)品的自動檢驗識別。
類似的應(yīng)用還可以在各種產(chǎn)品的外觀檢驗，包裝檢驗，商標(biāo)檢測等方面應(yīng)用。
2 印刷品質(zhì)量檢驗
這里的任務(wù)是圖2產(chǎn)品的檢驗。在圖2中被檢驗的產(chǎn)品是透明塑料上的文字。機器人首先停止傳送帶，并勻速移動檢測頭，識別系統(tǒng)在幾個特定的位置自動檢測識別所印文字和符號。塑料再起動一定長度，機器人反向運動，檢測系統(tǒng)開始該行產(chǎn)品的自動檢驗識別。
機器人是德國百格拉公司單軸機器人，由于負載小及移動速度要求不高，故選用型號為LM-P404 R-AT5，有效行程按任務(wù)要求選為1500毫米，驅(qū)動電機是百格拉公司的步進電機VRDM3910LWB，機器人控制系統(tǒng)選用百格拉公司的專用工控機TLCC。TLCC通過CAN總線控制TLC611步進電機驅(qū)動器。圖像處理系統(tǒng)選用德國Vision Experts公司的檢測系統(tǒng) VE 4000 OCV/2。圖2是該系統(tǒng)在實際使用中的照片。
德國Vision Experts公司的E 4000 OCV/2系統(tǒng)由智能CCD攝像機VC2038和專利識別軟件組成，可以檢測各種符號，如：印刷的符號、噴碼符號、熱轉(zhuǎn)印、激光雕刻等?？梢?/span>100%保證發(fā)現(xiàn)所有下面的問題：整個或部分字符漏印，不完整字符，不同字符間混亂，如5和6、6和9印混了，字符位置不對，字符的字體不對或不一致。該系統(tǒng)可以識別多種符號，當(dāng)圖像中要識別的符號與背景的對比度有些變化，如照明系統(tǒng)出了問題，甚至圖像背景里有某種規(guī)則的紋理時，該系統(tǒng)也可以很好地工作。該系統(tǒng)也非常靈活，可以一分鐘僅檢測10個產(chǎn)品，也可以一小時檢測10萬個產(chǎn)品；可以同時檢測300個字符，也可以檢測同時含10種字體的符號集合。被檢測產(chǎn)品可以被旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)在運動中實時動態(tài)檢測，E 4000 OCV/2系統(tǒng)自動給出檢測數(shù)據(jù)，有自檢和外部信號啟動公式，檢測的符號可以縮小或放大，給出符號的位置數(shù)據(jù)。
不僅塑料檢測如此，其它方面如印刷品、木材、PS板等方面都采用類似的方法進行檢測。
3 工件識別定位及抓取
隨著自動化生產(chǎn)能力的提高，現(xiàn)代工廠中經(jīng)常會出現(xiàn)需要分類分揀的場合，那么就非常需要配合視覺系統(tǒng)的機器人來實現(xiàn)這項工作。該例子為對倉庫中不同批次的產(chǎn)品進行定位及抓取。在機器啟動前，操作人員根據(jù)具體需求，通過計算機將需要搬運的產(chǎn)品的批次傳輸給視覺系統(tǒng)，當(dāng)機器人帶動視覺系統(tǒng)到達產(chǎn)品上方時，視覺系統(tǒng)通過獲取的圖像進行識別，通常識別物為條碼，當(dāng)確認該產(chǎn)品為需要搬運的產(chǎn)品，那么視覺系統(tǒng)再通過獲取的圖像進行精確定位，將坐標(biāo)值傳輸給機器人，機器人隨后運動到指定位置，進行抓取搬運。如果檢測該產(chǎn)品不是需要搬運的產(chǎn)品，那么傳輸給機器人相應(yīng)的信號，機器人移動到下一工件位置進行下一次檢測。
該系統(tǒng)中的視覺系統(tǒng)同樣采用德國Vision Components公司智能攝像機VC2038,機器人采用德國百格拉直角坐標(biāo)機器人，控制系統(tǒng)采用的為德國MOVTEC公司運動控制卡，這樣能夠保證在一臺計算機中對視覺系統(tǒng)與直角坐標(biāo)機器人的控制與配合。
目前，類似系統(tǒng)已經(jīng)在很多自動化流水線上應(yīng)用，均獲得很好的效果。
4視覺系統(tǒng)引導(dǎo)的灌裝機械
目前機器人已經(jīng)應(yīng)用到了各個領(lǐng)域，以下我們介紹機器人在灌裝機械中的使用。如圖4所示，在一些工廠中需要對液態(tài)產(chǎn)品大量的進行灌裝以方便運輸，所以自然就增加了對灌裝機的需求，附圖中為視覺引導(dǎo)的直角坐標(biāo)機器人在灌裝機中的應(yīng)用。機器人方面選用德國百格拉龍門式三維直角坐標(biāo)機器人，視覺方面選擇德國Vision Components公司智能攝像機VC4038E。
該系統(tǒng)是通過BLOB區(qū)域分析的方法來進行桶口的位置確定。由于每個桶口的正上面都有一個與鐵桶本身顏色區(qū)分明顯的白點和黑洞，那么視覺系統(tǒng)就采用區(qū)域分析的方法對采集的圖像進行處理，獲得該白點和的黑洞位置，然后通過換算確定桶口的位置，并通過以太網(wǎng)口傳輸給直角坐標(biāo)機器人。機器人獲得該坐標(biāo)后，直接帶動注油管道到桶口上方，然后插入，注油，待結(jié)束后重復(fù)執(zhí)行以上的動作。
該系統(tǒng)成功的解決了工廠注油難，費時，費力等困難，大大提高了工作效率，使其在幾個月內(nèi)便收回了該設(shè)備的成本。該類應(yīng)用可以推廣到其它產(chǎn)品或其它形狀的灌裝容器應(yīng)用中。這里面機器人的運動軸要帶金屬防護帶，所用的驅(qū)動電機是防爆電機。
五 結(jié)論及展望
本文介紹了德國百格拉公司的直角坐標(biāo)機器人及德國Vision Components公司的智能相機。德國Vision Components公司的智能相機裝配在百格拉公司的直角坐標(biāo)機器人上已經(jīng)被眾多用戶成功地用在工件定位，分類搬運上。 隨著大批量自動化生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，很多產(chǎn)品要在許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)全面被檢測及精確定位，這類直角坐標(biāo)機器人和圖像處理系統(tǒng)將具有更加廣范的市場前景和發(fā)展?jié)摿Γ?/span>
