基于混合現(xiàn)場總線的低成本機(jī)器人視覺識(shí)別方案

周宇

摘 要 采用基于Modbus和Profibus的混合總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)相機(jī)——PLC——工業(yè)機(jī)器人之間的低成本的數(shù)據(jù)傳送?；谙鄼C(jī)識(shí)別的工件坐標(biāo)數(shù)據(jù)，工業(yè)機(jī)器人可以準(zhǔn)確地跟蹤和抓取工件。

關(guān)鍵詞 總線通訊 機(jī)器視覺 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人作為一種多軸、多功能通用型工業(yè)設(shè)備，近年來在各種工業(yè)領(lǐng)域都得到了快速的推廣和應(yīng)用，我國已經(jīng)連續(xù)三年成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人采購國。將各種末端執(zhí)行器：手爪、吸盤、焊槍、噴槍與工業(yè)機(jī)器人集成，可以準(zhǔn)確而高效地完成搬運(yùn)、碼垛、裝配、焊接、噴涂、拋光、打磨等工業(yè)現(xiàn)場任務(wù)。在工業(yè)機(jī)器人的各種應(yīng)用場合中，待處理毛坯件的準(zhǔn)確定位，都將直接影響機(jī)器人自動(dòng)化工作站的加工精度。目前常用的定位方法是采用高精度的液壓/氣動(dòng)夾具系統(tǒng)，這種方法的缺陷在于整個(gè)夾具系統(tǒng)的制造周期長、成本高、柔性化不足。與此同時(shí)，在食品、小型機(jī)械零部件、電子元器件等輕工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)對(duì)象的力學(xué)強(qiáng)度較低而生產(chǎn)節(jié)奏快，傳統(tǒng)的夾具系統(tǒng)并不適用。為了解決這一問題，各大產(chǎn)商近年來開發(fā)了各種機(jī)器視覺軟/硬件解決方案，如ABB公司的Integrated Vision、FANUC公司的iR-Vision等。將視覺系統(tǒng)與機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成后，機(jī)器人可以根據(jù)相機(jī)拍攝到的工件種類、坐標(biāo)、角度等數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的捕獲工件，免去了機(jī)械定位夾具系統(tǒng)，提升了整個(gè)生產(chǎn)線的柔性化程度。然而這些機(jī)器人產(chǎn)商集成的視覺系統(tǒng)，往往價(jià)格比較昂貴，機(jī)器人用戶迫于成本的壓力，限制了這一類視覺解決方案的大范圍推廣和應(yīng)用。

現(xiàn)場總線作為一種工業(yè)現(xiàn)場使用的數(shù)據(jù)總線，能夠?qū)崿F(xiàn)各種儀器儀表、控制器、執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)信息傳遞。以Profibus、Profinet、cc-Link、Modbus為代表的各種總線協(xié)議在工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備中都有大量的使用，[1-3]目前的現(xiàn)場總線多用于傳遞DI/DO類信號(hào)或者變頻器的控制字等信息。本文利用Modbus-TCP和Profibus-DP兩種協(xié)議實(shí)現(xiàn)了第三方視覺系統(tǒng)與ABB機(jī)器人之間關(guān)于工件坐標(biāo)類數(shù)據(jù)的交互，大大降低了機(jī)器人視覺系統(tǒng)的集成成本。

1 硬件構(gòu)成

本方案的硬件系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：（1）視覺相機(jī)系統(tǒng)、（2）主控PLC系統(tǒng)、（3）機(jī)器人系統(tǒng)。

視覺相機(jī)系統(tǒng)采用無錫信捷電氣的SV4智能相機(jī)和專屬的相機(jī)控制器SIC-242，該相機(jī)配置了RS485串口和100M以太網(wǎng)接口，能夠支持CAN、Modbus-RTU、Modbus-TCP等多種通訊協(xié)議。

主控PLC系統(tǒng)采用西門子最新的小型機(jī)S7-1200 CPU1215C，該機(jī)的CPU模塊集成有兩個(gè)Profinet接口，可以通過Modbus-TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)相機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸。由于該CPU上沒有Profibus-DP接口，為了實(shí)現(xiàn)PLC與機(jī)器人端的數(shù)據(jù)通訊，為該P(yáng)LC配置一個(gè)Profibus-DP主站模塊CM 1243-5。

工業(yè)機(jī)器人采用ABB 1410型6軸機(jī)器人，ABB原廠配置的Profibus-DP從站模塊型號(hào)為DSQC 667，描述性文件編號(hào)為hms_1811.gsd。

2 通訊與控制程序

2.1 通訊方案與網(wǎng)絡(luò)連接

該系統(tǒng)中通信的任務(wù)主要有兩個(gè)方面：（1）工業(yè)相機(jī)與PLC之間數(shù)據(jù)的傳輸；（2）PLC與機(jī)器人之間數(shù)據(jù)的傳輸。

工業(yè)相機(jī)與PLC之間交互的數(shù)據(jù)包括相機(jī)拍照的觸發(fā)信號(hào)和拍照完成信號(hào)以及拍照所識(shí)別到的工件坐標(biāo)類數(shù)據(jù)。使用以太網(wǎng)線將相機(jī)和PLC分別連接到交換機(jī)，采用Modbus-TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩者之間的通訊，其中相機(jī)為Modbus Server端，PLC為Modbus Client端。數(shù)據(jù)的讀和寫都由PLC控制。

PLC與1410機(jī)器人之間交互的數(shù)據(jù)包括機(jī)器人的啟/停類信號(hào)以及工件坐標(biāo)數(shù)據(jù)。使用D型9針插頭將屏蔽電纜線分別連接到CM 1243-5和DSQC 667的對(duì)應(yīng)接口，采用Profibus-DP協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩者之間的通訊，其中PLC為Profibus-DP主站，機(jī)器人為從站，數(shù)據(jù)的讀和寫都由PLC控制。整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D如圖1所示。

2.2 組態(tài)過程

相機(jī)的組態(tài)采用X-SIGHT STUDIO軟件完成，在軟件中將相機(jī)的地址配置為192.168.8.1，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要為拍照類數(shù)據(jù)和坐標(biāo)類數(shù)據(jù)配置對(duì)應(yīng)的Modbus偏移地址，配置完成后將相機(jī)轉(zhuǎn)換為運(yùn)行模式。相機(jī)配置的數(shù)據(jù)如圖2所示。

PLC和機(jī)器人的通訊組態(tài)在西門子TIA PORTAL軟件中完成。在PORTAL軟件中首先安裝機(jī)器人Profibus-DP的描述性文件hms_1811.gsd，然后在網(wǎng)絡(luò)視圖中依次組態(tài)CPU 1215C和通信模塊CM 1243-5，將CM 1243-5接口屬性組態(tài)為“PROFIBUS”的主站，站地址為2。機(jī)器人從站模塊DSQC667在PORTAL中的路徑為：“硬件目錄”-“其他現(xiàn)場設(shè)備”-“PROFIBUS-DP”-“常規(guī)”-“HMS industrial Networks”-“Anybus-CC”，將從站地址配置為3。組態(tài)從站模塊的同時(shí)，需要設(shè)置主站對(duì)應(yīng)的通訊寄存區(qū)，本次通訊為1200PLC配置了5個(gè)字的輸出和1個(gè)字的輸入地址，其中前四個(gè)字的輸出用于將工件的四種坐標(biāo)數(shù)據(jù)：X軸坐標(biāo)、Y軸坐標(biāo)、Z軸坐標(biāo)、角度坐標(biāo)傳送給機(jī)器人，最后一個(gè)字為機(jī)器人控制字，用于控制機(jī)器人啟動(dòng)/停止，以上數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的PLC輸出映像寄存區(qū)地址為：QW68-QW76。輸入寄存區(qū)IW68用于實(shí)時(shí)讀取機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)字。機(jī)器人從站的組態(tài)參數(shù)如圖3所示。

2.3 機(jī)器人端信號(hào)配置與處理

由于坐標(biāo)類數(shù)據(jù)的特殊性，可能出現(xiàn)正負(fù)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的情況。機(jī)器人端的信號(hào)配置無法使用常見的DI/DO類數(shù)據(jù)與PLC的發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)接，需要使用機(jī)器人的模擬量輸入信號(hào)（AI）或者組輸入信號(hào)（GI）來對(duì)接，但是GI無法表示浮點(diǎn)數(shù)，所以本次通訊采用AI信號(hào)來對(duì)接工件的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，信號(hào)的配置過程分為兩步：（1）從站端參數(shù)設(shè)定；（2）數(shù)據(jù)類信號(hào)的設(shè)定。

由于DSQC 667板沒有DIP地址開關(guān)，站地址和通訊容量都是在機(jī)器人示教器上通過系統(tǒng)參數(shù)來設(shè)定的。設(shè)置路徑為：控制面板-配置-I/O System-Industrial Network（PROFIBUS Internal Anybus Devices），其中通訊容量的輸入/輸出范圍上限為64字節(jié)。

機(jī)器人端的4個(gè)AI信號(hào)需要分別與PLC內(nèi)部4種工件坐標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)接，其設(shè)置路徑為：控制面板-配置-I/O System-Signal。以新建一個(gè)X軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)Xdata為例，需要設(shè)置的參數(shù)見表1。

2.4 程序處理

PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制器，其觸發(fā)相機(jī)拍照之后，相機(jī)可能識(shí)別到工件也可能未識(shí)別到工件，如果未識(shí)別到工件，則PLC將從相機(jī)端讀取到全部為0的數(shù)據(jù)（代表沒有任何工件在相機(jī)檢測范圍之內(nèi)）。因此PLC與相機(jī)通訊完畢后，必須對(duì)其讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理，如果能提取到非0的有效數(shù)據(jù)，則表示相機(jī)檢測到了工件，PLC程序流程如圖4所示。

機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，定義對(duì)應(yīng)的全局變量X、Y、Z來對(duì)接模擬量中暫存的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并且在收到PLC發(fā)送的啟動(dòng)字（啟動(dòng)字=1）后，開始抓取工件，抓取完成后，將狀態(tài)字置為0（停止?fàn)顟B(tài)），PLC讀取到機(jī)器人的狀態(tài)字為0，將自動(dòng)開啟下一次觸發(fā)拍照的流程。機(jī)器人程序段示例如圖5所示。

3結(jié)語

本文中所描述的配置和通信方案，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人對(duì)于非機(jī)械定位工件的正確捕獲，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，混合采用Modbus和Profibus兩種總線協(xié)議，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了坐標(biāo)類數(shù)據(jù)在相機(jī)-PLC-機(jī)器人之間的實(shí)時(shí)傳送。

（2）可以配置相機(jī)程序和PLC程序和算法，實(shí)現(xiàn)一條產(chǎn)線對(duì)于多種貨物的分揀和生產(chǎn)，整個(gè)系統(tǒng)具有較高的柔性。

（3）由于Profibus通訊協(xié)議為定周期通訊，如果工件運(yùn)動(dòng)速度過高，需要為機(jī)器人端配置Multi Tasking功能，將工件數(shù)據(jù)的傳送與賦值類程序放置于后臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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