機器人在注塑機生產(chǎn)線自動化改造中的應用

張凱明

摘要：隨著注塑行業(yè)的不斷發(fā)展，對產(chǎn)品加工質量和效率要求在不斷提高，注塑自動化技術應運而生，通過工業(yè)機器人及自動化設備相配合使得整條注塑生產(chǎn)線的效率和質量都得到了提升?但是仍有一些結構復雜、工藝特殊的產(chǎn)品難以實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化，依賴人工進行上下料，耗時過長，定位精度低，產(chǎn)品質量難以保證?

關鍵詞：注塑自動化;生產(chǎn)線;控制系統(tǒng)

1工業(yè)機器人在自動化生產(chǎn)線上的應用

在自動化的生產(chǎn)過程當中，有很多需要單一搬運的工作?這里所說的搬運工作，指的是將一個或多個工件，從一個地點轉移到另一個地點的工作?早期的生產(chǎn)過程中，大多是靠人力進行搬運工作，其工作強度之大，工作效率之低可想而知?由于工業(yè)自動化程度越來越高加上工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)奏越來越快，負責搬運工作的工業(yè)機器人越來越多的被工廠所使用，相對于傳統(tǒng)人力搬運，利用機器人搬運，可以設計不同的末端執(zhí)行器來配和完成各種各樣形狀不同的工件的搬運工作，這樣也可以極大的減輕人力的單一搬運工作?各式各樣的搬運機器人被普遍應用于汽車裝配制造生產(chǎn)線、機床上下料、沖壓機自動化生產(chǎn)線、碼垛搬運生產(chǎn)線以及集裝箱等的自動搬運[1]?

工業(yè)機器人與注塑機之間的關燈工廠漸漸替代了人工生產(chǎn)線，正在成為主流，并且逐漸在加工制造企業(yè)得到應用?在國外，工業(yè)機器人在各行各都有所涉及，包括運輸領域、機械裝配、焊接領域等?因此一些具備世界影響力的工業(yè)機器人公司也就運用而生，其中有ABB、FAUNC、安川、KUKAlM?ABB公司主攻機器人的控制、程序延展性比較好;德國KUKA在汽車領域應用很多，對設備進行了很多的標準化處理，人工操作起來十分便利;日本的FAUNC在機器人數(shù)字控制方面優(yōu)勢明顯，到2015年，該公司在全球范圍內(nèi)的機器人應用數(shù)量己超過40萬臺;日本的安川公司的機器人銷量同樣可觀?這四大機器人家族在行業(yè)內(nèi)樹立標桿，幾乎壟斷整個工業(yè)機器人領域，并且在減速器，運動控制，安全設計等關鍵技術方面要長期積累，表現(xiàn)優(yōu)異[2]?

根據(jù)調(diào)查，2016年以來，我們國家的機器人普及率遠遠低于一些經(jīng)濟發(fā)達的歐美國家，為此，國家還專門制定了很多刺激政策來促進我國在該領域的發(fā)展?《中國制造2025》計劃就是其中的典型，它將機器人的研發(fā)與制造作為了國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標[3]?掌握智能機器人的關鍵技術，是中國由工業(yè)大國向工業(yè)強國邁進的重要指標之一?國家積極支持培養(yǎng)龍頭企業(yè)，使得我國的機器人行業(yè)正在大踏步地向前發(fā)展邁進，追趕國際上先進的標桿行業(yè)，也有利于我國經(jīng)濟的發(fā)展?

2基于視覺的機器人剪澆口系統(tǒng)

2.1視覺引導系統(tǒng)的方案設計

機器人視覺系統(tǒng)的控制方式有兩種形式：

（1）先看后動的控制方式?顧名思義，這種控制形式是先進行圖像采集，然后機器人在根據(jù)所采集的圖像進行姿態(tài)調(diào)整，引導機器人末端執(zhí)行器到達特定位置?

（2）視覺伺服的控制方式?也稱邊看邊動?簡而言之就是講攝像機與機器人綁定在一起，攝像機隨著機器人的移動而移動，由于拍攝環(huán)境的不停改變，這就要求攝像機需要時時刻刻進行圖像采集，然后計算機實時處理圖像特征處理，機器人隨之調(diào)整姿態(tài)，做出相應動作[4]?

考慮到機器人在切割澆口時，澆口的位置過于分散?在切割過程中難以實現(xiàn)多個目標的實時采集，所以決定采用上述第一種控制方法一先看后動（Look-then-Move）的開環(huán)控制方式?由于該種方式對切割時位置精度要求較大，故需要保證整個系統(tǒng)具備很高的標定精度?

剪切澆口的工作原理為：將攝像機固定好，去逐一拍攝每一個澆口，經(jīng)過圖像處理后將得到的信息傳給計算機，由工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器的移動，調(diào)整其位姿，最終實現(xiàn)預期的切割作業(yè)[5]?

本系統(tǒng)構成的主體為庫卡工業(yè)機器人和位置固定的機器視覺系統(tǒng)?庫卡機器人的型號為KR 120R3900ultraK，屬于六自由度工業(yè)機器人?

2.2硬件系統(tǒng)設計

機器人剪澆口系統(tǒng)的基本組成有工業(yè)相機、鏡頭、光源發(fā)生器?KUKA機器人及其控制柜和主控PLC配合使用?在視覺引導系統(tǒng)的方案設計中提到，本系統(tǒng)采用固定相機的方式進行圖像采集，工業(yè)相機與光源發(fā)生器通過鋁型材等連接件固定在激光切割機上方?

（1）工業(yè)相機

由于相機需要與工業(yè)機器人進行通訊，因此選擇Cognex千兆網(wǎng)以太網(wǎng)對切割時候需要的圖像進行采集的工業(yè)相機，型號為IS8405-363-10，加上型號為BWHXA30D120R5W-24V的環(huán)形光源?

（2）鏡頭

鏡頭的選擇影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性?在選擇合適的鏡頭時，需要考慮到以下相關參數(shù)：

1）靶面尺寸：要注意與之相對應的相機靶面尺寸的大小是否合適;2）鏡頭接口方式?3）光圈大?。汗馊Q定鏡頭在單位時間內(nèi)的通光量?4）焦距：焦距作為鏡頭的重要參數(shù)之一，它決定了攝像機的拍攝范圍[6]?

（3）安裝方式

在工業(yè)現(xiàn)場測試中可以獲得較好的圖片對比度和圖片質量?

2.3軟件平臺的搭建

以微軟VisualStudio（以下簡稱VS）為主功能框架，配置Visionpro視覺處理軟件對圖像進行處理?相較于LabVIEW等其他軟件開發(fā)平臺，VS具有集成度高、開發(fā)周期短可讀性好等優(yōu)點?由于KUKA機器人一般是通過其內(nèi)部提供的KRL（KUKARobeot Language）進行編程?本系統(tǒng)采用的控制方式為視覺傳感器將采集到的圖像信息發(fā)送給PC機進行處理，然后將所得結果發(fā)送給機器人控制器進而引導機器人運動?

2.4圖像獲取

本視覺系統(tǒng)采用CCD攝像機，將硬件連接完成之后，并設置好相關參數(shù)后，安裝并打開VisionPro軟件，利用軟件中的可視化工具Image Source來獲取淺口圖像?

2.5攝像機標定

在機器視覺系統(tǒng)中，從攝像機拍攝的圖片信息中，可以確定出在三維空間內(nèi)被拍攝物的幾何信息，然后所獲得的信息重新建立被拍攝物的位置信息，而在三維空間內(nèi)，一個物件上某個點的幾何位置信息時確定的，但是要將這個位置信息對應到所拍攝該點的攝像機上以及攝像機拍攝完成后所成的圖像上，就需要建立不同的坐標信息，來講他們進行自由轉換?

（1）世界坐標系：即真實狀態(tài)下的坐標系，由XW軸、YW軸和ZW軸組成，人們?nèi)庋鬯芸吹膶嶋H能摸到的物體在世界坐標系下的點，表示具體位置?

（2）攝像機坐標系：以攝像機為中;鏡頭拍攝的中心、軸為主軸，由XC軸、YC軸和ZC軸組成?

（3）圖像坐標系：在二維平面中形成的坐標系，由X、Y軸組成?攝像機內(nèi)部形成的?

3總結

在自動化技術普及前常用人工埋入法，工人需要將嵌件逐一放入半成品中，這種方式不僅耗時耗力，還容易因為操作時距離注塑機過近出現(xiàn)危險，難以滿足加工效率的要求，并且安全性較低?工業(yè)機器人在工業(yè)領域的應用越來越廣泛，笛卡爾空間中各種銜接算法也在不停的得到開發(fā)和應用，再加上各種新型插補算法的出現(xiàn)，笛卡爾空間規(guī)劃中的一些問題也逐漸被解決，算法也逐漸走向成熟?但是笛卡爾空間規(guī)劃的受用面比較狹窄，現(xiàn)存的大部分方法都只能依靠已知的函數(shù)線條來對軌跡進行描述，若所需軌跡復雜程度較高，難以用常規(guī)函數(shù)進行表示時，軌跡規(guī)劃就會遇到障礙?雖然也出現(xiàn)了一些創(chuàng)新算法能夠利用視覺識別等技術擺脫數(shù)學模型的桎梏，但是這些方法還不夠成熟，還需要進一步的開發(fā)和實踐?

參考文獻：

[1]梁赟，羅子健.汽車燈組五金插座機器人自動化生產(chǎn)線的設計與調(diào)試[J].機電工程技術，2019，48（08）：132-134+235.

[2]鄭躍君，周炳海，陳健.基于流程程序分析的注塑機底箱裝配生產(chǎn)線改善[J].機械制造，2019，57（04）：104-109.

[3]何遠圣. 注塑過程中熔體黏度的在線測量方法研究[D].華南理工大學，2019.

[4]藥品包材生產(chǎn)線用注塑模具. 重慶市，重慶和喜錦鴻醫(yī)藥包裝有限公司，2018-09-28.

[5]李衛(wèi)民，華雷.注塑機專用取件機械手結構設計[J].機械工程師，2018（07）：52-54.

[6]申嬌娟. 面向注塑生產(chǎn)線的全伺服注塑機械手的設計與研究[D].陜西科技大學，2018.