基于虚拟视觉与数控加工的柔性制造生产线研究_汤珂.pdf

常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute of Technology（Natural Sciences）第 37 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.37 No.2Mar.,2023基于虚拟视觉与数控加工的柔性制造生产线研究 汤 珂，黄金超，陈玉玉，顾建飞（常熟理工学院 电气与自动化工程学院，江苏 常熟 215500）摘要：以非标自动化生产线为例，给出了 ROBOGUIDE 平台对视觉检测、数控加工、装配与出库的生产线虚拟制造方案 根据生产流程进行生产线布局构建、专用工具的设计以及站间 I/O 信号的创建 通过合理规划空间、设定程序数据以及规划轨迹等步骤实现生产线离线编程与仿真 结果验证了通过虚拟视觉和数控加工技术对非标准件装配的合理性，实现了非标产品的自动化柔性加工 该方案可为相关企业生产线设计、降低调试成本以及性能提升提供借鉴关键词：工业机器人；虚拟加工；ROBOGUIDE；非标自动化；多任务协作中图分类号：TP165 文献标志码：A 文章编号：1008-2794（2023）02-0037-05收稿日期:2022-10-10基金项目：江苏高校哲学社会科学研究项目“政府规制对闭环供应链环境责任决策的影响研究”（2021SJA1410）通信作者:顾建飞，讲师，工学博士，研究方向：工业机器人系统集成与应用，E-mail：0 引言非标产品的制造生产在自动化行业具有举足轻重的地位 由于工厂劳动力成本的提高，越来越多非标产品制造企业关注工厂自动化这一领域 近年来，随着数控技术的进步、新型高性能传感器技术的发展以及工业机器人技术的大规模运用，数字化、无人化、智能化生产方式逐步进入现代加工业 随着“中国制造2025”越来越近，中国国内制造业的自动化和智能化能力正逐渐完善 1 另一方面，在出现新型冠状病毒疫情以后，国内许多传统制造加工行业迫切希望借助工业机器人技术实现工厂智能化运行以及无人化管理，以进一步提高生产效率研究和使用工业级虚拟仿真技术正成为多任务协作生产线的发展趋势 2-3 当前，尤其是搭建复杂的非标产品全自动化生产线时，会出现种种意外 面对此类事故，工程往往会根据需求，优先利用专业仿真软件进行低成本构建生产线 然后，通过虚拟环境中静态和动态的仿真分析，进一步真实了解实际生产线工作的通信过程与运动特征 通过大量调试分析与修正，从而验证不同方案的可行性，并不断优化生产线 最终，为工厂生产线建设提供更好的理论支撑，减少实际建设成本当前的工业级虚拟仿真手段可以提高现场安全性和工作效率 比如干涉区，既避免现场对干涉区机器人碰撞的风险，又节省了时间 又如，测试生产节拍，可避免设计产能不足 因此，工业级虚拟仿真技术已被大量学者研究和关注 陆叶 4 在 RobotStudio 平台下，介绍并分析了多台数控机床自动上下料的仿真建模方案，实现了对 ABB 机器人加工工艺的设计方法 戚祯祥等 5 基于机器人 MDH 模型，针对位置矢量误差建立了机器人参数误差辨识模型，其标定算法可以准确地辨识出工业机器人的模型误差参数 冯江涛等 6 对用于冲压生产线的 RV-4F-D 工业机器人，分析了上下料节拍，借助 Pro/E 软件建模功能完成三维实体建模，并DOI:10.16101/32-1749/z.2023.02.007常熟理工学院学报（自然科学）2023 年38对机器人拾取上料、下料给出动作设计，给相关行业提供了借鉴 不难发现，虚拟仿真技术的介入已经为生产线设计、维护以及工业机器人理论研究提供了支持目前，在典型的自动生产线上，可以实现多机器人协作 7-9 与单工业机器人相比，其具有更广范围工作空间、更强作业能力以及更灵活的布局结构和组织方式 因此，本文以发那科机器人仿真平台 ROBOGUIDE作为载体，结合 SolidWorks 三维建模软件，设计并建立能同时满足视觉检测、数控加工、装配与出库的柔性生产线虚拟制造方案 通过使用 ROBOGUIDE 平台设计多任务协作式生产线的工艺程序、建立各任务间的 I/O通信，系统论述多机器人联调的实现方法 本文可为实际生产线设计、组装及后期工作站建设提供思路，从而提高建设效率1 生产线结构设计1.1 运行功能设计按非标准件生产线运行功能，需设计一条可满足取料、加工、装配、检测、出库五个功能的自动化生产线 本文设计并给出如图1所示的生产线功能结构 可以看出，其整体分为 1 号仓库区域、2 号检测与装配区域以及 3 号加工区域三部分 功能上，1 号机器人为搬运工作站的工业机器人，具备出料与出库搬运两种功能 2 号机器人为检测与装配工作站的工业机器人，具有分拣物料、检测各部件、装配工件三种功能 3 号机器人是典型的上下料工作站的工业机器人，可代替人工进行数控加工设备的上、下料操作根据上述设计方案，在 ROBOGUIDE 仿真设计中给出的生产线布局如图2 所示 根据上述设计方案中划分的三大功能区域，分别进行各子系统设计图 1 生产线功能结构图图 2 生产线仿真系统布局与功能研究 其中，工业机器人采用的是发那科公司产品，1号和3号机器人的型号为R-2000iC 165F（最大负载 165 kg，最大水平范围 2 655 mm，重定位精度 0.2 mm）；2 号为 LR Mate 200iD 型（最大负载7 kg，最大水平范围 717 mm，重定位精度0.018 mm）机器人选型依据主要是考虑本生产线结构功能对比 检测与装配区域所需机器人运动范围较小，所以选择 LR Mate 200iD 作为视觉系统的主控机器人 而方案设计中的另外两个区域是运用辐射能力更大的 R-2000iC 165F 型机器人 此外，由于生产线中工业相机的主要功能是完成非标件的形状识别，对色彩检测并无要求 因此，我们选择了具有33 万像素的日本索尼 SONY XC56 型 2D 高速工业相机数控加工设备、运输流水线等相应设备选择与工业相机的选型方式基本相似 这些外设建模时可以通过调整模拟数据从而给生产线建设提供参考价值 其中，数控铣床的外观尺寸为 2.10 m1.88 m2.00 m；数控车床的尺寸为 2.95 m1.90 m1.80 m；传送带外观尺寸为 4.00 m0.36 m1.00 m 此外，对于机器人移动轴的设计通常有两种方式：一是在机器人选型时同时添加机器人移动轴；另一种则通过设计者自行设计，这种方式灵活度更好，控制时需设计相应的I/O通信信号 因此，本文采用后者 2号和3号机器人移动轴2D尺寸参数为：4 m0.5 m，最大可移动距离为 3 m1.2 非标准件机械设计在 ROBOGUIDE 仿真研究中，需设计非标准器件，如：工件模型的装配件及专用夹具、装配平台等设计 通过使用 Solidworks 2018 建模软件进行非标准件建模，最终成品是一个款典型的非标装配体 该模型为装配备料区出库区1号仓库区域行走轴（含废品）1号搬运机器人流水线放置平台传送2号检测与装配区域3号加工区域检测/装配平台2号分类与装配机器人待加工件与成品件放置区3号机床上下料加工机器人数控铣床加工数控车床加工数控铣床数控车床工业相机中转/装配台2 号机器人1 号机器人3 号机器人出库处加工部件料仓传送带第 2 期39汤珂，等：基于虚拟视觉与数控加工的柔性制造生产线研究体，由头部件、手柄部件、尾部部件三部分组成具体装配体成品如图3（a）所示，装配体各部件具体形态如图3（b）所示其中，头部部件通常为成品件，无须加工，只需装配；尾部需要铣床钻孔后才可装配；手柄需要车床改形后方可装配为能体现工件装配过程，针对分离部件规格和形态，设计的气动装配夹具及其装配平台如图4所示 其中，装(b)(a)图 3 工件模型装配体及其分离部件 图 4 气动夹具及装配平台设计图 5 工作站工艺间逻辑关系配平台由长 400 mm，宽 350 mm 的平面与三个固定不同位置的装配夹具组合而成 装配气动夹具的 2 号部件可最大挤压部分能推进40 mm距离，3号部件固定限位阻挡面为V形 三套夹具从左往右分别为#1、#2 和#3，将分别用于尾部部件、手柄部件、头部部件三部分的固定 配合装配平台、机器人以及相机可实现传送和检测2 工作站逻辑及 I/O 信号设计2.1 工作站逻辑整个工作站逻辑如图 5 所示：系统上电，生产线执行信号初始化复位 初始化结束，生产线首先进行工件毛坯搬运 通过视觉系统检测物料的位置及形貌在物料检测正常的基础上，开始进行上料加工 当加工完成后，下料到装配平台，视觉系统再次检测待组装件是否合格 如果是则进行装配程序，不是则停机反馈给用户 装配成品也要进行检测，合格成品则运输到站的出库点，否则停机反馈给用户 如果直到出库完成一切正常，则最后判断是否需要循环往复，是则继续回到生产线物料搬运，否则结束停机2.2 工作站 I/O 信号设计在 I/O 信号设计环节，除了需要生产线设计的控制流程外，还需考虑机器人之间、机器人与其他设备间的通信，以此进行夹具、传送带、工业相机、行走轴、数控加工机床等组件与机器人系统的信号通信 这里采用机器人内部数字 I/O 信号作为彼此通信基础，建立3台机器人具体的控制与反馈信号 对1号搬运机器人，DO1、DO2 为控制传送链信号；DO3DO6 为对 2 号机器人间的控制信号；DO19、DO20 为对 3 号机器人间的控制信号；DI8 为检测 2 号机器人发出的出库信号 此外，对2号视觉分拣机器人，设计了DO1DO3分别控制13号夹具的信号；DO10 给 1 号机器人发出库信号；DI3DI6 为检测 1 号机器人的控制信号 最后，对于3号数控加工上下料搬运机器人，设计的DO1DO8分别为数控铣床平台 x 轴运动、y 轴运动、铣床平台夹具、铣床门开关、猝发 3 号机器人铣床上料、铣床平台 z 轴运动、铣床铣刀动作、猝发 3 号机器人铣床下料的控制信号；设计的 DO10DO17 分别为数控车床门开关、三抓卡盘 1、三抓卡盘 2、三抓卡盘 3、车床主轴旋转、车床 x 轴加工、车床 y 轴加工、给 2 号机器人加工完成的控制信号；DI4 为检测 2 号机器人的通信信号3 视觉、数控工艺设计及其调试结果分析3.1 视觉检测分析采用虚拟视觉可以获得非标准件各部分形态以及位置信息 这里，设计的头部为成品单元，无须加工，而尾部和手柄件为待加工产品，需要被准确识别 通过选用索尼 XC56 型 2D 高速工业相机，在 ROBOGUIDE中设计所需的 iRVision 虚拟视觉工程 设计过程包括相机焦距、视野高度、拍照视野显示等参数的调教，调开始产线初始化物料搬运物料检测工件检测物料加工工件装配成品出库结束否否否否是是是是装配检测是否循环常熟理工学院学报（自然科学）2023 年40 图6 相机拍照效果、点阵板以及用户坐标系设计 表 1 相机部分网格校准点数据结果图7 视觉处理及视觉成功检测到待加工的尾部和手柄部图 8 数控加工的下料过程示意图试效果见图 6（a）为了使 2 号工业机器人准确获得工件位置，“手眼”标定需确定相机的基准坐标系、工业机器人的用户坐标以及点阵板格子间距其中，使用的点阵板型号为 AOSB-1405-J912，如图 6（b）所示，测得其格子间距为 30 mm 在 2 号机器人中创建用户坐标系时，其用户坐标的创建与点阵板有关 观察点阵板后发现，其上存在4个与其他不同尺寸的格点 创建视觉系统的用户坐标时，这4个点中3个连续格点一般设计为用户坐标系的 x 轴，两个连续的格点则作为坐标系的 y 轴，创建过程与创建结果如图 6（c）所示 此时，点阵板上会出现如图 6（d）所示的校准标记，需要注意的是相机校准精度将以这些标记的颜色体现，绿色表示校准精度合格，红色表示不合格 若其中某个小孔有红色标记或者其他小孔出现较多红色标记，则需要重新设定用户坐标系(a(b)(c)(d)(a)通过校准面上的网格数据，获得了相机校准过程中的精度参数结果，如表 1 所示 该结果是在点阵板放置完毕以及用户坐标创建完成后，采用边缘校准的方法来确定