机器视觉抓取在车身凸焊焊接中的应用

机器视觉抓取在车身凸焊焊接中的应用

张月匣

张月匣

天津玛斯特车身装备技术有限公司天津300000

摘要：在现代工业领域中，自动化控制的生产过程已经得到广泛的应用。在工业焊接过程中，人工焊接存在着焊接不均匀、效率不高等诸多问题。在大规模生产过程中，人力的局限性无法跟上工业自动化时代的工作效率，所以企业为了提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，自动化生产线也逐渐被企业所认同并采用。本文主要把视觉抓取系统应用到焊件凸焊中，配合六轴机器人附加螺母输送机和焊接装置构成一种焊接系统。机器人对焊件的智能抓取，以视觉为主要传感器，对机器人按照用户指令识别并抓取定位焊接。

关键词：机器人；视觉抓取；自动化生产。

1．背景技术：

随着国家现代工业自动化的发展，机器人被广泛应用到各种行业领域中，目前工业机器人在汽车行业应用最为广泛，例如汽车车身焊接工作，传统的焊接工作是由大量的人员进行操作的。这种操作不仅耗时耗力，最主要的是焊接的质量残次不齐。现在随着视觉机器人的发展，视觉系统被应用在越来越多的行业中来提高生产效率及产品焊接质量。

凸焊机器人布置方案先进行3D仿真模拟，要求整体布局合理、工作姿态美观、焊接工艺路线合理、操作方便、便于维修。控制部分采用总线通讯方式同上位PLC进行信息交换，控制系统配置标准以太网端口，供监控系统联网使用。所有的控制及数据传输经过现场的焊装线传输到PLC中，其中机器人相关的监视画面及程序由本公司开发。

本系统与传统的凸焊机器人焊接系统最大的区别就是不需要车身夹具来对焊件的固定，而是采用相机对焊件进行定位，传送到机器人控制系统中，机器人收集到定位信号，进行抓取动作，按照事先设计好的行程轨迹到凸焊机处进行焊接。焊接完成之后，机器人收到完成信号，即把焊好的焊件抓取到输送机上，完毕之后，机器人回到原位置，这样一个完整的动作即完成。

采用焊接机器人代替人工完成工作条件复杂的焊接工作，同时采用信息系统、安全防护系统等，实现焊件焊接生产线的管理和工人的安全防护。通过这些装置及系统的配合运作，实现了焊接的高效率、高质量生产，同时为客户减少了大量人工成本，实现汽车制造自动化。

2.技术内容：

本课题研究一种用于汽车车身凸焊自动化装置及其工作方法，它主要是将视觉系统应用到焊接装置中并辅助外部轴实现工件的焊接，此装置在传统工艺上进行了优化，降低了成本，缩小占用空间，并使其便于安装和操作，同时达到工作性能稳定的特点。

2.1技术方案：

整个控制系统包括：Fanuc六轴机器人，传送带，螺母输送机，螺母焊接机，电气控制柜，触摸屏操作台，外围设备，冷水系统等。以上所述各部分连接及功能：机器人通过视觉系统得到抓取位置和信号，抓取到钣金件，移动到凸焊机上，准确放在焊机的焊枪上，由螺母输送机输送螺母到焊枪上，凸焊机下压，通过压力和电流来把螺母和钣金件焊接在一起。

PLC系统选用三菱PLC，采用CC-Link总线与焊接机器人通讯。采用I/O开关量的方式与外围设备（气缸、回讯器、监测、安全保护装置等）进行直接控制，I/O接口配置的预留量大于20%。

系统包含PLC控制系统、HMI人机界面、气缸、回讯器和指示灯，PLC系统完成对本系统的控制、监控。PLC控制系统具有自动控制、系统故障检测、保护、报警等功能，有自动、手动两种运行模式。

系统的启动、停止、急停等运行模式均通过HMI人机界面进行。系统的运行状态，以及系统报警可在HMI人机界面上显示出来。也同时三色灯柱灯显示系统运行状态。

围栏上设有急停按钮，在系统发生紧急情况时，按下急停按钮来实现系统的紧急停止，并同时发出报警信号。在焊接生产线输送工件时，控制系统将发出声、光报警信号。

整个系统可以采用PLC实现，PLC是一种广泛应用的具有模块化结构的工业控制设备，抗干扰能力强。利用PLC可以快速搭建具有指定功能的工业设备。采用PLC作为控制装置可以实现视觉系统在凸焊站自动化的控制。

控制部分组成：三菱Q62P电源，Q06UDEHCPU,QX40输入模块，QY10输出模块，QJ61BT11NCC-LINK通讯模块组成。

上下料部分由上料输送带和下料输送带两部分组成。

2.2工作站布局图

图2-1工作站布局图

视觉凸焊系统总成由视觉部分，机器人部分，焊接部分，上下料部分，控制部分总共五大部分构成。

本站总分传送带上料工业相机识别，引导机器人坐标定位焊接和人工大件预约，机器人取件焊接两大功能。

触摸屏HMI人机界面能显示自动焊接生产界面，机器人状态画面，报警画面，及其手动界面。使人能清楚明了的通过触摸屏来检测整个系统的工作状态，检修期间也可以通过手动操作对整个系统进行手动。

（2）视觉的应用：

视觉系统是由工业相机和工控机两部分组成；产业工人最重要的是用眼睛看，用手去完成一些事情，这个就是带视觉和触觉相互配合的功能。还有一个就是学习能力，新工人在工作之前要进行培训，从生疏到熟悉需要一定的时间，但是机器人这个过程是不需要的，只要硬件和软件配合好了，可以重复应用在所有的机器人系统中。且它完成的效率和精度都要高于人。在生产线上，人来做此类测量和判断会因疲劳、个人之间的差异等产生误差和错误，但是机器却会不知疲倦地、稳定地进行下去。一般来说，机器视觉系统包括了照明系统、镜头、摄像系统和图像处理系统。对于每一个应用，我们都需要考虑系统的运行速度和图像的处理速度、使用彩色还是黑白摄像机、检测目标的尺寸还是检测目标有无缺陷、视场需要多大、分辨率需要多高、对比度需要多大等。从功能上来看，典型的机器视觉系统可以分为：图像采集部分、图像处理部分和运动控制部分。

本系统中所解决的首要问题就是视觉识别，工业相机采集到焊件的图片的同时也给PLC和机器人发送了图片采集信号，机器人才会做出相应的下一步动作。其次解决的就是模拟人触觉的部分，机械手臂末端安装吸盘，接触到焊件即被机械手臂抓取，并且确定牢固过程中不会有任何移动和偏差。最后机器人按照事先编好的运动轨迹，准确把焊件的空对准焊机。螺母输送机收到信号，开始输送螺母，螺母到位后，焊机焊接开始，完成之后给机器人完成信号，机器人把焊接送到传送带上，最后回到原点，整个焊接过程完成。

目前只能先把焊件传送到固定位置，机器人才能准备的进行抓取，运送。下一步需要机器人能在工件的位置不是固定不变的情况下，机器人需要根据工件的实际位置对工件进行准确抓取和作业路径进行修正。国际上机器视觉系统的应用方兴未艾，而在国内，工业视觉系统尚处于概念导入期，各行业的领先企业在解决了生产自动化的问题以后，已开始将目光转向视觉测量自动化方面。

3.结论：

本文研究了机器视觉抓取在车身凸焊焊接中的应用，系统定义了每种工件的标准位置，把位置划分为ABCD四个区间，在已知相机参数的情况，可得到机器臂与目标的相对位置，该系统适用于多种形状的工件的抓取，整个系统操作简单、成本合理，且抓取成功率比较高、抓取过程时间段等特点。实验证明，该系统具有较高的定位精度，满足工业生产的要求，对于提高工业生产的自动化水平具有重要的意义。