基于2.5D视觉技术的智能装备系统设计

作者：曹  飞，高云鹏，王  豪，周江林，张  博

针对家电等行业对智能装备的需要，介绍了一种智能涂胶系统的设计，以壶底工件作为研究对象，详细描述了该系统的原理和硬件搭建过程。该系统由数字相机确定待涂胶区域中心点的X/Y坐标值，由激光传感器确定Z坐标值，从而确认工件待涂胶位置，引导机器人完成点胶工作。该示范线同样适用于其他多品种工件的智能装备系统。

引言

针对种类多、公差大且作业要求精准的产品，其作业位置的判别非常重要。因此在工业机器人上建立一套视觉系统，使得机器人针对外部环境的变化可及时调整，有利于机器人跟踪、识别等一系列操作，提高工业机器人的适应性和灵活性。本文以热水壶壶底作为研究对象，对智能涂胶机器人进行视觉系统的应用研究。本文所述智能涂胶系统与三维视觉系统、双目视觉系统相比，具有性价比高的特点；其应用不局限于涂胶行业，同时基于视觉的技术还可应用于焊接领域[1-3]。

1  智能涂胶系统技术路线       

某工厂内热水壶壶底主要有4种型号，如图1所示，其加热环是人工手动放置在金属盘上，造成各工件加热环相对于金属盘的轴向和径向位置之间有一定的差异；涂胶工位需要分别在待涂胶位置（圆柱体）1、2的中心点处正上方滴胶，稀薄的胶液流动后可将整个圆柱体包裹。该胶液为防水胶液，胶量少时难以将整个圆柱体完全包裹；而胶量多时易流至加热环外端的金属盘（如图1左上工件），形成废品，因此上述操作对工人技术要求非常高。

该涂胶工艺难点在于涂胶位置的精准判断，据工厂统计，壶底涂胶工艺废品率高达20%。为解决上述问题，本文进行了智能涂胶系统研究，设计使用视觉系统配合六轴机械手完成壶底的涂胶工作。

壶底加热盘为铸造件，待涂胶位置点的高度不尽相同，因此必须准确获取涂胶圆柱体的空间三维位置才能保证涂胶工艺顺利完成。智能涂胶系统技术路线如图2所示，本文使用数字相机确认待涂胶位置中心点的平面坐标值，使用激光传感器确认高度坐标值，以上数值经坐标转换后通过总线方式传递给机器人，引导机器人完成壶底点胶、涂胶工作[4-7]。

2  智能涂胶系统硬件设计

该系统由六自由度机械手、数字相机、激光传感器、供胶系统和传动系统组成。其中，机械手采用负载为6 kg的六自由度机械手；视觉系统采用数字相机和激光测距仪配合，实现涂胶点的空间三维测量，由于工件为圆形，因此视觉系统采用环形光源；供胶系统采用塑料胶桶、顶针式小份量阀门和针头，按要求可进行点胶或轨迹涂胶。

2.1  数字相机选型

本文工件直径最大约为200 mm，设计视野FOV取300 mm；工艺误差P＇=1 mm；机械手末端工具误差相对相机误差的倍数取5，根据P＝5×FOV/P计算可得相机分辨率P=1 500。本研究选择200万像素相机，其图像尺寸大小为1 600×1 200。

200万像素相机的SS（相机感光元件尺寸）为8.8 mm×6.6 mm；视野FOV为300 mm；WD为相机距离工件的高度，根据安装尺寸取300 mm。根据SS/F＝FOV/WD计算，选择6 mm镜头。

2.2  激光传感器选型

工作时，激光传感器距离工件约为300 mm，本系统选择有效行程为300 mm的模拟量激光传感器。

2.3  硬件系统搭建

相机、激光传感器、胶枪安装在机械手末端，三者中心点间隔120°均匀分布在以机械手末端中心点为原点、150 mm为半径的圆上，如图4所示。运行过程中，任意型号壶底工件随意放置在皮带线上，当壶底工件运行到机器人涂胶工位时，皮带线停止转动，相机拍照确定待涂胶位置点。为提高本系统的精度，该系统使用二次定位，第一次拍照使相机移动到壶底工件的中心点，防止由于拍摄角度而造成对圆柱体上涂胶位置的误判，当相机运行至中心点的正上方，进行第二次拍照，确认工件的待涂胶位置。系统可根据工件种类、涂胶位置和涂胶高度进行调整。

在实际应用中，需注意生产现场的光线问题，恒定光源是最理想的条件。但部分实际生产现场往往靠近门窗或车间顶部含有天窗，这就导致生产光线随着日光和天气的变化在不停改变，影响视觉系统的效果，此时可以调整视觉系统配套的光源或者根据现场设计遮光装置来保证光源稳定[6]。

3  智能涂胶系统软件设计

3.1  视觉系统设计

相机参数的标定是非常关键的环节，其标定结果的精度直接影响最终涂胶区域中心点坐标值的准确性。系统采用传统标定法，通常是使用9点或12点标定，为提高本系统的标定精度，选用16点进行标定，如图7所示，图中圆圈代表基准位置，六角星代表测量位置，箭头指示机器人移动方向。

通过16点标定，可以将机器人的坐标系与相机的坐标系对应起来，视觉的像素距离可以转化成机器人在XY空间上的实际移动距离。  

3.2  激光传感器系统设计

本文所应用激光传感器的有效感应距离为（300±150）mm，接线如图8所示。

传感器正常工作时，输出量为电流模拟量，输出范围为4～20 mA，距离传感器最近距离点的输出为20 mA，最远距离点的输出为4 mA。根据输出值可计算传感器到工件待涂胶圆柱体的距离为：

式中：I为传感器输出电流值；D为传感器与测量点的距离值。

设D′为圆柱体与机器人传感器的理论距离，当D∈[D′-2，D′+2]时，传感器判断合格，并将上述数值以总线方式传递给机器人。传感器与胶枪相对位置固定，与工件距离比胶枪多80 mm，因此机器人旋转120°并竖直下降d（d＝D-80）后即为待涂胶区域点胶处。

3.3  控制系统整体结构

CC-Link是一种高可靠性、高性能的网络，本文研究了CC-Link现场总线的通信原理、基本通信结构及FX系列PLC的系统构成，分析了CC-Link现场总线的通信协议与网络搭建模式，重点研究了基于CC-Link现场总线的PLC控制系统的硬件设计、软件设计、监控画面设计、抗干扰设计和系统的调试。

本系统以传送线的PLC作为主站，工业机器人作为从站设备构成CC-Link网络，如图9所示，智能相机及激光测量传感器分别通过RS232和AD转换模块将数据传送到PLC，PLC再通过CC-Link现场总线将数据传送到机器人，实现机器人与多种外设之间的通信，减少了通信的方式和复杂程度，实现了系统的集中控制和管理。 

4  试验验证

将不同型号的工件随意放置于皮带线上，经过两次定位，其待涂胶位置处的形状搜索和点胶示意图分别如图10、图11所示。通过在圆柱体上标记，在实际运动过程中，测量比对实际运行位置与圆柱体上标记点的位置，在XY坐标平面上精度为0.3 mm，Z方向精度为0.2 mm，符合工艺要求。

5  结语

本文采用数字相机+激光传感器的方式对智能涂胶系统进行了设计，分别完成硬件系统的选型及搭建、软件系统和通信系统的设计。通过试验验证，该试验系统可完成多种型号壶底的点胶，也适用于其他多品种工件的点胶、涂胶工作。

审核编辑：郭婷