百格拉直角坐標(biāo)機器人在工件檢測中的應(yīng)用

作者：周文寶

職務(wù)：沈陽百格機器人有限公司技術(shù)部經(jīng)理

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產(chǎn)品：德國BergerLahr公司和Roboworker公司中國總代理

一 直角坐標(biāo)機器人的定義及主要特點

機器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個或3個以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動化設(shè)備。這里自由度就是指可運動或轉(zhuǎn)動的軸。直角坐標(biāo)機器人是以直線運動軸為主，各個運動軸通常對應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸，Y軸和Z軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機器人的各個直線運動軸間的夾角為直角。

直角坐標(biāo)機器人主要由一些直線運動單元，驅(qū)動電機，控制系統(tǒng)和末端操作器組成。針對不同的應(yīng)用，可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機器人。從簡單的二維機器人到復(fù)雜的五維機器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從食品生產(chǎn)到汽車裝配等各行各業(yè)的自動化生產(chǎn)線中，都有各式各樣的多臺直角坐標(biāo)機器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作。可以說直角坐標(biāo)機器人幾乎能勝任幾乎所有的工業(yè)自動化任務(wù)。下面是其主要特點：

1任意組合成各種結(jié)構(gòu)樣式，帶載能力和尺寸的機器人。

2采用多根直線運動單元級連和齒輪齒條傳動，可以形成幾十米的超大行程機器人。

3采用多根直線運動單元平連及各帶多滑塊結(jié)構(gòu)時其負(fù)載能力可增加到數(shù)噸。

4 其最大運行速度可達(dá)到每秒8米，加速度可達(dá)到每秒4米。

5 重復(fù)定位精度可達(dá)到0.01mm~ 0.05mm。

6 采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復(fù)雜軌跡的工作。

  德國百格拉公司是世界上最著名的直角坐標(biāo)機器人供應(yīng)商之一，生產(chǎn)多種規(guī)格的直線運動單元/導(dǎo)軌、步進(jìn)電機、交流伺服電機、直線電機和多軸數(shù)控系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ)，在短時間內(nèi)可提供各種規(guī)格的線性導(dǎo)軌、二維、三維標(biāo)準(zhǔn)機器人及用戶專用機器人和生產(chǎn)線。這些機器人可以裝備焊槍、通用手爪或?qū)Ｓ霉ぞ撸瓿珊附印徇\、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂等一系列工作。由于百格拉的導(dǎo)軌、驅(qū)動電機、減速機和控制系統(tǒng)等所有部件全部自己生產(chǎn)，使得機器人整體性能更加優(yōu)異。十多年來出廠的機器人和生產(chǎn)線全部在正常工作，深受包裝機械、印刷機械、機械電子、汽車、食品、藥品和化妝品生產(chǎn)等行業(yè)新老用戶的厚愛。

  百格拉公司的120多名專家及工程技術(shù)人員成功開發(fā)生產(chǎn)了各種規(guī)格的線性導(dǎo)軌，并在此基礎(chǔ)上與用戶密切合作開發(fā)通用及專用機器人，已為許多廠家提供了數(shù)千臺各種專用機器人及生產(chǎn)線。其中一個應(yīng)用領(lǐng)域是工件質(zhì)量檢測。在超大批量生產(chǎn)中，每個產(chǎn)品的主要功能乃至整個產(chǎn)品的所有功能都必須經(jīng)過嚴(yán)格的100%的檢測，而檢測周期又很短，這就需要專業(yè)的工件檢測機器人。下面介紹一個在機器視覺精確定位下直角坐標(biāo)機器人對產(chǎn)品的檢驗應(yīng)用案例。

二 任務(wù)描述

被檢測的產(chǎn)品被整齊放在一個5000*5000mm的檢測平臺上。每個產(chǎn)品的尺寸大約是40*40mm，整個平臺被均分成120行和120列的矩陣式14400個小格，每個格的尺寸是40*40mm。每個格中心處放一個產(chǎn)品，其位置有1mm左右的誤差，但誤差僅是在X和Y方向上，而產(chǎn)品的方向是足夠準(zhǔn)確的。機器手要把測量頭準(zhǔn)確插入產(chǎn)品信號端子上，測量儀器發(fā)出幾種檢測信號，來檢驗該產(chǎn)品的各個功能是否正常工作。測量儀器接收產(chǎn)品的輸出信號，并以此為依據(jù)來判斷產(chǎn)品是否合格。測量儀器要給出不合格產(chǎn)品的位置。在上面的工作過程中，機器人必須知道每個產(chǎn)品的準(zhǔn)確位置，誤差要小于0.1mm, 這樣機器人才能把測量用插頭準(zhǔn)確插入產(chǎn)品信號端子上。

三 所選用的機器人

工作平臺的有效面積是5000*5000mm，這里要選擇一個有效行程為5200*5200*300mm的三維機器人。為了測量每個產(chǎn)品的準(zhǔn)確位置，我們在機器人的Z軸上安裝了CCD智能相機，由機器人按事先定好的位置運動到被測產(chǎn)品的上面，CCD智能相機鏡頭與被測產(chǎn)品的最高面的高度是100mm，保證視場范圍是70*70 mm。

  為此我們選用德國百格拉公司的三維龍門式直角坐標(biāo)機器人。通過下面的簡單分析來介紹各個運動軸的選擇。由于CCD相機及所配電纜的總重量大約500克，測量用插頭及所配電纜的總重量大約1000克，向上拔出測量用插頭的力量大約1000克，Z軸總負(fù)載大約為2500克，所以Z軸選用負(fù)載為10公斤的LM-P608 R—T5抓取式導(dǎo)軌。考慮到可能有幾種不同高度的產(chǎn)品要檢測，Z軸的最大行程選為300mm，Z軸驅(qū)動電機為帶抱閘的百格拉公司交流伺服電機SER3916/5S，Z軸自重加上所有負(fù)載和驅(qū)動電機為21.6公斤。Y軸選擇為兩根LM-P812-AT10，有效行程為5200mm，驅(qū)動電機為SER3913/5S，配德國紐卡特精密行星減速機PLE80-8，Y軸自重加上所有負(fù)載（Z軸）和驅(qū)動電機為200.3公斤。根據(jù)Y軸，Z軸重量及所有負(fù)載和驅(qū)動電機的總重量，所以X軸選用LM-P/S812 R-AT10，有效行程為5200mm，驅(qū)動電機為SER3913/5S配德國紐卡特精密行星減速機PLE80-8。

四 控制結(jié)構(gòu)和CCD智能相機

  該機器人的控制系統(tǒng)采用德國運動技術(shù)公司（Movtec）的三軸運動控制卡DEC4T3和運動控制軟件Editasc。DEC4T3運動控制卡是基于PC機，專用控制3臺步進(jìn)電機和數(shù)字伺服電機的運動控制卡。EdiTasc不僅是MOVTEC公司各種控制卡配套的通用數(shù)控軟件，它也是一個高度開放的開發(fā)平臺，可以直接控制各種工業(yè)自動化設(shè)備，或方便的開發(fā)用戶專用頁面及控制系統(tǒng)。DEC4T3自帶36路數(shù)字輸入輸出口作為限位開關(guān)，控制CCD智能相機和起動檢測儀器。

  CCD智能相機選用德國Vision Components GmbH公司的智能相機VC2028。智能相機就是一個獨力的圖象處理系統(tǒng)，它包含Sony 1/2” 640*480點的CCD芯片，逐行掃描每秒25楨圖像，存儲器配置是16 MB SDRAM, 2 MB Flash Eprom, 8 bit overlay, CPU是TMS320C62XX，速度是1200MIPS （每秒1200百萬指令）。我們把調(diào)試好的圖象處理軟件下傳給VC2028，當(dāng)VC2028上電后該軟件就自動工作。VC2028通過自帶RS232口 可以把計算出來的位置數(shù)據(jù)傳給PC機。VC2028還自帶4路數(shù)字輸入口和4路數(shù)字輸出口，用于與控制軟件協(xié)調(diào)同步，VC2028的視場范圍是70mm×70mm。

五 工作過程：

  整個工作臺上有80×120個產(chǎn)品，X軸方向有80行，Y軸方向有120列，每個產(chǎn)品占60*40mm的工作臺面。 先對第一行的第一個產(chǎn)品進(jìn)行檢測，然后是第一行的第二個產(chǎn)品，如此依次到最后是第一行的第八十個產(chǎn)品。完成對第一行所有產(chǎn)品的檢測后，再對第二行上從第一列上的產(chǎn)品到第一百二十列上的產(chǎn)品依次逐個進(jìn)行檢測，如此依次逐行逐列對所有產(chǎn)品進(jìn)行檢測。

  利用EdiTasc通用數(shù)控軟件的Mtasc語言可以很方便簡單地完成上面的定位運動。程序結(jié)構(gòu)大體如下：

I = -1; /* 行位置變量 */

J = -1; /* 列位置變量 */

For 120 { /* 逐行檢測產(chǎn)品 */

I = I + 1;

For 120 { /* 逐列檢測產(chǎn)品 */

J = J + 1;

If (Input1 == 1) { /* 輸入口1，一個產(chǎn)品檢測完信號，可以運動到下個產(chǎn)品上面 */

Xposi = I * 120 + 60; /* 下個產(chǎn)品的行位置 */

Yposi = J * 80 + 40; /* 下個產(chǎn)品的列位置 */

X Xposi Y Yposi MF ; /* Z軸快速運動到該產(chǎn)品上方 */

Wait 0.0; /* 等待0.0秒，目的是保證Z軸已運動到該產(chǎn)品上方*/

}

Out Output1 /*輸出口1給CCD像機信號，Z軸已到產(chǎn)品的上面，開始檢測工作*/

}

}

 機械手先將Z軸運動到產(chǎn)品上面后，然后輸入信號給VC2028。當(dāng)VC2028檢測到一路輸入信號為高電平時就開啟閃光燈，同時抓取一幅圖象。圖象處理軟件的功能大體如下：

1）第一步是先對圖象二值化處理，由于采用近似平行光從側(cè)面照明，產(chǎn)品的兩個幾乎相互垂直的外邊可以很清楚地被檢測出來。

2）第二步是對兩個幾乎相互垂直的外邊的位置和幾個孔的位置進(jìn)行推算，為得到更準(zhǔn)的位置，利用子像素差補技術(shù)求出多個位置，選出合理合格的數(shù)據(jù)，再取它們的平均值。

3）把得到的位置數(shù)據(jù)通過RS232傳給EdiTasc軟件。EdiTasc通用數(shù)控軟件得到新的位置數(shù)據(jù)后，根據(jù)所得位置的差來移動X軸和Y軸到產(chǎn)品上面。實際中0.1mm的位置差對于百格拉的機器人很輕松得到保證。

  到達(dá)產(chǎn)品的正上方后機械手把測量用插頭迅速準(zhǔn)確插入產(chǎn)品信號端子上，先給產(chǎn)品通電，然后測量儀器按一定時序發(fā)出檢測信號，接收該產(chǎn)品對應(yīng)各個功能時的輸出信號，并以此為依據(jù)來判斷產(chǎn)品是否合格。在Z軸把測量用插頭插入產(chǎn)品信號端子過程中，為了安全，控制軟件要通過輸入口檢測插入到位信號。當(dāng)控制軟件通過輸入口得到檢測完信號后開始把Z軸升高100mm,同時要檢驗測量用插頭已真正拔出來了才可以開始下一個產(chǎn)品的檢驗。

六：結(jié)論

  采用德國百格拉公司的直角坐標(biāo)機器人后使上面的產(chǎn)品質(zhì)量檢測速度大為提高，而且沒有遺漏現(xiàn)象出現(xiàn)，節(jié)省大量人力，從而降低人工成本。該機器人在正常維護(hù)下至少運行十年。德國百格拉公司的直角坐標(biāo)機器人及機器視覺系統(tǒng)還廣泛應(yīng)用于灌裝機，紙張檢驗，朔料印刷品檢驗，布料質(zhì)量和木材表面質(zhì)量檢驗等方面，同時德國百格拉公司還生產(chǎn)具有物體識別及搬運等功能的機器人。以下為德國百格拉直角坐標(biāo)機器人的典型應(yīng)用：

1）從面包包裝，雞蛋噴碼到BOURJOIS公司和LAUDER化妝品公司口紅的裝配和包裝乃至很多藥品的包裝都應(yīng)用百格拉的機器人設(shè)備；

2）精密工件和電子產(chǎn)品的裝配，檢測和包裝：如西門子和諾基亞的手機生產(chǎn)中，飛利浦和Suntec的電子元件生產(chǎn)線；

3）其它一些大批量產(chǎn)品的質(zhì)量檢測和裝配。

4）大眾和奔馳公司的汽車的生產(chǎn)線，博世公司內(nèi)部自動化生產(chǎn)線，海德堡印刷機生產(chǎn)線等。隨著大批量自動化生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，很多產(chǎn)品需要在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中進(jìn)行全面的檢測,探傷和清洗，這類直角坐標(biāo)機器人將具有更廣范的市場前景和發(fā)展?jié)摿Γ?span lang="EN-US">