基于混合现场总线的低成本机器人视觉识别方案

周宇

摘 要 采用基于Modbus和Profibus的混合总线技术，实现了工业相机——PLC——工业机器人之间的低成本的数据传送。基于相机识别的工件坐标数据，工业机器人可以准确地跟踪和抓取工件。

关键词 总线通讯 机器视觉 工业机器人

工业机器人作为一种多轴、多功能通用型工业设备，近年来在各种工业领域都得到了快速的推广和应用，我国已经连续三年成为全球最大的工业机器人采购国。将各种末端执行器：手爪、吸盘、焊枪、喷枪与工业机器人集成，可以准确而高效地完成搬运、码垛、装配、焊接、喷涂、抛光、打磨等工业现场任务。在工业机器人的各种应用场合中，待处理毛坯件的准确定位，都将直接影响机器人自动化工作站的加工精度。目前常用的定位方法是采用高精度的液压/气动夹具系统，这种方法的缺陷在于整个夹具系统的制造周期长、成本高、柔性化不足。与此同时，在食品、小型机械零部件、电子元器件等轻工业产品的生产过程中，生产对象的力学强度较低而生产节奏快，传统的夹具系统并不适用。为了解决这一问题，各大产商近年来开发了各种机器视觉软/硬件解决方案，如ABB公司的Integrated Vision、FANUC公司的iR-Vision等。将视觉系统与机器人工作站系统集成后，机器人可以根据相机拍摄到的工件种类、坐标、角度等数据准确的捕获工件，免去了机械定位夹具系统，提升了整个生产线的柔性化程度。然而这些机器人产商集成的视觉系统，往往价格比较昂贵，机器人用户迫于成本的压力，限制了这一类视觉解决方案的大范围推广和应用。

现场总线作为一种工业现场使用的数据总线，能够实现各种仪器仪表、控制器、执行器之间的数据信息传递。以Profibus、Profinet、cc-Link、Modbus为代表的各种总线协议在工业现场设备中都有大量的使用，[1-3]目前的现场总线多用于传递DI/DO类信号或者变频器的控制字等信息。本文利用Modbus-TCP和Profibus-DP两种协议实现了第三方视觉系统与ABB机器人之间关于工件坐标类数据的交互，大大降低了机器人视觉系统的集成成本。

1 硬件构成

本方案的硬件系统由三大部分构成：（1）视觉相机系统、（2）主控PLC系统、（3）机器人系统。

视觉相机系统采用无锡信捷电气的SV4智能相机和专属的相机控制器SIC-242，该相机配置了RS485串口和100M以太网接口，能够支持CAN、Modbus-RTU、Modbus-TCP等多种通讯协议。

主控PLC系统采用西门子最新的小型机S7-1200 CPU1215C，该机的CPU模块集成有两个Profinet接口，可以通过Modbus-TCP协议实现相机数据的传输。由于该CPU上没有Profibus-DP接口，为了实现PLC与机器人端的数据通讯，为该PLC配置一个Profibus-DP主站模块CM 1243-5。

工业机器人采用ABB 1410型6轴机器人，ABB原厂配置的Profibus-DP从站模块型号为DSQC 667，描述性文件编号为hms_1811.gsd。

2 通讯与控制程序

2.1 通讯方案与网络连接

该系统中通信的任务主要有两个方面：（1）工业相机与PLC之间数据的传输；（2）PLC与机器人之间数据的传输。

工业相机与PLC之间交互的数据包括相机拍照的触发信号和拍照完成信号以及拍照所识别到的工件坐标类数据。使用以太网线将相机和PLC分别连接到交换机，采用Modbus-TCP协议实现两者之间的通讯，其中相机为Modbus Server端，PLC为Modbus Client端。數据的读和写都由PLC控制。

PLC与1410机器人之间交互的数据包括机器人的启/停类信号以及工件坐标数据。使用D型9针插头将屏蔽电缆线分别连接到CM 1243-5和DSQC 667的对应接口，采用Profibus-DP协议实现两者之间的通讯，其中PLC为Profibus-DP主站，机器人为从站，数据的读和写都由PLC控制。整个系统的网络连接拓扑图如图1所示。

2.2 组态过程

相机的组态采用X-SIGHT STUDIO软件完成，在软件中将相机的地址配置为192.168.8.1，同时根据实际需要为拍照类数据和坐标类数据配置对应的Modbus偏移地址，配置完成后将相机转换为运行模式。相机配置的数据如图2所示。

PLC和机器人的通讯组态在西门子TIA PORTAL软件中完成。在PORTAL软件中首先安装机器人Profibus-DP的描述性文件hms_1811.gsd，然后在网络视图中依次组态CPU 1215C和通信模块CM 1243-5，将CM 1243-5接口属性组态为“PROFIBUS”的主站，站地址为2。机器人从站模块DSQC667在PORTAL中的路径为：“硬件目录”-“其他现场设备”-“PROFIBUS-DP”-“常规”-“HMS industrial Networks”-“Anybus-CC”，将从站地址配置为3。组态从站模块的同时，需要设置主站对应的通讯寄存区，本次通讯为1200PLC配置了5个字的输出和1个字的输入地址，其中前四个字的输出用于将工件的四种坐标数据：X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标、角度坐标传送给机器人，最后一个字为机器人控制字，用于控制机器人启动/停止，以上数据对应的PLC输出映像寄存区地址为：QW68-QW76。输入寄存区IW68用于实时读取机器人的运行状态字。机器人从站的组态参数如图3所示。

2.3 机器人端信号配置与处理

由于坐标类数据的特殊性，可能出现正负数和浮点数的情况。机器人端的信号配置无法使用常见的DI/DO类数据与PLC的发送数据对接，需要使用机器人的模拟量输入信号（AI）或者组输入信号（GI）来对接，但是GI无法表示浮点数，所以本次通讯采用AI信号来对接工件的坐标数据，信号的配置过程分为两步：（1）从站端参数设定；（2）数据类信号的设定。

由于DSQC 667板没有DIP地址开关，站地址和通讯容量都是在机器人示教器上通过系统参数来设定的。设置路径为：控制面板-配置-I/O System-Industrial Network（PROFIBUS Internal Anybus Devices），其中通讯容量的输入/输出范围上限为64字节。

机器人端的4个AI信号需要分别与PLC内部4种工件坐标数据对接，其设置路径为：控制面板-配置-I/O System-Signal。以新建一个X轴坐标数据Xdata为例，需要设置的参数见表1。

2.4 程序处理

PLC作为整个系统的主控制器，其触发相机拍照之后，相机可能识别到工件也可能未识别到工件，如果未识别到工件，则PLC将从相机端读取到全部为0的数据（代表没有任何工件在相机检测范围之内）。因此PLC与相机通讯完毕后，必须对其读取到的数据进行提取和处理，如果能提取到非0的有效数据，则表示相机检测到了工件，PLC程序流程如图4所示。

机器人作为执行机构，定义对应的全局变量X、Y、Z来对接模拟量中暂存的坐标数据，并且在收到PLC发送的启动字（启动字=1）后，开始抓取工件，抓取完成后，将状态字置为0（停止状态），PLC读取到机器人的状态字为0，将自动开启下一次触发拍照的流程。机器人程序段示例如图5所示。

3结语

本文中所描述的配置和通信方案，能够实现机器人对于非机械定位工件的正确捕获，该系统具有以下特点：

（1）在现有设备的基礎上，混合采用Modbus和Profibus两种总线协议，以较低的成本实现了坐标类数据在相机-PLC-机器人之间的实时传送。

（2）可以配置相机程序和PLC程序和算法，实现一条产线对于多种货物的分拣和生产，整个系统具有较高的柔性。

（3）由于Profibus通讯协议为定周期通讯，如果工件运动速度过高，需要为机器人端配置Multi Tasking功能，将工件数据的传送与赋值类程序放置于后台实时运行。

参考文献

[1] 杨乔富，高龙琴.柔性制造单元中MOTOMAN机器人与PROFIBUS之间的通信[J].机械工程师，2007（2）：42-43.

[2] 杨恒亮，朱浩翔，鲁迪.一种基于3D视觉补偿的机器人整车涂胶应用[J].装备机械，2010（1）：19-21.

[3] 西门子公司.SIMATIC NET CM1243-5操作说明[J].装备机械，2010（1）：19-21.