机器人在注塑机生产线自动化改造中的应用

张凯明

摘要：随着注塑行业的不断发展，对产品加工質量和效率要求在不断提高，注塑自动化技术应运而生，通过工业机器人及自动化设备相配合使得整条注塑生产线的效率和质量都得到了提升｡但是仍有一些结构复杂、工艺特殊的产品难以实现生产线的自动化，依赖人工进行上下料，耗时过长，定位精度低，产品质量难以保证｡

关键词：注塑自动化;生产线;控制系统

1工业机器人在自动化生产线上的应用

在自动化的生产过程当中，有很多需要单一搬运的工作｡这里所说的搬运工作，指的是将一个或多个工件，从一个地点转移到另一个地点的工作｡早期的生产过程中，大多是靠人力进行搬运工作，其工作强度之大，工作效率之低可想而知｡由于工业自动化程度越来越高加上工业生产的节奏越来越快，负责搬运工作的工业机器人越来越多的被工厂所使用，相对于传统人力搬运，利用机器人搬运，可以设计不同的末端执行器来配和完成各种各样形状不同的工件的搬运工作，这样也可以极大的减轻人力的单一搬运工作｡各式各样的搬运机器人被普遍应用于汽车装配制造生产线、机床上下料、冲压机自动化生产线、码垛搬运生产线以及集装箱等的自动搬运[1]｡

工业机器人与注塑机之间的关灯工厂渐渐替代了人工生产线，正在成为主流，并且逐渐在加工制造企业得到应用｡在国外，工业机器人在各行各都有所涉及，包括运输领域、机械装配、焊接领域等｡因此一些具备世界影响力的工业机器人公司也就运用而生，其中有ABB、FAUNC、安川、KUKAlM｡ABB公司主攻机器人的控制、程序延展性比较好;德国KUKA在汽车领域应用很多，对设备进行了很多的标准化处理，人工操作起来十分便利;日本的FAUNC在机器人数字控制方面优势明显，到2015年，该公司在全球范围内的机器人应用数量己超过40万台;日本的安川公司的机器人销量同样可观｡这四大机器人家族在行业内树立标杆，几乎垄断整个工业机器人领域，并且在减速器，运动控制，安全设计等关键技术方面要长期积累，表现优异[2]｡

根据调查，2016年以来，我们国家的机器人普及率远远低于一些经济发达的欧美国家，为此，国家还专门制定了很多刺激政策来促进我国在该领域的发展｡《中国制造2025》计划就是其中的典型，它将机器人的研发与制造作为了国家发展的重要战略目标[3]｡掌握智能机器人的关键技术，是中国由工业大国向工业强国迈进的重要指标之一｡国家积极支持培养龙头企业，使得我国的机器人行业正在大踏步地向前发展迈进，追赶国际上先进的标杆行业，也有利于我国经济的发展｡

2基于视觉的机器人剪浇口系统

2.1视觉引导系统的方案设计

机器人视觉系统的控制方式有两种形式：

（1）先看后动的控制方式｡顾名思义，这种控制形式是先进行图像采集，然后机器人在根据所采集的图像进行姿态调整，引导机器人末端执行器到达特定位置｡

（2）视觉伺服的控制方式｡也称边看边动｡简而言之就是讲摄像机与机器人绑定在一起，摄像机随着机器人的移动而移动，由于拍摄环境的不停改变，这就要求摄像机需要时时刻刻进行图像采集，然后计算机实时处理图像特征处理，机器人随之调整姿态，做出相应动作[4]｡

考虑到机器人在切割浇口时，浇口的位置过于分散｡在切割过程中难以实现多个目标的实时采集，所以决定采用上述第一种控制方法一先看后动（Look-then-Move）的开环控制方式｡由于该种方式对切割时位置精度要求较大，故需要保证整个系统具备很高的标定精度｡

剪切浇口的工作原理为：将摄像机固定好，去逐一拍摄每一个浇口，经过图像处理后将得到的信息传给计算机，由工业机器人的末端执行器的移动，调整其位姿，最终实现预期的切割作业[5]｡

本系统构成的主体为库卡工业机器人和位置固定的机器视觉系统｡库卡机器人的型号为KR 120R3900ultraK，属于六自由度工业机器人｡

2.2硬件系统设计

机器人剪浇口系统的基本组成有工业相机、镜头、光源发生器｡KUKA机器人及其控制柜和主控PLC配合使用｡在视觉引导系统的方案设计中提到，本系统采用固定相机的方式进行图像采集，工业相机与光源发生器通过铝型材等连接件固定在激光切割机上方｡

（1）工业相机

由于相机需要与工业机器人进行通讯，因此选择Cognex千兆网以太网对切割时候需要的图像进行采集的工业相机，型号为IS8405-363-10，加上型号为BWHXA30D120R5W-24V的环形光源｡

（2）镜头

镜头的选择影响着整个系统的稳定性｡在选择合适的镜头时，需要考虑到以下相关参数：

1）靶面尺寸：要注意与之相对应的相机靶面尺寸的大小是否合适;2）镜头接口方式｡3）光圈大小：光圈决定镜头在单位时间内的通光量｡4）焦距：焦距作为镜头的重要参数之一，它决定了摄像机的拍摄范围[6]｡

（3）安装方式

在工业现场测试中可以获得较好的图片对比度和图片质量｡

2.3软件平台的搭建

以微软VisualStudio（以下简称VS）为主功能框架，配置Visionpro视觉处理软件对图像进行处理｡相较于LabVIEW等其他软件开发平台，VS具有集成度高、开发周期短可读性好等优点｡由于KUKA机器人一般是通过其内部提供的KRL（KUKARobeot Language）进行编程｡本系统采用的控制方式为视觉传感器将采集到的图像信息发送给PC机进行处理，然后将所得结果发送给机器人控制器进而引导机器人运动｡

2.4图像获取

本视觉系统采用CCD摄像机，将硬件连接完成之后，并设置好相关参数后，安装并打开VisionPro软件，利用软件中的可视化工具Image Source来获取淺口图像｡

2.5摄像机标定

在机器视觉系统中，从摄像机拍摄的图片信息中，可以确定出在三维空间内被拍摄物的几何信息，然后所获得的信息重新建立被拍摄物的位置信息，而在三维空间内，一个物件上某个点的几何位置信息时确定的，但是要将这个位置信息对应到所拍摄该点的摄像机上以及摄像机拍摄完成后所成的图像上，就需要建立不同的坐标信息，来讲他们进行自由转换｡

（1）世界坐标系：即真实状态下的坐标系，由XW轴、YW轴和ZW轴组成，人们肉眼所能看的实际能摸到的物体在世界坐标系下的点，表示具体位置｡

（2）摄像机坐标系：以摄像机为中;镜头拍摄的中心、轴为主轴，由XC轴、YC轴和ZC轴组成｡

（3）图像坐标系：在二维平面中形成的坐标系，由X、Y轴组成｡摄像机内部形成的｡

3总结

在自动化技术普及前常用人工埋入法，工人需要将嵌件逐一放入半成品中，这种方式不仅耗时耗力，还容易因为操作时距离注塑机过近出现危险，难以满足加工效率的要求，并且安全性较低｡工业机器人在工业领域的应用越来越广泛，笛卡尔空间中各种衔接算法也在不停的得到开发和应用，再加上各种新型插补算法的出现，笛卡尔空间规划中的一些问题也逐渐被解决，算法也逐渐走向成熟｡但是笛卡尔空间规划的受用面比较狭窄，现存的大部分方法都只能依靠已知的函数线条来对轨迹进行描述，若所需轨迹复杂程度较高，难以用常规函数进行表示时，轨迹规划就会遇到障碍｡虽然也出现了一些创新算法能够利用视觉识别等技术摆脱数学模型的桎梏，但是这些方法还不够成熟，还需要进一步的开发和实践｡

参考文獻：

[1]梁赟，罗子健.汽车灯组五金插座机器人自动化生产线的设计与调试[J].机电工程技术，2019，48（08）：132-134+235.

[2]郑跃君，周炳海，陈健.基于流程程序分析的注塑机底箱装配生产线改善[J].机械制造，2019，57（04）：104-109.

[3]何远圣. 注塑过程中熔体黏度的在线测量方法研究[D].华南理工大学，2019.

[4]药品包材生产线用注塑模具. 重庆市，重庆和喜锦鸿医药包装有限公司，2018-09-28.

[5]李卫民，华雷.注塑机专用取件机械手结构设计[J].机械工程师，2018（07）：52-54.

[6]申娇娟. 面向注塑生产线的全伺服注塑机械手的设计与研究[D].陕西科技大学，2018.