视觉引导四轴工业机器人应用实训平台.pdf

1 武汉筑梦科技有限公司武汉筑梦科技有限公司视觉引导四轴工业机器人应用实训平台视觉引导四轴工业机器人应用实训平台 型号：型号：ZM-R4-XXX-M-C-S（黑白（黑白 PC 视觉系统版）视觉系统版）型号：型号：ZM-R4-XXX-M-E-S（黑白嵌入式视觉版）（黑白嵌入式视觉版）型号：型号：ZM-R4-XXX-C-C-S（彩色（彩色 PC 视觉系统版）视觉系统版）型号：型号：ZM-R4-XXX-C-E-S（彩色嵌入式视觉版）（彩色嵌入式视觉版）型号：型号：ZM-R4-XXX-C-X-T（带传送带跟踪）（带传送带跟踪）XXX 表示摆臂半径，可选表示摆臂半径，可选 200、400、600 适合于高校或研究所进行机器人运动控制及机器视觉相关应用的示教及二次应用开发 2 武汉筑梦科技有限公司武汉筑梦科技有限公司平台概述平台概述 视觉引导四轴 Scara 工业机器人应用实训平台以工业机器人与机器视觉为核心，将机械、气动、运动控制、变频调速、编码器技术、PLC 控制技术有机地进行整合，结构模块化，便于组合，实现对高速传输线上的不同物料进行快速的检测、组装。为了方便实训教学，系统进行了专门的设计，可以完成各类机器人单项训练和综合性项目训练，可完成各类机器人单项训练和综合性项目训练。可以进行四轴机器人示教、定位、抓取、装配等训练，可以在此基础上进行产品柔性包装、零件组装、激光焊接、视觉检测、点胶、锁螺丝等实际工业应用项目。平台适用于编程位置或者视觉引导机器人进行搬运、装配或轨迹运动的示教或进行类似应用的二次开发。平台设计目的是不仅满足于教学过程的示教，能够独立完成视觉及运动过程的全部循环（该系统代表了该行业目前最新的技术水平，该系统采用了日本 EPSON 公司（可选三菱、Yamaha、Adept、FANUC 等其它品牌工业机器人）四轴 Scara 机械手和筑梦科技自主研发的机器人视觉控制模块 ZMRVS100（可选 Cognex 智能相机系统）;同时，能够快速有效的进行科研和项目开发（提供机械手的控制软件和机器视觉软件开发平台，并且提供现场培训和开放部分应用示范源代码，能够帮助用户快速的进行项目开发和科研成果的横向比较）。关键核心关键核心 四轴机器人控制 嵌入式或 PC 式视觉定位与检测 飞行视觉定位或检测 伺服变频控制万能上料系统 在线传送带跟踪技术（选配）在线快换手爪或夹具（选配）平台配置：平台配置：实训平台由四自由度工业机器人系统、智能视觉系统、伺服变频控制万能上料系统、多工位位置摆放单元、传送带循环单元、工控计算机系统、各色工件、电气控制柜、实训机台等组成。平台采用筑梦科技自主研发的万能送料器，可以自由调整小型工件的密度和位置，以便视觉定位后机械手进行抓取，然后对根据视觉定位物品的姿态对机械手进行调整放置至相应工位位置摆放单元，样机可以由皮带线随机传回万能上料系统。选配了传送带跟踪技术的平台，也可以在运动中的皮带上直接抓取随机传入的工件，将工件定位抓取并放置至相应工位位置摆放单元。 3 武汉筑梦科技有限公司武汉筑梦科技有限公司?进口一线品牌工业四轴工业机器人本体；?机器人控制器；?筑梦科技 ZMRVS100 机器人视觉引导模块或 Cognex 视觉系统；?筑梦科技万能送料单元（伺服控制）；?工业相机、工业镜头、LED 光源、光源控制器等组成的视觉系统；?电机、驱动器等电控系统（带传送带跟踪功能包含编码器和读数卡）；（选配）?静音压缩机、真空发生器、精密气动吸盘或夹具、全方通焊接稳定机台、板金机身等机械系统；?工业控制电脑：优于双核 2.8G CPU，2G 内存，320G 硬盘，19”LCD 显示器等；?Windows XP 运行环境；设备参数：设备参数：轴数或自由度 四轴 重复精度 0.01mm（200mm 和 400mm）、0.02mm（600mm）最大负载 2kg（200mm）、3kg（400mm）、6kg（600mm）工作半径 200mm、400mm、600mm 抓取方式 吸盘或手爪 四轴机器人模块四轴机器人模块 最大移动速度 8.2m/s 相机参数 1600 x1200 CCD（两个安装位，可选择同时安装双相机）视野范围 320mmx240mm 图像分辨率 0.2mmx0.2mm 照明方式 可控背光及正光（LED）软件功能 定位、区分、测量、颜色、ID 读取等 机器视觉模块机器视觉模块 二次开发 嵌入式：Cognex Easybulider 图形化界面或电子表格（适合无编程下快速应用开发）PC 式：开发环境 VC 6.0/VB6.0/VC.net/VB.net，提供 Hexsight 图像开发控件 最大负载 5kg 万能送料模块万能送料模块 振动方向 向前、扩散（可分别控制） 4 武汉筑梦科技有限公司武汉筑梦科技有限公司振动最大频率 30Hz IO 控制 4 入 电源 AC 220V,安全保护：具有漏电保护，安全符合国家标准 机电部分机电部分 外形尺寸 1000（长）x750（宽）x1500（高）总线 DeviceNet、Profibus、CC-Link 机器人可选配单元机器人可选配单元 示教面板 TP2 配套教学课件 详细介绍该台设备的功能，配套 PPT 文档和视频 文档及安装程序 配套光盘、使用手册、实验指导书、程序等 配套配套 配套工具箱 工具箱：十字、一字长柄螺丝刀各 1 把；活络扳手 1把；电工刀 1 把，含 6 片刀片；尖嘴钳、钢丝钳各 1把；剪刀 1 把；钟表批 6 支；3M 卷尺 1 把；手工锯 1把，含锯条 5 条；羊角锤 1 把；磁性接杆 1 把，含套筒 9 只；旋具 1 把，含投资和接头 12 只；活动扳手，内六角扳手（8 把）实训课程内容：实训课程内容：1.机器视觉系统的原理、使用和调试 2.四轴工业机器人系统的原理、使用和调试 3.四轴工业机器人坐标系统和机器视觉坐标系统标定及相互转换 4.工业机器人与机器视觉系统综合应用的安装与调试 5.机器视觉系统模板设置、编程与调试 6.通过示教单元手动调试工业机器人 7.通过示教单元设置、修改各控制点坐标 8.通过示教单元编写、修改工业机器人程序 9.机器人追踪坐标整定 10.工业机器人系统的软件二次开发编程 11.万能上料系统综合抓取实验原理、演示和设置 12.传送带跟踪综合抓取实验原理、演示和设置 综合性、开发性实验设计综合性、开发性实验设计 5 武汉筑梦科技有限公司武汉筑梦科技有限公司在现有设备基础上从工业机器人和机器视觉含传感器技术）两个大方向进行创新实验设计：工业机器人方向工业机器人方向 1 运动控制 机器人本体运动的控制方法。位置控制，速度控制，姿态控制，基本行为实现等 2 操作控制 多关节机械臂的操作规划与控制，机械手的操作规划与力的控制。研究各类工况下操作规划的正解与逆解及基本操作的实现 3 多目标协调控制 基于移动本体的操作控制。优化作业方式，多目标与约束条件 4 机器人体系结构 协调机器人软硬件系统工作的整体模式 5 行为规划 确定基本动作完成具有一定功能的行为。路径规划，操作规划，通过传感器反馈完成特定动作 6 机器人动作仿真 通过机器人仿真软件，完成复杂动作规划和路径优化 机器视觉（含传感器技术）方向机器视觉（含传感器技术）方向 1 目标识别定位 从机器视觉获取的信息中提取目标特征，识别出具体目标的位置和状态，包含物体的三维信息 2 机器视觉技术 通过视觉工具进行零件定位、尺寸测量、缺陷检测、颜色分析、ID识别等 3 感知传感器 其它激光仪，超声探头，红外探头，数字罗盘，陀螺仪，GPS 等在机器人上的应用 其它机器人系统其它机器人系统（筑梦科技提供各种定制类型的机器人应用平台）（筑梦科技提供各种定制类型的机器人应用平台）视觉引导六轴机器人系统视觉引导六轴机器人系统 桌面直角机器人视觉系统桌面直角机器人视觉系统 6 武汉筑梦科技有限公司武汉筑梦科技有限公司机器人视觉控制器介绍机器人视觉控制器介绍 筑梦科技在平台应用中采用过 EPSON、Adept、FANUC、Yamaha、DENSO 等多种品牌的机器人，基于应用基础开发了具有机器人引导通用性的独立视觉控制器，控制器不仅具备良好的视觉定位和检测性能，同时具有良好的扩展性，在知道机器人的通讯协议或控制方式的前提下，可以方便的与机器人进行通讯。产品应用产品应用 产品包装 电子器件装配 机械产品装配 材料抓取 涂装/铺设/焊接 测试/检测 Sacra 四轴机器人实用案例解析四轴机器人实用案例解析 1，硬盘生产组装及检测（硬盘生产对工作环境的洁净程度以及操作的精度和力度要求非常苛刻，目前绝大部分硬盘装配和检测线都是由机器人配合自动化检测完成，比如磁盘的表面检测、将磁盘组建到硬盘壳内、磁头架尺寸检测及组装、硬盘外壳锁螺丝等） 7 武汉筑梦科技有限公司武汉筑梦科技有限公司以下图片为 Adept S350 洁净性机器人仿真的磁盘检测效果图片，在希捷等硬盘生产厂家已大量实用。2，零配件包装（除了常见的食品和化工行业需要大量的包装设备，很多精密的非规则电子或五金产品需要在线包装，传统的人工包装在效率和不良率上都无法与机器相比）以下图片为带视觉引导的 Adept i600 独立式 Scara 机器人仿真金属零件包装的效果，在 BOSCH 公司大量实用。工业机器人：工业机器人：工业机器人是能模仿人体某些器官的功能(主要是动作功能)有独立的控制系统、可以改变工作程序和编程的多用途自动操作装置。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有 8 武汉筑梦科技有限公司武汉筑梦科技有限公司害物料的搬运或工艺操作。工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有 36 个运动自由度，其中腕部通常有 13 个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；圆柱坐标型工业机器人示意图控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是以穿孔卡、穿孔带或磁带等信息载体，输入已编好的程序。示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。具有触觉、力觉或简单的视觉的工业机器人，能在较为复杂的环境下工作；如具有识别功能或更进一步增加自适应、自学习功能，即成为智能型工业机器人。它能按照人给的“宏指令”自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。与特种机器人的区别与特种机器人的区别 从应用环境出发，机器人被分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80 多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。常见工业机器人的品牌常见工业机器人的品牌 目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。绝大部分为日系，其中主要有安川、OTC、松下、FANUC、雅马哈、莫托曼、川崎、EPSON、三菱、Denso 等公司的产品。欧系中主要有瑞典的 ABB、德国的 KUKA、CLOOS、意大利的 COMAU和美国的 Adept 等。机器视觉：机器视觉：人类所摄取的外界信息 80%以上都靠“人眼”来实现的，在如今的各种工业生产线、交通监管、身份识别应用领域都需要人眼的大量参与，要把人眼从密集强度、超出人眼分辨能力以及威胁视觉环境中解放出来，就需要利用机器视觉技术。机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根 9 武汉筑梦科技有限公司武汉筑梦科技有限公司据判别的结果来控制现场的设备动作。因此，机器视觉是一门集合计算机、光学、机械、电气以及数学等多学科交织型学科，学好它需要有很强的理论基础，同时也需要有很强的实际应用能力。由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。半导体行业是最先利用机器视觉技术进行检测的行业，其他行业也随之而来。作为生产机械的 OEM 的设计工程师，最基本的问题就是：“我是要检测这个部件还是整个这个产品”。检测可以得到高质量的产品，但是也会有这样的事实存在：检测成本或者产品质量要求并不需要这样的检测。比如说牙签，假设在一个装有 500 个牙签的盒子里有一两个不合格，大多数人都不会怎么担心。但是对于很多产品，假如前面的盒子里装的不是牙签，而是针头，试想不合格品可能会带来什么样的后果，所以产品功能性的检测都是不可缺少的，即使只是外观检测，要证明内在的品质也必须要做到无缺陷。因此，为了达到这个目的，许多OEM 将机器视觉应用到他们将要卖给用户的系统中。机器视觉能够为整个系统增值，表现在三个方面：提高生产效率，提高制造过程的精确性，减少成本。那么，对于一个设计工程师来说，怎么样才能知道机器视觉是否适合他的系统呢？尽管最早的最基本的机器视觉系统在 20世纪 70 年代引入，工业就将其视为主流应用。这就导致设计工程师要考虑它是否合适他们的应用，同时要考虑利用机器视觉检测的成本与其所能带来的利润。高复杂度产品行业，比如说半导体行业和电子行业，由于它们的复杂性和小型化，从传统上推动着机器视觉市场的发展。但是如今，所有产业，包括自动化、制药、造纸等等都依靠机器视觉系统检测产品以提高产品质量。工业专家们预言：在未来的 20 年到 50 年，机器视觉将成为横跨所有行业的通用性技术，几乎所有出产的产品都会由机器视觉系统来检测。使用机器视觉系统有以下五个主要原因：精确性精确性由于人眼有物理条件的限制，在精确性上机器有明显的优点。即使人眼依靠放大镜或显微镜来检测产品，机器仍然会更加精确，因为它的精度能够达到千分之一英寸。重复性重复性机器可以以相同的方法一次一次的完成检测工作而不会感到疲倦。与此相反，人眼每次检测产品时都会有细微的不同，即使产品时完全相同的。速度速度 机器能够更快的检测产品。特别是当检测高速运动的物体时，比如说生产线上，机器能够提高生产效率。客观性客观性人眼检测还有一个致命的缺陷，就是情绪带来的主观性，检测结果会随工人心情的好坏产生变化，而机器没有喜怒哀乐，检测的结果自然非常可观可靠。成本成本 由于机器比人快，一台自动检测机器能够承担好几个人的任务。而且机器不需要停顿、不会生病、能够连续工作，所以能够极大的提高生产效率。一旦工程师决定使用机器视觉系统，就需要建立这个系统。其中要素包括：照明光源、工件放置（夹具）、相机、位置传感 10 武汉筑梦科技有限公司武汉筑梦科技有限公司器、控制逻辑、以及图像采集卡，图像处理软件、技术支持。由于大多数厂商在这个领域都没有经验，机会来了。所以，寻找一个既了解核心技术又能为其提供系统所需产品的供应商就成为关键问题。典型的基于PC的视觉系统通常由如下图所示的几部分组成：基于基于PC的视觉系统基本组成的视觉系统基本组成 相机与镜头这部分属于成像器件，通常的视觉系统都是由一套或者多套这样的成像系统组成，如果有多路相机，可能由图像卡切换来获取图像数据，也可能由同步控制同时获取多相机通道的数据。根据应用的需要相机可能是输出标准的单色视频（RS-170/CCIR）、复合信号（Y/C）、RGB 信号，也可能是非标准的逐行扫描信号、线扫描信号、高分辨率信号等。光源作为辅助成像器件，对成像质量的好坏往往能起到至关重要的作用，各种形状的 LED 灯、高频荧光灯、光纤卤素灯等都容易得到。传感器通常以光纤开关、接近开关等的形式出现，用以判断被测对象的位置和状态，告知图像传感器进行正确的采集。图像采集卡通常以插入卡的形式安装在 PC 中，图像采集卡的主要工作是把相机输出的图像输送给电脑主机。它将来自相机的模拟或数字信号转换成一定格式的图像数据流，同时它可以控制相机的一些参数，比如触发信号，曝光/积分时间，快门速度等。图像采集卡通常有不同的硬件结构以针对不同类型的相机，同时也有不同的总线形式，比如 PCI、PCI64、Compact PCI，PC104，ISA 等。PC平台电脑是一个 PC 式视觉系统的核心，在这里完成图像数据的处理和绝大部分的控制逻辑，对于检测类型的应用，通常都需要较高频率的 CPU，这样可以减少处理的时间。同时，为了减少工业现场电磁、振动、灰尘、温度等的干扰，必须选择工业级的电脑。视觉处理软件机器视觉软件用来完成输入的图像数据的处理，然后通过一定的运算得出结果，这个输出的结果可能是 PASS/FAIL 信号、坐标位置、字符串等。常见的机器视觉软件以 C/C+图像库，ActiveX 控件，图形式编程环境等形式出现，可以是专用功能的（比如仅仅用于 LCD 检测，BGA 检测，模版对准等），也可以是通用目的的（包括定位、测量、条码/字符识别、斑点检测等）。控制单元（包含 I/O、运动控制、电平转化单元等）一旦视觉软件完成图像分析（除非仅用于监控），紧接着需要和外部单元进行通信以完成对生产过程的控制。简单的控制可以直接利用部分图像采集卡自带的 I/O，相对复杂的逻辑/运动控制则必须依靠附加可编程逻辑控制单元/运动控制卡来实现必要的动作。