百格拉直角坐标机器人在工件检测中的应用

作者：周文宝

职务：沈阳百格机器人有限公司技术部经理

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网址：www.germanytek.com

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产品：德国BergerLahr公司和Roboworker公司中国总代理

一 直角坐标机器人的定义及主要特点

机器人按ISO 8373定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。这里自由度就是指可运动或转动的轴。直角坐标机器人是以直线运动轴为主，各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴，Y轴和Z轴。在绝大多数情况下直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。

直角坐标机器人主要由一些直线运动单元，驱动电机，控制系统和末端操作器组成。针对不同的应用，可以方便快速组合成不同维数，各种行程和不同带载能力的壁挂式、悬臂式、龙门式或倒挂式等各种形式的直角坐标机器人。从简单的二维机器人到复杂的五维机器人就有上百种结构形式的成功应用案例。从食品生产到汽车装配等各行各业的自动化生产线中，都有各式各样的多台直角坐标机器人和其它设备严格同步协调工作。可以说直角坐标机器人几乎能胜任几乎所有的工业自动化任务。下面是其主要特点：

1任意组合成各种结构样式，带载能力和尺寸的机器人。

2采用多根直线运动单元级连和齿轮齿条传动，可以形成几十米的超大行程机器人。

3采用多根直线运动单元平连及各带多滑块结构时其负载能力可增加到数吨。

4 其最大运行速度可达到每秒8米，加速度可达到每秒4米。

5 重复定位精度可达到0.01mm~ 0.05mm。

6 采用带有RTCP功能的五轴或五轴以上数控系统能完成非常复杂轨迹的工作。

  德国百格拉公司是世界上最著名的直角坐标机器人供应商之一，生产多种规格的直线运动单元/导轨、步进电机、交流伺服电机、直线电机和多轴数控系统。以此为基础，在短时间内可提供各种规格的线性导轨、二维、三维标准机器人及用户专用机器人和生产线。这些机器人可以装备焊枪、通用手爪或专用工具，完成焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、打码、（软仿型）喷涂等一系列工作。由于百格拉的导轨、驱动电机、减速机和控制系统等所有部件全部自己生产，使得机器人整体性能更加优异。十多年来出厂的机器人和生产线全部在正常工作，深受包装机械、印刷机械、机械电子、汽车、食品、药品和化妆品生产等行业新老用户的厚爱。

  百格拉公司的120多名专家及工程技术人员成功开发生产了各种规格的线性导轨，并在此基础上与用户密切合作开发通用及专用机器人，已为许多厂家提供了数千台各种专用机器人及生产线。其中一个应用领域是工件质量检测。在超大批量生产中，每个产品的主要功能乃至整个产品的所有功能都必须经过严格的100%的检测，而检测周期又很短，这就需要专业的工件检测机器人。下面介绍一个在机器视觉精确定位下直角坐标机器人对产品的检验应用案例。

二 任务描述

被检测的产品被整齐放在一个5000*5000mm的检测平台上。每个产品的尺寸大约是40*40mm，整个平台被均分成120行和120列的矩阵式14400个小格，每个格的尺寸是40*40mm。每个格中心处放一个产品，其位置有1mm左右的误差，但误差仅是在X和Y方向上，而产品的方向是足够准确的。机器手要把测量头准确插入产品信号端子上，测量仪器发出几种检测信号，来检验该产品的各个功能是否正常工作。测量仪器接收产品的输出信号，并以此为依据来判断产品是否合格。测量仪器要给出不合格产品的位置。在上面的工作过程中，机器人必须知道每个产品的准确位置，误差要小于0.1mm, 这样机器人才能把测量用插头准确插入产品信号端子上。

三 所选用的机器人

工作平台的有效面积是5000*5000mm，这里要选择一个有效行程为5200*5200*300mm的三维机器人。为了测量每个产品的准确位置，我们在机器人的Z轴上安装了CCD智能相机，由机器人按事先定好的位置运动到被测产品的上面，CCD智能相机镜头与被测产品的最高面的高度是100mm，保证视场范围是70*70 mm。

  为此我们选用德国百格拉公司的三维龙门式直角坐标机器人。通过下面的简单分析来介绍各个运动轴的选择。由于CCD相机及所配电缆的总重量大约500克，测量用插头及所配电缆的总重量大约1000克，向上拔出测量用插头的力量大约1000克，Z轴总负载大约为2500克，所以Z轴选用负载为10公斤的LM-P608 R—T5抓取式导轨。考虑到可能有几种不同高度的产品要检测，Z轴的最大行程选为300mm，Z轴驱动电机为带抱闸的百格拉公司交流伺服电机SER3916/5S，Z轴自重加上所有负载和驱动电机为21.6公斤。Y轴选择为两根LM-P812-AT10，有效行程为5200mm，驱动电机为SER3913/5S，配德国纽卡特精密行星减速机PLE80-8，Y轴自重加上所有负载（Z轴）和驱动电机为200.3公斤。根据Y轴，Z轴重量及所有负载和驱动电机的总重量，所以X轴选用LM-P/S812 R-AT10，有效行程为5200mm，驱动电机为SER3913/5S配德国纽卡特精密行星减速机PLE80-8。

四 控制结构和CCD智能相机

  该机器人的控制系统采用德国运动技术公司（Movtec）的三轴运动控制卡DEC4T3和运动控制软件Editasc。DEC4T3运动控制卡是基于PC机，专用控制3台步进电机和数字伺服电机的运动控制卡。EdiTasc不仅是MOVTEC公司各种控制卡配套的通用数控软件，它也是一个高度开放的开发平台，可以直接控制各种工业自动化设备，或方便的开发用户专用页面及控制系统。DEC4T3自带36路数字输入输出口作为限位开关，控制CCD智能相机和起动检测仪器。

  CCD智能相机选用德国Vision Components GmbH公司的智能相机VC2028。智能相机就是一个独力的图象处理系统，它包含Sony 1/2” 640*480点的CCD芯片，逐行扫描每秒25桢图像，存储器配置是16 MB SDRAM, 2 MB Flash Eprom, 8 bit overlay, CPU是TMS320C62XX，速度是1200MIPS （每秒1200百万指令）。我们把调试好的图象处理软件下传给VC2028，当VC2028上电后该软件就自动工作。VC2028通过自带RS232口 可以把计算出来的位置数据传给PC机。VC2028还自带4路数字输入口和4路数字输出口，用于与控制软件协调同步，VC2028的视场范围是70mm×70mm。

五 工作过程：

  整个工作台上有80×120个产品，X轴方向有80行，Y轴方向有120列，每个产品占60*40mm的工作台面。 先对第一行的第一个产品进行检测，然后是第一行的第二个产品，如此依次到最后是第一行的第八十个产品。完成对第一行所有产品的检测后，再对第二行上从第一列上的产品到第一百二十列上的产品依次逐个进行检测，如此依次逐行逐列对所有产品进行检测。

  利用EdiTasc通用数控软件的Mtasc语言可以很方便简单地完成上面的定位运动。程序结构大体如下：

I = -1; /* 行位置变量 */

J = -1; /* 列位置变量 */

For 120 { /* 逐行检测产品 */

I = I + 1;

For 120 { /* 逐列检测产品 */

J = J + 1;

If (Input1 == 1) { /* 输入口1，一个产品检测完信号，可以运动到下个产品上面 */

Xposi = I * 120 + 60; /* 下个产品的行位置 */

Yposi = J * 80 + 40; /* 下个产品的列位置 */

X Xposi Y Yposi MF ; /* Z轴快速运动到该产品上方 */

Wait 0.0; /* 等待0.0秒，目的是保证Z轴已运动到该产品上方*/

}

Out Output1 /*输出口1给CCD像机信号，Z轴已到产品的上面，开始检测工作*/

}

}

 机械手先将Z轴运动到产品上面后，然后输入信号给VC2028。当VC2028检测到一路输入信号为高电平时就开启闪光灯，同时抓取一幅图象。图象处理软件的功能大体如下：

1）第一步是先对图象二值化处理，由于采用近似平行光从侧面照明，产品的两个几乎相互垂直的外边可以很清楚地被检测出来。

2）第二步是对两个几乎相互垂直的外边的位置和几个孔的位置进行推算，为得到更准的位置，利用子像素差补技术求出多个位置，选出合理合格的数据，再取它们的平均值。

3）把得到的位置数据通过RS232传给EdiTasc软件。EdiTasc通用数控软件得到新的位置数据后，根据所得位置的差来移动X轴和Y轴到产品上面。实际中0.1mm的位置差对于百格拉的机器人很轻松得到保证。

  到达产品的正上方后机械手把测量用插头迅速准确插入产品信号端子上，先给产品通电，然后测量仪器按一定时序发出检测信号，接收该产品对应各个功能时的输出信号，并以此为依据来判断产品是否合格。在Z轴把测量用插头插入产品信号端子过程中，为了安全，控制软件要通过输入口检测插入到位信号。当控制软件通过输入口得到检测完信号后开始把Z轴升高100mm,同时要检验测量用插头已真正拔出来了才可以开始下一个产品的检验。

六：结论

  采用德国百格拉公司的直角坐标机器人后使上面的产品质量检测速度大为提高，而且没有遗漏现象出现，节省大量人力，从而降低人工成本。该机器人在正常维护下至少运行十年。德国百格拉公司的直角坐标机器人及机器视觉系统还广泛应用于灌装机，纸张检验，朔料印刷品检验，布料质量和木材表面质量检验等方面，同时德国百格拉公司还生产具有物体识别及搬运等功能的机器人。以下为德国百格拉直角坐标机器人的典型应用：

1）从面包包装，鸡蛋喷码到BOURJOIS公司和LAUDER化妆品公司口红的装配和包装乃至很多药品的包装都应用百格拉的机器人设备；

2）精密工件和电子产品的装配，检测和包装：如西门子和诺基亚的手机生产中，飞利浦和Suntec的电子元件生产线；

3）其它一些大批量产品的质量检测和装配。

4）大众和奔驰公司的汽车的生产线，博世公司内部自动化生产线，海德堡印刷机生产线等。随着大批量自动化生产的迅猛发展，很多产品需要在生产环节中进行全面的检测,探伤和清洗，这类直角坐标机器人将具有更广范的市场前景和发展潜力！