百格拉直角坐標機器人在工件檢測中的應用
作者：周文寶
職務：沈陽百格機器人有限公司技術部經理
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傳真：024-25817012
產品：德國BergerLahr公司和Roboworker公司中國總代理
一直角坐標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，能夠實現自動控制、可重復編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個或3個以上自由度內可編程的工業自動化設備。這里自由度就是指可運動或轉動的軸。直角坐標機器人是以直線運動軸為主，各個運動軸通常對應直角坐標系中的X軸，Y軸和Z軸。在絕大多數情況下直角坐標機器人的各個直線運動軸間的夾角為直角。
直角坐標機器人主要由一些直線運動單元，驅動電機，控制系統和末端操作器組成。針對不同的應用，可以方便快速組合成不同維數，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機器人。從簡單的二維機器人到復雜的五維機器人就有上百種結構形式的成功應用案例。從食品生產到汽車裝配等各行各業的自動化生產線中，都有各式各樣的多臺直角坐標機器人和其它設備嚴格同步協調工作。可以說直角坐標機器人幾乎能勝任幾乎所有的工業自動化任務。下面是其主要特點：
1任意組合成各種結構樣式，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構時其負載能力可增加到數噸。
4其大運行速度可達到每秒8米，加速度可達到每秒4米。
5重復定位精度可達到0.01mm~ 0.05mm。
6采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數控系統能完成非常復雜軌跡的工作。
德國百格拉公司是世界上有名的直角坐標機器人供應商之一，生產多種規格的直線運動單元/導軌、步進電機、交流伺服電機、直線電機和多軸數控系統。以此為基礎，在短時間內可提供各種規格的線性導軌、二維、三維標準機器人及用戶專用機器人和生產線。這些機器人可以裝備焊槍、通用手爪或專用工具，完成焊接、搬運、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測、探傷、分類、裝配、貼標、噴碼、打碼、（軟仿型）噴涂等一系列工作。由于百格拉的導軌、驅動電機、減速機和控制系統等所有部件全部自己生產，使得機器人整體性能更加優異。十多年來出廠的機器人和生產線全部在正常工作，深受包裝機械、印刷機械、機械電子、汽車、食品、藥品和化妝品生產等行業新老用戶的厚愛。
百格拉公司的120多名專家及工程技術人員成功開發生產了各種規格的線性導軌，并在此基礎上與用戶密切合作開發通用及專用機器人，已為許多廠家提供了數千臺各種專用機器人及生產線。其中一個應用領域是工件質量檢測。在超大批量生產中，每個產品的主要功能乃至整個產品的所有功能都必須經過嚴格的100%的檢測，而檢測周期又很短，這就需要專業的工件檢測機器人。下面介紹一個在機器視覺**定位下直角坐標機器人對產品的檢驗應用案例。
二 任務描述
被檢測的產品被整齊放在一個5000*5000mm的檢測平臺上。每個產品的尺寸大約是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，而產品的方向是足夠準確的。機器手要把測量頭準確插入產品信號端子上，測量儀器發出幾種檢測信號，來檢驗該產品的各個功能是否正常工作。測量儀器接收產品的輸出信號，并以此為依據來判斷產品是否合格。測量儀器要給出不合格產品的位置。在上面的工作過??中，機器人必須知道每個產品的準確位置，誤差要小于0.1mm,這樣機器人才能把測量用插頭準確插入產品信號端子上。
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。為了測量每個產品的準確位置，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品的上面，CCD智能相機鏡頭與被測產品的高面的高度是100mm，保證視場范圍是70*70mm。
為此我們選用德國百格拉公司的三維龍門式直角坐標機器人。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軸總負載大約為2500克，所以Z軸選用負載為10公斤的LM-P608R—T5抓取式導軌。考慮到可能有幾種不同高度的產品要檢測，Z軸的大行程選為300mm，Z軸驅動電機為帶抱閘的百格拉公司交流伺服電機SER3916/5S，Z軸自重加上所有負載和驅動電機為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軸自重加上所有負載（Z軸）和驅動電機為200.3公斤。根據Y軸，Z軸重量及所有負載和驅動電機的總重量，所以X軸選用LM-P/S812R-AT10，有效行程為5200mm，驅動電機為SER3913/5S配德國紐卡特精密行星減速機PLE80-8。
四 控制結構和CCD智能相機
該機器人的控制系統采用德國運動技術公司（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臺步進電機和數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控軟件，它也是一個高度開放的開發平臺，可以直接控制各種工業自動化設備，或方便的開發用戶專用頁面及控制系統。DEC4T3自帶36路數字輸入輸出口作為限位開關，控制CCD智能相機和起動檢測儀器。
CCD智能相機選用德國Vision ComponentsGmbH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，它包含Sony1/2” 640*480點的CCD芯片，逐行掃描每秒25楨圖像，存儲器配置是16 MBSDRAM, 2 MB Flash Eprom, 8 bit overlay, CPU是TMS320C62XX，速度是1200MIPS（每秒1200百萬指令）。我們把調試好的圖象處理軟件下傳給VC2028，當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據傳給PC機。VC2028還自帶4路數字輸入口和4路數字輸出口，用于與控制軟件協調同步，VC2028的視場范圍是70mm×70mm。
五 工作過程：
整個工作臺上有80×120個產品，X軸方向有80行，Y軸方向有120列，每個產品占60*40mm的工作臺面。先對行的個產品進行檢測，然后是行的**個產品，如此依次到后是行的第八十個產品。完成對行所有產品的檢測后，再對**行上從列上的產品到百二十列上的產品依次逐個進行檢測，如此依次逐行逐列對所有產品進行檢測。
利用EdiTasc通用數控軟件的Mtasc語言可以很方便簡單地完成上面的定位運動。程序結構大體如下：
I = -1; /*行位置變量 */
J = -1; /*列位置變量 */
For 120 { /*逐行檢測產品 */
I = I +1;
For 120 { /*逐列檢測產品 */
J = J +1;
If (Input1 ==1) { /* 輸入口1，一個產品檢測完信號，可以運動到下個產品上面 */
Xposi = I * 120+ 60; /* 下個產品的行位置 */
Yposi = J * 80+ 40; /* 下個產品的列位置 */
X Xposi Y YposiMF ; /* Z軸快速運動到該產品上方 */
Wait 0.0; /*等待0.0秒，目的是保證Z軸已運動到該產品上方*/
}
Out Output1/*輸出口1給CCD像機信號，Z軸已到產品的上面，開始檢測工作*/
}
}
機械手先將Z軸運動到產品上面后，然后輸入信號給VC2028。當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）步是先對圖象二值化處理，由于采用近似平行光從側面照明，產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）**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行推算，為得到更準的位置，利用子像素差補技術求出多個位置，選出合理合格的數據，再取它們的平均值。
3）把得到的位置數據通過RS232傳給EdiTasc軟件。EdiTasc通用數控軟件得到新的位置數據后，根據所得位置的差來移動X軸和Y軸到產品上面。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。
到達產品的正上方后機械手把測量用插頭迅速準確插入產品信號端子上，先給產品通電，然后測量儀器按一定時序發出檢測信號，接收該產品對應各個功能時的輸出信號，并以此為依據來判斷產品是否合格。在Z軸把測量用插頭插入產品信號端子過程中，為了**，控制軟件要通過輸入口檢測插入到位信號。當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***了才可以開始下一個產品的檢驗。
六：結論
采用德國百格拉公司的直角坐標機器人后使上面的產品質量檢測速度大為提高，而且沒有遺漏現象出現，節省大量人力，從而降低人工成本。該機器人在正常維護下至少運行十年。德國百格拉公司的直角坐標機器人及機器視覺系統還廣泛應用于灌裝機，紙張檢驗，朔料印刷品檢驗，布料質量和木材表面質量檢驗等方面，同時德國百格拉公司還生產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機器人的典型應用：
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用百格拉的機器人設備；
2）精密工件和電子產品的裝配，檢測和包裝：如西門子和諾基亞的手機生產中，飛利浦和Suntec的電子元件生產線；
3）其它一些大批量產品的質量檢測和裝配。
4）大眾和奔馳公司的汽車的生產線，博世公司內部自動化生產線，海德堡印刷機生產線等。隨著大批量自動化生產的迅猛發展，很多產品需要在生產環節中進行**的檢測,探傷和清洗，這類直角坐標機器人將具有更廣范的市場前景和發展潛力！