CN113479640A - 一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统及控制方法，属于机械自动化技术领域。为解决利用吸盘夹具对不同物料进行夹取工作时，传统吸盘夹具由于为单一式或固定式，对于不同尺寸物料进行夹取需要人工预先对物料的种类进行分类，同时在放置物料时需统一放入，导致人工成本增加，也导致生产效率低下。本申请通过设置视觉检测装置进行物料检测，生成物料尺寸和摆放姿态数据，并进行数据计算，生成目标控制数据由以太网传输至PLC控制装置和工业机器人，由PLC控制装置生成控制信号对吸盘夹具调节姿态以与物料外形相适配，同时控制工业机器人进行机械手臂位移调节，带动吸盘夹具进行位移和角度调整控制，进而达到对物料进行精准夹取的效果。
Description
技术领域
本申请涉及一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统及控制方法，属于机械自动化技术领域。
背景技术
工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。工业机器人被广泛应用于电子、物流、包装等各个工业领域之中。
一个机器人末端执行器指的是任何一个连接在机械手臂末端具有一定功能的工具，常用的末端工具有单一式工具和快换式工具两种。根据不同的应用场景，单一式的机器人末端工具只能适用某一固定物料的作业，针对多品种物料，单一式末端工具存在一定的局限性。快换式工具，又叫工具快换装置，是工业机器人行业使用在末端执行器的一种柔性连接工具，根据作业要求可以适时更换机器人末端工具。快换式工具需要额外增加母盘和子盘，增加了工具的成本，同时快换式工具在更换工具过程中会浪费时间影响机器人的作业效率。
不论是单一式工具还是快换式工具对运输线上的物料进行夹取工作时，为了保证工业机器人的夹取效果，需要物料的种类和物料在运输线上的放置都相对固定，以保证精确夹取和高效生产。对于物料的种类不同时，则需要人工预先将其分类，同时在放置物料时需统一放入，导致人工成本增加，也导致生产效率低下。
发明内容
对现有技术中存在的问题与不足，本申请提供一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统及控制方法，通过设置视觉检测装置进行物料检测，生成物料尺寸和摆放姿态数据，并进行数据计算，生成目标控制数据由以太网传输至PLC控制装置和工业机器人，由PLC控制装置生成控制信号对吸盘夹具调节姿态以与物料外形相适配，同时控制工业机器人进行机械手臂位移调节，完成物料夹取工作。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统，包括：
物料运输线，设有运输带，物料从运输带一侧放入由运输带带动物料上进行移动；
视觉检测装置，用于对物料运输线上的物料进行检测，生成检测数据并进行数据计算；
吸盘夹具，设有两组由若干个吸盘组成的吸盘夹持部；由吸盘夹持部对物料进行夹取；
工业机器人，设有多关节机械手臂，机械手臂设有安装吸盘夹具的末端连接部；
PLC控制装置，用于接受视觉检测装置的数据，生成控制信号；
视觉检测装置、吸盘夹具、工业机器人和PLC控制装置彼此通过以太网连接；视觉检测装置固定安装在运输带的放料侧；吸盘夹持部由动力组件驱动可进行两组吸盘夹持部间距离调节和吸盘夹持部长度调节；物料放入运输带后，由视觉检测装置检测，通过PLC控制装置生成控制信号，控制工业机器人带动吸盘夹具移动至物料位置，由吸盘夹持部对物料进行夹取工作。
具体的，物料运输线包括运输架和运输带；运输带由若干个并联的滚筒轮组成。设置由滚筒轮组成的运输带，可减少物料运输阻力，便于快速运输，也使得物料在运输带上的速度能保持一致。
具体的，视觉检测装置包括检测架、检测传感器和数据计算单元；检测架为一门形架，且其横跨在运输带的上侧；两个检测传感器相对安装在检测架的两侧，另一个检测传感器固定安装在检测架的上侧；数据计算单元与检测传感器电性连接。将检测架设置为门形，且横跨在运输带上侧，同时在检测架两侧与上侧分别设安装检测传感器，能保证检测传感器对物料的精准检测。
具体的，工业机器人还包括安装座和旋转台；多关节机械手臂固定安装在旋转台上；旋转台可进行圆周转动，且其与安装座固定连接。这样设置旋转台可使得机械手臂在其工作半径中进行多自由度移动，保证机械手臂的末端工具可实现任何角度移动。
具体的，吸盘夹具包括安装板、两块滑动板和第一滑轨；安装板一侧设有安装法兰与机械手臂末端固定连接，另一侧表面固定安装有第一滑轨；两块滑动板相对平行滑动安装在第一滑轨上，且其由动力组件驱动进行相对或相向往复滑动。两块滑动板上分别设有第二滑轨、栅栏伸缩组件和若干个吸盘；栅栏伸缩组件滑动安装在第二滑轨上，且其由动力组件驱动沿第二滑轨往复伸缩运动；若干个吸盘固定安装在栅栏伸缩组件上；第一滑轨与第二滑轨相互垂直。这样设置可使得由若干个吸盘组成的吸盘夹持部，可通过滑动板以及栅栏伸缩组件分别在第一滑轨和第二滑轨上往复滑动，实现吸盘夹持部在径向和轴向长度调节，以满足对不同尺寸的物料都能进行夹取工作，提高吸盘夹具的适用范围。
具体的，一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统的控制方法，包括如下控制步骤：
S1、进行工作前，先进行控制系统的自检工序，用于检测控制系统各部件的初始数据是否为系统零点；
S2、进行完S1自检工序，开启控制系统，将物料间隔逐一从放料侧放入运输带；
S3、物料在运输带上匀速移动，通过检测架并由检测传感器进行扫描检测，生成检测数据并进行数据计算，生成目标控制数据由以太网传输至PLC控制装置和工业机器人；
S4、PLC控制装置接受到S3中的目标控制数据，生成控制信号；控制信号由以太网分别传输至工业机器人和吸盘夹具；
S5、工业机器人接受到S3中的目标控制数据和S4中的控制信号后，调节机械手臂的角度，带动吸盘夹具朝物料位置移动；同时吸盘夹具接收到S4中的控制信号后，启动动力组件，调节滑动板和栅栏伸缩组件，进而调节吸盘夹持部的轴向长度和径向长度，形成与物料外形相适配的形态；
S6、机械手臂带动吸盘夹具到达物料位置后，由工业机器人控制吸盘对物料进行吸附夹取工作；并将吸附住的物料移送至存料工位；
S7、重复S3-S6步骤，对运输带上的物料进行夹取工作。
具体的，步骤S3中检测传感器对物料的形态、重心位置、摆放姿态、物料高度进行检测，生成检测数据并进行数据计算，生成吸盘夹具调节目标控制数据和工业机器人位移目标控制数据。通过设置检测传感器进行物料数据检测，再进行检测数据计算，根据物料的尺寸、形状数据计算出控制吸盘夹取进行形态调节的目标控制数据；根据物料的位置状态数据计算出控制工业机器人进行位移调节的目标控制数据。
具体的，数据计算的方法包括吸盘夹具夹持部数据计算和工业机器人末端工具与物料位置数据计算；计算运用如下计算公式：
以物料的宽度定义为h；滑动板的宽度定义为d；两块滑动板之间的距离长度定义为k；三者之间的计算公式为：
k =h- 3d；
物料的长度定义为a；栅栏伸缩组件的长度定义n；则栅栏伸缩组件的长度计算公式为：
n= a-2d；
工业机器人末端位置数据定义为P0， P0由工业机器人末端工具中心点位置数据定义为X0，Y0，Z0和末端工具中心点姿态位置数据定义为RX0，RY0，RZ0组成；以视觉检测装置检测处理后的物料中心偏移位置数据定义为ΔX、ΔY、ΔZ；以视觉检测装置检测处理后的物料角度数据定义为Δα；以物料实际夹取位置数据定义P1；则工业机器人位移和角度调节计算公式为：
P0=[X0，Y0，Z0；RX0，RY0，RZ0]；
X1=X0+ΔX；
Y1=Y0+ΔY ；
Z1=Z0+ΔZ；
RZ1=RZ0+Δα；
P1=[X1，Y1，Z1；RX1，RY1，RZ1]。通过这样的计算公式使得吸盘夹具对于不同种类和重量的物料进行姿态适配调整，同时使得工业机器人带动吸盘夹具进行物料实际夹取的有效位移，保证物料夹取的准确性和运输的安全性，防止夹取过程中物料偏移甚至掉落的情况。
具体的，在步骤S5-S6中工业机器人和吸盘夹具根据PLC控制装置的控制信号后进行调节时，同时会生成调节反馈数据，再通过以太网传输给PLC控制装置。反馈数据包括吸盘真空检测数据和机器人目标检测数据。这样设置是为了根据反馈数据进行控制系统的工作检测，通过真空检测数据可提醒操作员进行检查，判断是吸盘以及配套设备损坏导致真空数据下降，还是物料自身损坏导致。机器人目标检测数据可进行机器人运行状态检测，使操作员对运输带速度，视觉检测装置检测精准性以及工业机器人的运行状态提供对比数据。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：
1.本控制系统设置吸盘夹具的两块滑动板沿径向进行相对或相向滑动，同时在滑动板上设置沿轴向进行宽度调节的吸盘夹持部，实现吸盘夹持部能在径向和轴向都能调节，以满足不同尺寸物料都能夹取的效果。可实现同一物料运输线上不同物料只需一种吸盘夹具，提高设备适用范围，也提高了工作效率。
2.本控制系统通过机器视觉检测装置，检测物料的形态、重心位置、摆放姿态、物料高度等特征数据，进而计算吸盘夹持部的长度和宽度，并将数据发送给PLC控制装置，控制动力组件，实现吸盘夹具的自适应变化。
3.本控制系统通过以太网技术将物料视觉装置、PLC控制装置、工业机器人和吸盘夹具彼此连接：将视觉检测装置检测到的物料特征数据转化为模拟量数据，并进行数据计算并实时发送给PLC控制装置和工业机器人，达到快速改变吸盘夹取和工业机器人的姿态调节，系统反应快速，精度，自动化程度高。
附图说明
图1为本实施例控制系统工作流程图；
图2为本实施例控制系统部分部件示意图；
图3为本实施例吸盘夹具示意图；
图4为本实施例吸盘夹具俯视图；
图5为本实施例控制方法中数据计算示意图。
图中：1、运输带；2、滚筒轮；3、检测架；4、检测传感器；5、第一滑轨；6、滑动板；7、栅栏伸缩组件；8、吸盘；9、第二滑轨；10、机械手臂；11、步进电机a；12、步进电机b。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，进一步阐述本申请。由于吸盘夹具的吸盘夹持部数量是两组，所夹取的物料的两边的长度可能会不同，为了便于表述，将吸盘夹具的两个栅栏伸缩组件的长度分别定义为n和m，物料的两边长度分别定义为a和b。若a和b数值相同，则物料的夹取面为长方形或正方形，若a和b数值不同，则表示物料的夹取面为梯形。
请参阅图1-5本实施例公开了一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统，包括：
物料运输线，设有运输带1，物料从运输带一侧放入由运输带带动物料进行移动；
视觉检测装置，用于对物料运输线上的物料进行检测，生成检测数据并进行数据计算；
吸盘夹具，设有两组由若干个吸盘8组成的吸盘夹持部；由吸盘夹持部对物料进行夹取；
工业机器人，设有多关节机械手臂10，机械手臂10设有安装吸盘夹具的末端连接部；
PLC控制装置，用于接受视觉检测装置的数据，生成控制信号；
视觉检测装置、吸盘夹具、工业机器人和PLC控制装置彼此通过以太网连接；视觉检测装置固定安装在运输带1的放料侧；吸盘夹持部由步进电机a11和步进电机b12驱动可进行两组吸盘夹持部间距离调节和吸盘夹持部长度调节；物料放入运输带后，由视觉检测装置检测，通过PLC控制装置生成控制信号，控制工业机器人带动吸盘夹具移动至物料位置，由吸盘夹持部对物料进行夹取工作。
进一步的，物料运输线包括运输架和运输带1；运输带1由若干个并联的滚筒轮2组成。
进一步的，视觉检测装置包括检测架3、检测传感器4和数据计算单元；检测架3为一门形架，且其横跨在运输带1的上侧；两个检测传感器4相对安装在检测架3的两侧，另一个检测传感器4固定安装在检测架3的上侧；数据计算单元与检测传感器4电性连接。
进一步的，工业机器人还包括安装座和旋转台；多关节机械手臂固定安装在旋转台上；旋转台可进行圆周转动，且其与安装座固定连接。
进一步的，吸盘夹具包括安装板、两块滑动板6和两个第一滑轨5；安装板一侧设有安装法兰与机械手臂10末端固定连接，另一侧表面固定安装有第一滑轨5；两块滑动板6相对平行滑动安装在第一滑轨5上，且其由步进电机a11驱动进行相对或相向往复滑动。两块滑动板6上分别设有第二滑轨9、栅栏伸缩组件7和若干个吸盘8；栅栏伸缩组件7滑动安装在第二滑轨9上，且其由步进电机b12驱动沿第二滑轨9往复伸缩运动；若干个吸盘8固定安装在栅栏伸缩组件7上。第一滑轨5与第二滑轨9在空间上相互垂直。
进一步的，一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统的控制方法，包括如下控制步骤：
S1、进行工作前，先进行控制系统的自检工序，用于检测控制系统各部件的初始数据是否为系统零点；
S2、进行完S1自检工序，开启控制系统，将物料间隔逐一从放料侧放入运输带1；
S3、物料在运输带1上匀速移动，通过检测架3并由检测传感器4进行扫描检测，生成检测数据并进行数据计算，生成目标控制数据由以太网传输至PLC控制装置和工业机器人；
S4、PLC控制装置接受到S3中的目标控制数据，生成控制信号；控制信号由以太网分别传输至工业机器人和吸盘夹具；
S5、工业机器人接受到S3中的目标控制数据和S4中的控制信号后，调节机械手臂10的角度，并带动吸盘夹具朝物料位置移动；同时吸盘夹具接收到S4中的控制信号后，启动步进电机a11和步进电机b12，调节滑动板6和栅栏伸缩组件7，进而调节吸盘夹持部的轴向长度和径向长度，形成与物料外形相适配的形态；
S6、机械手臂10带动吸盘夹具到达物料位置后，由工业机器人控制吸盘8对物料进行吸附夹取工作；并将吸附住的物料移送至存料工位；
S7、重复S3-S6步骤，对运输带1上的物料进行夹取工作。
进一步的，步骤S3中检测传感器4对物料的形态、重心位置、摆放姿态、物料高度进行检测，生成检测数据并进行数据计算，生成吸盘夹具调节目标控制数据和工业机器人位移目标控制数据。
进一步的，数据计算的方法包括吸盘夹具夹持部数据计算和工业机器人末端工具与物料位置数据计算；计算运用如下计算公式：
以物料的宽度定义为h；滑动板的宽度定义为d；两块滑动板之间的距离长度定义为k；三者之间的计算公式为：
k =h-3d；
物料的一边长度定义为a；另一边长度定义为b；吸盘夹具的一个栅栏伸缩组件的长度定义n；另一个栅栏伸缩组件的长度定义为m；则栅栏伸缩组件的长度计算公式为：
n= a-2d；
m=b-2d；
工业机器人末端位置数据定义为P0，P0由工业机器人末端工具中心点位置数据定义为X0，Y0，Z0和末端工具中心点姿态位置数据定义为RX0，RY0，RZ0组成；以视觉检测装置检测处理后的物料中心偏移位置数据定义为ΔX、ΔY、ΔZ；以视觉检测装置检测处理后的物料角度数据定义为Δα；以物料实际夹取位置数据定义P1；则工业机器人位移和角度调节计算公式为：
P0=[X0，Y0，Z0；RX0，RY0，RZ0]；
X1=X0+ΔX；
Y1=Y0+ΔY ；
Z1=Z0+ΔZ；
RZ1=RZ0+Δα；
P1=[X1，Y1，Z1；RX1，RY1，RZ1]。
进一步的，在步骤S5-S6中工业机器人和吸盘夹具根据PLC控制装置的控制信号进行调节时，同时会生成调节反馈数据，再通过以太网传输给PLC控制装置。反馈数据包括吸盘真空检测数据和机器人目标检测数据。
工作原理：工作时，工业机器人根据物料的位置数据，由PLC控制装置进行控制，调节机械手臂10的运行角度，带动吸盘夹具按照物料夹取位置移动。PLC控制装置根据物料运输线上的物料外形尺寸，当物料为大长方形物料时，吸盘夹具的两块滑动板6在步进电机a11的驱动下，沿第一滑轨5相向滑动，同时两块滑动板6上的栅栏伸缩组件7在步进电机b12的驱动下，沿第二滑轨9轴向伸长，由两侧的吸盘8组成的夹持部，形成一与大长方形物料相适配的大长方形结构，同时工业机器人调节机械手臂10。反之物料为小长方形时，则通过步进电机a11和第步进电机b12反向旋转进行调节，由吸盘8组成的夹持部形成一与小长方形物料相适配的小长方形结构，再进行夹取工作。如果物料为梯形即一侧为长边，一侧为短边，则需要将两个步进电机b12进行相反调节，使得两个夹持部一侧为长边结构，另一侧为短边结构，再进行物料夹取工作。
通过本申请的控制系统进行物料夹取工作，自动化程度高，生产快速，操作员在实际工作时，只需根据反馈数据进行系统检测即可。
上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统，其特征在于：包括：
物料运输线，设有运输带，物料从所述运输带一侧放入由运输带带动物料移动；
视觉检测装置，用于对物料运输线上的物料进行检测，生成检测数据并进行数据计算；
吸盘夹具，设有两组由若干个吸盘组成的吸盘夹持部，由所述吸盘夹持部对物料进行夹取；
工业机器人，设有多关节机械手臂，所述机械手臂设有安装所述吸盘夹具的末端连接部；
PLC控制装置，用于接受所述视觉检测装置的数据，生成控制信号；
所述视觉检测装置、吸盘夹具、工业机器人和PLC控制装置彼此通过以太网连接；所述视觉检测装置固定安装在所述运输带的放料侧；所述吸盘夹持部由动力组件驱动实现两组所述吸盘夹持部之间距离调节和所述吸盘夹持部长度调节；物料放入运输带后，由所述视觉检测装置检测，通过PLC控制装置生成控制信号，控制所述工业机器人带动吸盘夹具移动至物料位置，由吸盘夹持部对物料进行夹取工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统，其特征在于：所述物料运输线包括运输架和运输带；所述运输带由若干个并联的滚筒轮组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统，其特征在于：所述视觉检测装置包括检测架、检测传感器和数据计算单元；所述检测架为一门形架，且其横跨在所述运输带的上侧；两个所述检测传感器相对安装在所述检测架的两侧，另一个所述检测传感器固定安装在所述检测架的上侧；所述数据计算单元与所述检测传感器电性连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统，其特征在于：所述工业机器人还包括安装座和旋转台；所述多关节机械手臂固定安装在所述旋转台上；所述旋转台可进行圆周转动，且其与所述安装座固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统，其特征在于：所述吸盘夹具包括安装板、两块滑动板和第一滑轨；所述安装板一侧设有安装法兰与所述机械手臂末端固定连接，另一侧表面固定安装有所述第一滑轨；两块所述滑动板相对平行滑动安装在所述第一滑轨上，且其由动力组件驱动进行相对或相向往复滑动。
6.根据权利要求5所述的一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统，其特征在于：两块所述滑动板上分别设有第二滑轨、栅栏伸缩组件和若干个吸盘；所述栅栏伸缩组件滑动安装在所述第二滑轨上，且其由动力组件驱动沿所述第二滑轨往复伸缩运动；若干个所述吸盘固定安装在所述栅栏伸缩组件上；所述第一滑轨与所述第二滑轨相互垂直。
7.根据权利要求1-6任一项权利要求所述的一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下控制步骤：
S1、进行工作前，先进行控制系统的自检工序，用于检测控制系统各部件的初始数据是否为系统零点；
S2、进行完S1自检工序，开启控制系统，将物料间隔逐一从放料侧放入运输带；
S3、物料在运输带上匀速移动，通过检测架并由检测传感器进行扫描检测，生成检测数据并进行数据计算，生成目标控制数据由以太网传输至PLC控制装置和工业机器人；
S4、PLC控制装置接受到S3中的目标控制数据，生成控制信号；控制信号由以太网分别传输至工业机器人和吸盘夹具；
S5、工业机器人接受到S3中的目标控制数据和S4中的控制信号后，调节机械手臂的角度，带动吸盘夹具朝物料位置移动；同时吸盘夹具接收到S4中的控制信号后，启动动力组件，调节滑动板和栅栏伸缩组件，进而调节吸盘夹持部的轴向长度和径向长度，形成与物料外形相适配的形态；
S6、机械手臂带动吸盘夹具到达物料位置后，由工业机器人控制吸盘对物料进行吸附夹取工作；并将吸附住的物料移送至存料工位；
S7、重复S3-S6步骤，对运输带上的物料进行夹取工作。
8.根据权利要求7所述的一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统的控制方法，其特征在于：步骤S3中检测传感器对物料的形态、重心位置、摆放姿态、物料高度进行检测，生成检测数据并进行数据计算，生成吸盘夹具调节目标控制数据和工业机器人位移目标控制数据。
9.根据权利要求7所述的一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统的控制方法，其特征在于：所述数据计算的方法包括吸盘夹具夹持部数据计算和工业机器人末端工具与物料位置数据计算；计算运用如下计算公式：
以物料的宽度定义为h；滑动板的宽度定义为d；两块滑动板之间的距离长度定义为k；三者之间的计算公式为：
k =h- 3d；
物料的长度定义为a；栅栏伸缩组件的长度定义n；则栅栏伸缩组件的长度计算公式为：
n= a-2d；
工业机器人末端位置数据定义为P0，P0由工业机器人末端工具中心点位置数据定义为X0，Y0，Z0和末端工具中心点姿态位置数据定义为RX0，RY0，RZ0组成；以视觉检测装置检测处理后的物料中心偏移位置数据定义为ΔX、ΔY、ΔZ；以视觉检测装置检测处理后的物料角度数据定义为Δα；以物料实际夹取位置数据定义P1；则工业机器人位移和角度调节计算公式为：
P0=[X0，Y0，Z0；RX0，RY0，RZ0]；
X1=X0+ΔX；
Y1=Y0+ΔY；
Z1=Z0+ΔZ；
RZ1=RZ0+Δα；
P1=[X1，Y1，Z1；RX1，RY1，RZ1]。
10.根据权利要求7所述的一种基于视觉检测技术的吸盘夹具控制系统的控制方法，其特征在于：在步骤S5-S6中工业机器人和吸盘夹具根据PLC控制装置的控制信号进行调节时，同时会生成调节反馈数据，再通过以太网传输给PLC控制装置；所述反馈数据包括吸盘真空检测数据和机器人目标检测数据。
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