機器人和機器視覺實現(xiàn)預制房屋自動化生產(chǎn)

FingerHaus使用帶有夾具系統(tǒng)的機器人單元與3D視覺系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)預制房屋的自動化生產(chǎn)。FingerHaus是一家預制房屋制造商，多年來一直在生產(chǎn)節(jié)能耐用的預制房屋。然而，隨著預制房屋市場的需求增加和熟練員工的短缺，該公司一直在尋找實現(xiàn)生產(chǎn)流程自動化的方法，希望在實現(xiàn)自動化的同時，仍能生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品?！癋ingerhaus公司的愿景是，通過將機器人自動化集成到其墻板生產(chǎn)線中，從而提升產(chǎn)出量，并減輕員工的工作量。”參與該自動化項目的德國BETHSondermaschinen公司管理兼銷售總監(jiān)ChristopherK?ster表示，“在過去的20年中，預制房屋市場一直在增長，現(xiàn)有的房屋生產(chǎn)技術(shù)和熟練工人的日益短缺，已經(jīng)無法滿足這一市場增長的需求；而自動化生產(chǎn)流程可以促使傳統(tǒng)建造工藝轉(zhuǎn)向現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)，幫助提高房屋制造商的生產(chǎn)力?！睘閺碗s流程構(gòu)建解決方案預制房屋的墻體構(gòu)件的嵌板（或組裝）自動化，是一個復雜的過程。每個預制房屋都是獨一無二、根據(jù)客戶的意愿定制的。因此，房屋可能具有不同的幾何形狀，由各種不同尺寸的墻板組裝而成。圖1：墻板的長度、寬度和厚度各不相同。墻板可以有各種尺寸，例如長度800~12000mm，公差±10mm；寬度1600~3000mm，公差±5mm；厚度80~300mm，公差±2mm。材料的尺寸穩(wěn)定性也會有變化，允許的變化范圍為±3mm。此外，一個墻體板材互相疊加起來多達70層，形成一個堆疊嵌合層。多個板材可以放在一個堆疊嵌合層中。一個墻體構(gòu)件中的所有板材形成一個環(huán)環(huán)相扣互相連接的堆疊嵌合層。更為復雜的是，這些板材沒有任何固定的順序，這使得在墻體構(gòu)件上從左到右并排對板材進行處理是不可能的。相反，每個單獨的嵌板零件必須放置在墻體構(gòu)件上的特定位置。在嵌板系統(tǒng)的各個板材之間有3mm的間隙，該間隙可用于公差補償。單個板材的精確定位至關(guān)重要，因為有缺陷的嵌板會導致整個生產(chǎn)過程停滯。解決方案：具有精確有效機器視覺系統(tǒng)的機器人單元為了解決這些復雜流程的挑戰(zhàn)，F(xiàn)ingerHaus公司請求合作的兩家德國公司philvision和BETHSondermaschinen改進制造工藝。這兩家公司中，philvision是視覺系統(tǒng)供應(yīng)商；BETHSondermaschinen則負責開發(fā)并實施自動化工廠概念，包括木制框架的半自動化生產(chǎn)和墻體構(gòu)件的自動化嵌板。新系統(tǒng)使用了一個帶有夾具系統(tǒng)的機器人單元，并與3D相機系統(tǒng)相結(jié)合。為了確定夾具系統(tǒng)所要抓取板材的精確位置，需要用3D相機系統(tǒng)對板材進行測量，隨后測量數(shù)據(jù)會將板材的絕對位置提供給機器人單元的坐標系。K?ster解釋說：“材料會自動裝載到手推車上，并且要確保最佳的堆疊穩(wěn)定性。材料的方向可能沒有那么精確，必須通過視覺系統(tǒng)進行精準定位。將板條和木板放置在木質(zhì)框架上的位置處所允許的公差很小，因此必須非常精確地測量到放置位置。”機器人使用真空抓取系統(tǒng)，取出板材并將其精確定位在木框支架上。集成式3D相機系統(tǒng)識別出這些板材，然后機器人啟動夾緊裝置，自動將這些板材固定在一起。在這個方案中，3D相機系統(tǒng)識別出木質(zhì)板材或石膏板材各自的位置，智能照明系統(tǒng)也為位置識別提供支持。BETH公司開發(fā)的軟件工具即時對精確的位置數(shù)據(jù)進行處理，并傳輸?shù)綑C器人，然后由機器人負責執(zhí)行精確的嵌板過程。該解決方案安裝在嵌板工作站上方，由八臺GigE接口的20MP像素黑白相機、對應(yīng)的緊湊型鏡頭，以及兩個圖案投影儀組成工作系統(tǒng)。這些相機組成四個立體系統(tǒng)，只需一次拍攝，系統(tǒng)即可生成完整的點云。后續(xù)的處理是在高性能工業(yè)PC上進行的。在這個方案中，BETH公司開發(fā)的“PKConstruct”軟件解決方案，確保了相機系統(tǒng)和機器人之間的快速安全通信。圖2：墻體構(gòu)建過程中，機器人單元和視覺系統(tǒng)對所使用的板材放置和安裝定位進行協(xié)同作業(yè)。由于每個墻體單元都是獨一無二，機器人單元和視覺系統(tǒng)間的接口使用了高度靈活的通信連接。所使用的機器人系統(tǒng)高度精準，在30米的覆蓋范圍內(nèi)精度可達100μm。該機器人系統(tǒng)與高精度視覺系統(tǒng)以及夾具相結(jié)合，可以拾取不同尺寸的墻體。手推車上的墻體尺寸為3200mm×1250mm×1000mm。為了用機械臂將墻體放置到正確的位置，需要將位置精度控制在0.5mm內(nèi)，放置循環(huán)周期為8s。新開發(fā)的系統(tǒng)與其他測試過的系統(tǒng)不同，它具有獨特優(yōu)勢。它的循環(huán)工作時間僅為8s，能夠測量4.1m3的大體積，并且測量精度可低于1mm。當機器人放置前一塊測量好尺寸和位置的板材時，系統(tǒng)會同時去掃描下一塊板材，這意味著能夠很快完成一次工作循環(huán)。墻體構(gòu)件嵌板的自動化philvision公司開發(fā)了視覺系統(tǒng)，BETH公司開發(fā)了機器人單元。搬運和夾取木質(zhì)框架單元上的嵌板，由ABB公司的IRB6700工業(yè)機器人，在超過20m長的橫向軸上完成。該機器人配備了SCHUNK切換系統(tǒng)，能夠在拾取嵌板的吸盤和固定板材的夾緊裝置之間來回自動切換。將板材放置在框架上的正確位置后，它們將根據(jù)客戶的設(shè)計規(guī)范，用夾具將板材固定。BETH公司的“PKConstruct”軟件負責計算最佳的操作路徑。整個自動化解決方案包括一條50m長、約10m寬的生產(chǎn)線，為生產(chǎn)標準尺寸和特殊幾何形狀的嵌板提供了最大的靈活性，其中包括了嵌板進料和將嵌板轉(zhuǎn)移到下一個生產(chǎn)步驟等環(huán)節(jié)。談及視覺系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)，philvision公司總經(jīng)理PatrickGailer表示，主要的挑戰(zhàn)之一是足夠穩(wěn)定地完成墻體構(gòu)件的嵌板，不會破壞機器人和視覺系統(tǒng)的校準。PatrickGailer解釋說：“保持大型系統(tǒng)在機械特性上足夠穩(wěn)定，以實現(xiàn)對大體積的測量，這對校準來說是一個主要挑戰(zhàn)。對溫度校準來說，每年只需要進行幾次重新校準即可。此外，掃描儀很難在給出高精度位置測量的同時，也對組件做出靈活的反應(yīng)。”PatrickGailer表示，模擬模型與實際生產(chǎn)有很大差異。他表示，成本限制發(fā)揮了作用，他們在預算允許的范圍內(nèi)開發(fā)了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)比目前市場上其他高精度3D掃描儀更便宜?！伴_始系統(tǒng)的精度還可以，但當系統(tǒng)停止工作，或在不知道原因的情況下突然變得不準確時，我們就要頗費周折?！盤atrickGailer說，“在這樣的精度和尺寸要求下，很難知道相機和機器人何時需要被重新校準?！盙ailer說，在隨后的全面基礎(chǔ)設(shè)施測試中，他們結(jié)合了不同的校準方法，及早發(fā)現(xiàn)任何不準確之處，以提高系統(tǒng)的整體精度?！斑@個過程中我們學到了很多關(guān)于機械和熱標定方面的知識，”Gailer說，“開發(fā)時間比預期足足長了6個月。為了達到效果，機器人和視覺系統(tǒng)之間需要比預期更多的通信交互。結(jié)果，通信接口擴展了很多。”以最少的浪費實現(xiàn)快速高效的生產(chǎn)開發(fā)一種使用3D相機的成熟機器視覺系統(tǒng)、具有精確抓取系統(tǒng)的機器人單元解決方案，對FingerHaus公司的預制房屋生產(chǎn)，不但有效且極具影響力。新的機器人解決