Możliwości systemu wizyjnego iRVision

08/11/2010

Od blisko 30 lat systemy zrobotyzowane rozwijane są tak, aby ich funkcjonalność pozwalała na zautomatyzowanie procesów produkcji w jak największym stopniu. Niezbędne do tego są tzw. „funkcje inteligentne”, w które coraz częściej wyposażane są roboty przemysłowe. Stanowiska zrobotyzowane przestają być rozwiązaniem wyłącznie dla produkcji masowej, wieloseryjnej, a zaczynają pojawiać się w aplikacjach, gdzie powtarzalność detali i ich położenia przestaje mieć znaczenie. Wszystko dzięki systemom wizyjnym, które zaczynają być popularne i powszechne w różnorodnych gałęziach przemysłu.

Firma Fanuc Robotics, jako wiodący producent robotów przemysłowych na rynku, od wielu lat oferuje klientom rozwiązania pozwalające na identyfikowanie detali w przestrzeni pracy robota. Służą temu różnorodne systemy, mające jedną wspólną cechę – uczynić Roboty bardziej inteligentnymi.

Kontrolery robotów Fanuc R30iA posiadają zintegrowany system wizyjny, bez konieczności rozbudowy sterowania o kolejne elementy. Poprzez całkowitą integrację systemu wizyjnego ze sterownikiem robota, system może pracować w różnorodnym środowisku bez potrzeby wyposażania go w dodatkową ochronę przed np. kurzem czy dodatkowe chłodzenie. Wszystko dzięki implementacji całej funkcjonalności w sterowniku robota, bez konieczności podłączania zewnętrznego PC. System jest w całości produktem Fanuc Robotics, upraszcza konserwację i serwis stanowiska zrobotyzowanego, gdyż zarówno nad robotem jak i systemem wizyjnym opiekę sprawuje Fanuc Robotics. Znika dodatkowo całkowicie problem komunikacji kamery i jej sterowania z robotem. System wizyjny, w jaki standardowo wyposażone są kontrolery R30iA, nosi ogólną nazwę iRVision (Intgrated Robot Vision).

W rodzinie rozwiązań iRVision możemy wyróżnić następujące grupy: 

• iRVision 2DV;
• iRVision 2 ½ D;
• iRVision 3D Compensation;
• iRVision 3DL.

Dwa wymiary, wiele możliwości

Najczęściej spotykanym w aplikacjach rozwiązaniem, które wykorzystuje wizję do przetwarzania informacji z otoczenia jest iRVision 2DV, czyli system z kamerą 2D. Kamera może być montowana w dwojaki sposób (Rys. 1): 

• niezależnie, na stałe;
• na robocie.

Rys. 1 Możliwości montażu kamery

Głównym zadaniem tak stworzonego systemu jest odnalezienie wcześniej nauczonego wzorca, a następnie przekazanie do robota informacji o położeniu części. Nie jest to jedyna mozliwoość, gdyż system jest w stanie dostarczyć nam wielu dodatkowych informacji o parametrach odnalezionych detali. Konfiguracja i uczenie robota jest prostą procedurą, która nie wymaga dodatkowego oprogramowania. Całość konfiguracji odbywa się poprzez podłączenie, do wbudowanego w robocie portu Ethernet, komputera PC i konfigurację systemu przez zdalny interfejs użytkownika.

System 2D udostępnia użytkownikowi całą gamę funkcjonalności, poprzez różnorodne procesy wizyjne, jakie można przy jego pomocy tworzyć. Dzięki możliwości montażu kamery na robocie, możemy wyszukiwać części w różnych miejscach przestrzeni roboczej, bez konieczności przeliczania pozycji i ułożenia robota. Po przeprowadzeniu kalibracji w początkowej fazie programowania robota, dzięki integracji systemu, jako składowej całego kontrolera robota, system wizyjny przeprowadza kalkulacje położenia robota oraz obrazu z kamery, dzięki czemu oszczędzamy czas na skomplikowane programowanie a zyskujemy maksymalny obszar pracy kamery (Rys. 2).

Rys. 2 Mozliwość wyszukiwania detali w różnych miejscach przestrzeni roboczej

Montaż kamery na robocie, daje także inne możliwości. W przypadku, gdy operacje dokonywane są na wielkogabarytowych elementach, takich jak palety (paletyzacja, depaletyzacja) czy spawanie dużych elementów złożenie offsetów z kilku ujęć daje bardzo dokładny pomiar, który w przypadku dużych detali ciężko osiągnąć w łatwy i tani sposób. W przypadku, gdy wymagana jest wysoka wydajność stanowiska, poszczególne ujęcia można wykonywać kilkoma kamerami. Większa ilość kamer nie stanowi problemu - w przypadku użycia najnowszego kontrolera R30iA możemy podłączyć do 8 kamer, a po rozszerzeniu systemu nawet do 40 (Rys. 3).

Rys. 3 Mozliwość wykonania ujęcia kilkoma kamerami zwiększająca wydajność stanowiska

2 ½D - trzeci wymiar w dwóch wymiarach

Systemy 2D dają nam informację zwrotną o przesunięciu zlokalizowanej części jedynie w kierunkach X, Y oraz obrót wokół osi Z. Nie jest to jednak wystarczające do pobierania detali znajdujących się na różnych poziomach względem robota i kamery. W tym celu firma Fanuc zaimplementowała system 2 ½ D pozwalający na estymację odległości na podstawie zdjęcia wykonanego w klasyczny sposób. Najważniejszą korzyścią takiego rozwiązania jest brak konieczności stosowania dodatkowych czujników w celu wykrywania poziomu warstwy do pobierania (Rys. 4).

Rys. 4 Idea działania systemu 2 ½ D

3DL laser = trzeci wymiar

Proces iRVision 3DL używa sensora laserowego do pomiarów w trzech wymiarach oraz kamery 2D do zgrubnego odnajdywania detali. Sensor dokonuje pomiaru pozycji detalu, po czym realizowana jest modyfikacja - dostosowanie programu robota w odniesieniu do wyników pomiaru.

Użycie funkcji iRVision 3DL z czujnikiem laserowym może w ogromnym stopniu wpłynąć na redukcję mocowań części, które są standardowo używane do niwelowania odchyłek w pozycjonowaniu detalu. Zastosowanie tego systemu może wyeliminować koszty wytworzenia adapterów do gniazd dla poszczególnych modelów elementów, poprzez co uzyskujemy tańszy, bardziej elastyczny system z mniejszą ilością osprzętu peryferyjnego. Co za tym idzie, nasz system nie potrzebuje przezbrojeń w przypadku zmiany produkcji.

Powyższe zastosowanie może być realizowane w dwojaki sposób. Ze względu na charakter procesu elementy poszukiwane mogą leżeć w dowolnej pozycji w obszarze poszukiwań robota. Na podstawie pomiaru robot otrzymuje informacje o położeniu robota (pozycja X, Y, Z i obroty W, P, R). Na podstawie tych danych program TCP jest modyfikowany tak, aby dostosować położnie chwytaka (Rys. 5).

Rys. 5 Dostosowanie położenia chwytaka na podstawie pomiaru

Rozwinięciem tego typu rozwiązania jest kompensacja odchylenia detalu na chwytaku np. w momencie, gdy detal jest pobierany z kosza z elementami. Tego typu aplikacje są szczególnie popularne w miejscach, gdzie potrzebujemy bardzo dokładnego pozycjonowania części w chwytaku, gdzie robot ma służyć, jako pozycjoner. Kompensacja odchylenia jest również pożądana w momencie, gdy robot ma umieścić detal w maszynie do dalszej obróbki. Przy pomocy sensora laserowego 3DL rozpoznawane jest dokładne odchylenie od oryginalnej pozycji detalu w chwytaku. Na tej podstawie kompensowana jest różnica.

Vision Shift

Rozwiązaniem które łączy ze sobą różne funkcje inteligentne, w jakie wyposażone są Kontrolery R30iA robotów Fanuc Robotics, jest opcja iRVision VisionShift.

Funkcja ta jest pomocna podczas programowania systemów przeznaczonych do spawania łukowego lub zgrzewania punktowego, w celu kompensowania rozbieżności pomiędzy konfiguracją pokazywaną w programach off-line (Roboguide), a rzeczywistą konfiguracją.
Funkcja przesunięcia trajektorii wykorzystuje możliwość trójwymiarowego pozycjonowania kamery wizyjnej, w celu dokonania pomiaru rozbieżności, a następnie automatycznej kalibracji programu robota. 

• Funkcja posiada możliwość automatycznego ustawienia punktów centralnych narzędzia (TCP) oraz uchwytu spawalniczego, który uprzednio był programowany ręcznie (TCP SETTING). 
• W trakcie wykonywania funkcja mierzy oraz kalibruje programy robota z duża precyzją, w pomiarze bezkontaktowym, w przeciągu około 30 minut, zamiast spędzenia godzin na ręczne dopracowanie trajektorii, pozwalając na znaczną redukcję całkowitego czasu konfiguracji systemu (VISION FRAME SETTING). 
• Istnieje możliwość zastosowania tej funkcji do ustawiania koordynacji ruchu kilku robotów sterowanych z jednego kontrolera (dwu, trzech lub czterech) pracujących w jednej celi spawającej (COORDINATED PAIR SETTING).
• Dostępna jest funkcja pozwalająca na wykonanie masteringu za pomocą systemu wizyjnego, stosowana do uzyskania wysokiej powtarzalności trajektorii po zmianie np. serwonapędów (VISION MASTERING).

Systemy wizyjne wprowadzają nowe standardy dla robotów przemysłowych i otwierają nowe, do tej pory niedostępne miejsca zastosowań. Fragmenty linii produkcyjnych, czy też całe aplikacje, które jeszcze do niedawna musiały być obsługiwane przez człowieka, ze względu na zmienność produktów, czy brak pozycjonowania elementów, mogą być teraz automatyzowane. Zastosowanie inteligentnych opcji robotów Fanuc daje możliwość implementacji niezawodnych, odpornych i łatwych w obsłudze systemów, które przynoszą użytkownikowi długofalowe korzyści.