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FCSD-87桌面式智能制造實訓生產(chǎn)線
一、面向專業(yè)和課程
面向專業(yè)：智能制造、機器人工程、自動化、機電等專業(yè)
適用課程：機器視覺、機器人原理與應用、基于視覺的機器人控制、PLC電氣控制、機電一體化系統(tǒng)設計、智能工廠集成技術、數(shù)字孿生技術
二、產(chǎn)品概述
智能制造是智能機器與人類專家人機協(xié)作的一體化智能系統(tǒng)，既有個體制造單元的自主性，又有系統(tǒng)整體的自組織能力，是未來制造業(yè)發(fā)展的重大趨勢和核心內(nèi)容。本生產(chǎn)線采用3臺六軸機器人、2套輸送系統(tǒng)、1套視覺系統(tǒng)、1套PLC電氣控制系統(tǒng)，以微波爐磁環(huán)組裝生產(chǎn)線上的機器人上料、視覺檢測與引導、機器人組裝、搬運、入庫、倉儲管理等應用場景，以智能制造產(chǎn)線電子設備裝調、數(shù)據(jù)監(jiān)測、生產(chǎn)管控與運維為實施目標，可以完成電子設備組裝與調試、設計編程與參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集與可視化應用、生產(chǎn)過程數(shù)智化應用、電子設備數(shù)智化運維等多項實訓任務。
如下圖所示，生產(chǎn)線長寬為2m×1m，在硬件組成上，主要包含機器人上料單元、視覺檢測與引導單元、機器人組裝單元、機器人下料單元、倉儲單元，以及PLC控制系統(tǒng)、HMI觸摸屏、光電傳感器、繼電器、輸送線、氣缸、交換機、計算機等模塊。
產(chǎn)品簡要介紹如下：
1.滿足機器人原理與應用、機器視覺、PLC電氣控制、機電一體化系統(tǒng)設計、智能工廠集成技術等課程或知識點的教學；
2.生產(chǎn)線平臺包含機器人、視覺系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、輸送線和多組傳感器，采用一體化設計，整套系統(tǒng)可直接擺放于桌面上操作；
3.與大型智能制造生產(chǎn)線的功能相似，但建設成本僅為后者的10%左右，可使用較低的成本，滿足多人分組教學的要求；
4.融合了機器視覺、機器人控制、視覺與機器人協(xié)同、生產(chǎn)線運動控制等多種技術；
5.提供圖形化交互視覺軟件，功能圖標直觀易懂，采用拖拽式操作，適合快速進行視覺應用的開發(fā)；
6.內(nèi)置的AI和視覺算法庫包括物體分類識別、目標檢測、缺陷檢測、OCR字符識別、尺寸測量等多種案例，滿足基礎應用與開發(fā)教學；
7.支持多種類機器視覺、機器人、復雜傳感器與智能控制等關鍵技術的組合實驗，可支持多種不同模塊同時聯(lián)動實驗。
三、功能與應用場景
1.開放性實驗環(huán)境
（1）集成Python、OpenCV等運行環(huán)境，支持數(shù)字圖像處理、機器視覺等算法、硬件、應用的開發(fā)和學習；
（2）提供實驗所涉及的OpenCV圖像處理函數(shù)的所有接口和使用說明，既可通過配置參數(shù)實現(xiàn)對圖像的特定處理，也可新建不同的視覺項目，進行二次開發(fā)；
（3）內(nèi)置的視覺軟件和功能庫包括物體分類識別、目標檢測、OCR字符識別、缺陷檢測，滿足基礎應用與開發(fā)教學；
（4）支持對生產(chǎn)線上的目標尺寸測量、缺陷檢測、產(chǎn)品分類等應用進行開發(fā)，開展企業(yè)級實戰(zhàn)訓練。
2.開放全部源代碼
開放全部軟件框架和算法級源代碼，支持二次開發(fā)，提供完善的實驗指導書和技術文檔，并提供產(chǎn)品相關軟硬件的架構與設計方法文檔。
3.圖形化交互軟件
2D機器視覺軟件采用海康威視Vision
Master視覺軟件，圖形化交互界面，功能圖標直觀易懂，采用拖拽式操作，可快速搭建視覺方案，模塊運行狀態(tài)獨立標識，實時顯示。
主要技術參數(shù)和特點如下：
（1）包含近千個圖像處理算子和多種交互式開發(fā)工具，包含130+個模塊工具，支持多種操作系統(tǒng)和圖像采集硬件設備；
（2）用戶可以根據(jù)需求創(chuàng)建視覺方案，還可以自定義運行界面，滿足個性化需求；
（3）兼容GigE Vision和USB3 Vision協(xié)議標準，可以接入多種品牌的相機，支持本地圖像處理和相機數(shù)據(jù)圖像處理；
（4）二次開發(fā)簡單易上手，通過簡化后的接口可以節(jié)省90%的代碼量，新增的控件可一鍵導入Visual Studio中，可嵌QT，MFC，WPF和WinForm的界面開發(fā)中；
（5）支持用戶自定義模塊開發(fā)，用戶可將自定義算法封裝為VM模塊后直接拖拽使用；
（6）支持TCP/IP，ModBus，串口，UDP，Ethernet/IP等常見工業(yè)通信協(xié)議，能兼容主流PLC型號的通訊。
4.視覺定位、檢測與識別
視覺技術在實際應用中，通常有三個方向：定位（即計算目標位置，為機器人抓取提供引導）、檢測（即檢測目標的缺陷，如零部件劃痕、缺角等，用于進行良次品分類）、識別（即識別目標的名稱，如識別不同長度的螺桿，用于進行產(chǎn)品種類的分揀）。
在本產(chǎn)品中，綜合運用到了上述三類技術：前端通過視覺系統(tǒng)定位目標的位置，機器人抓取后完成上料；中間部分通過視覺系統(tǒng)進行目標的缺陷檢測、尺寸測量或型態(tài)識別；后端機器人根據(jù)檢測和識別結果，完成目標的自動分揀。用戶可以在開源環(huán)境下進行自主開發(fā)，面向智能制造、智慧物流等多個場景，開展行業(yè)應用。
5.機器人手眼標定
為機器人引入視覺系統(tǒng)，使得機器人可進行自主的、智能化的運動，完成如零部件分類、物流搬運、碼垛、物體分揀等功能。
手眼標定有兩種方式：眼在手上、眼在手外。通常來說，對大目標或大范圍多個目標的抓取，需要更大的視野，可以采取眼在手外的方式；對小目標的抓取，則可以采用眼在手上的方式。當然，還需要考慮到機器人的負載和安裝空間，是否在末端安裝了視覺系統(tǒng)后，仍能實現(xiàn)對目標的抓取。
本產(chǎn)品采用的是眼在手外的方式。
6.基于視覺的機器人應用
機器人與視覺系統(tǒng)結合，可以對不同尺寸、外觀的目標進行識別，開展目標分揀、智能碼垛、物體識別、字符識別等多種基礎實訓項目，從而模擬生產(chǎn)線上的真實產(chǎn)品檢測場景。
7.智能制造系統(tǒng)集成
本產(chǎn)品集成有3臺六軸機器人、2條輸送線、1套視覺系統(tǒng)，以及多組傳感器，所有組件均采用主流的通訊協(xié)議完成通訊，可以完成上料、輸送、視覺自主組裝、視覺檢測、下料等典型智能制造場景的全流程動作。
四、主要硬件參數(shù)
1.六軸機器人
六軸機器人配置3臺，該型機器人完全開放底層運動學正逆解控制算法，有助于用戶學習機器人的關節(jié)控制原理。同時，提供多個拓展接口，支持視覺、語音、多種末端執(zhí)行器、傳送帶等各類外設模塊的接入，實現(xiàn)物體抓取、視覺協(xié)同、人機交互、自動教學演示等多種功能，可快速滿足教學、科研等需求。
主要技術參數(shù)和特點如下：
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序號 |
類型 |
技術參數(shù) |
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1 |
基礎參數(shù) |
（1）軸數(shù)：6； （2）最大負載：1kg； （3）工作范圍：410 mm； （4）重復定位精度：±0.1mm； （5）凈重：4.8Kg； （6）底座尺寸：170mm×135 mm。 |
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2 |
軸運動參數(shù) （負載500g時) |
（1）J1：±130°，最大速度：45°/s （2）J2：-80°～＋90°,最大速度：45°/s （3）J3：-85°～＋40°,最大速度：45°/s （4）J4：-160°～＋160°,最大速度：45°/s （5）J5：-192°～＋15°,最大速度：27°/s （6）J6：±179°,最大速度：45°/s |
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3 |
通信接口 |
USB/WiFi/Bluetooth/RJ45； |
2.機器視覺系統(tǒng)
機器視覺系統(tǒng)配置1套，采用標準工業(yè)級視覺系統(tǒng)，包括工業(yè)相機、鏡頭、LED光源、光源控制器等，通過視覺支架進行集成，為所有的目標檢測、分析和處理提供實驗的硬件環(huán)境。
視覺系統(tǒng)結構如下：
視覺系統(tǒng)主要技術參數(shù)如下：
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序號 |
技術參數(shù) |
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1 |
（1）600萬像素 1/1.8” CMOS 千兆以太網(wǎng)工業(yè)面陣相機； （2）分辨率：3072×2048； （3）幀率：17 fps； （4）動態(tài)范圍：71.3dB； （5）增益：0dB～20dB； （6）曝光時間：27μs～2.5sec； （7）黑白/彩色：彩色； （8）接口：GiGE。 |
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2 |
（1）固定焦距、手動光圈、六百萬像素、FA鏡頭； （2）焦距：12mm； （3）F數(shù)：F2.8～F16； （4）接口類型：C-Mount； （5）視場角：1/1.8”。 |
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3 |
（1）LED類型：貼片LED； （2）顏色：白色； （3）色溫：6600K； （4）功率：14.4W； （5）輸入電壓：DC 24V max.； （6）外殼材質：鋁合金（表面氧化發(fā)黑處理）；（7）使用溫度和濕度：溫度：0～40oC，濕度：20～85%RH(非凝結)； （8）配套光源控制器。 |
3.PLC控制系統(tǒng)
PLC控制系統(tǒng)采用國產(chǎn)匯川品牌的Easy521系列PLC，如下圖所示，用于生產(chǎn)線相關電子設備的數(shù)據(jù)監(jiān)控，以及輸送線、傳感器、氣缸等的運行控制。
其中，觸摸屏采用威綸通品牌的人機交互觸摸屏幕，通過與其他相關的硬件設備結合，實現(xiàn)生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集、處理和控制的任務。
主要技術參數(shù)如下：
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序號 |
設備 |
技術參數(shù) |
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1 |
PLC |
（1）程序數(shù)據(jù)容量：200K 步用戶程序2MByte 自定義變量，其中128kByte支持掉電保持約150K軟元件，編號1000以后支持掉電保持； （2）以太網(wǎng)：支持EtherNet/IP、MODBUSTCP、Socket，程序上下載和固件升級； （3）串行通信：最多可支持3路（主單元支持1路，擴展卡可擴展2路）； （4）CAN通信：通過擴展卡可支持1路主站，最多接入63個從站； （5）EtherCAT：支持1路，最大72從站； （6）拓展模塊：最多可支持16個本地擴展模塊； （7）指令速度：20k/步/1.6ms。 |
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2 |
觸摸屏 |
（1）顯示器：7”TFT； （2）分辨率：800×480； （3）亮度(cd/m2)：300； （4）背光類型：LED； （5）背光壽命：>30,000h； （6）觸控精度：動作區(qū)長度(X)±2%，寬度(Y)±2%； （7）閃存(Flash)：128MB； （8）內(nèi)存(RAM)：128MB； （9）處理器：32-bit RISC600MHz。 |
4.輸送線
輸送線采用2套直線滑臺模組，上方安裝有步進電機、接近傳感器、光電傳感器，通過PLC接入計算機，實現(xiàn)對兩條模組分別的啟動、停止、暫停等控制，以及與視覺系統(tǒng)的協(xié)同等的控制，從而完成集成化系統(tǒng)運行時的全流程動作。
主要技術參數(shù)和特點如下：
（1）長度：500mm；導程：75mm；最大負載：5kg；直線速度：0-1.5m/s；重復定位精度：±0.05mm；電機連接方式：直連或變速；重量：2kg；
（2）數(shù)量：2條。
5.運算單元
采用工業(yè)級結構，體積小巧，外形緊湊，安裝windows系統(tǒng)，集成C++、OpenCV等運行環(huán)境，支持數(shù)字圖像處理、機器視覺、電氣控制等硬件或應用的開發(fā)和學習。
主要技術參數(shù)和特點如下：
處理器：酷睿i5；內(nèi)存：8G工控內(nèi)存；硬盤：256G固態(tài)硬盤；網(wǎng)口：雙千兆網(wǎng)口;
（2）支持海康威視Vision Master視覺軟件，采用圖形化交互界面，拖拽式操作能快速搭建視覺方案，滿足機器視覺應用領域中定位、測量、識別、檢測等需求;
（3）集成C++、OpenCV等運行環(huán)境，支持機器視覺、機器人控制等算法、硬件、應用的開發(fā)和學習；
（4）內(nèi)置的軟件庫包括物體分類識別、目標檢測、缺陷檢測、尺寸測量等，滿足基礎應用與開發(fā)教學；
（5）支持多種類機器視覺、機器人、復雜傳感器與智能控制等關鍵技術的組合實驗，可支持多種不同模塊同時聯(lián)動實驗。
五、實驗（訓）項目
1.課程資源
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序號 |
類別 |
課程資源 |
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1 |
機器人原理與應用 （約16課時） |
（1）六軸機器人機械結構組成 （2）六軸機器人核心零件認知 （3）機器人不同坐標系的變換與應用 （4）機器人直線、曲線、圓形、方形等軌跡編程 （5）機器人搬運編程 （6）機器人碼垛編程 （7）機器人拆垛編程 （8）機器人抓取、分揀練習 |
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2 |
機器視覺 （約30課時） |
（1）視覺系統(tǒng)認知 （2）像素尺寸測量 （3）物體定位和角度測量 （4）邊緣長度測量與面積檢測 （5）物體顏色和形狀識別 （6）條碼和二維碼識別 （7）OCR字符分割、訓練 （8）OCR字符識別 （9）基于形態(tài)學處理的產(chǎn)品表面缺陷檢測 （10）相機棋盤格標定 （11）基于opencv的車牌識別 （12）基于模板匹配的電子產(chǎn)品識別 （13）基于視覺的車牌識別 （14）基于視覺的條形碼識別 （15）基于視覺的二維碼識別 （16）基于視覺的物體形狀顏色識別 （17）基于視覺的水果識別 （18）基于圖像的NanoDet目標檢測模型實踐 （19）基于視覺的工件缺陷檢測 （20）基于視覺的證件識別 |
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3 |
基于視覺的機器人應用 （約20課時） |
（1）機器人認知和基礎操作 （2）機器人示教和運動控制 （3）機器人與視覺系統(tǒng)標定 （4）基于視覺的機器人目標分類 （5）基于視覺的機器人物體碼垛 （6）基于視覺的機器人數(shù)字排序 （7）基于視覺的機器人水果分類 |
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4 |
機器人柔性制造系統(tǒng)集成 （約24課時） |
（1）機器人搬運碼垛工作站系統(tǒng)集成 （2）機器人自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)集成 （3）基于視覺的智慧分揀系統(tǒng)集成 （4）多機器人協(xié)作動態(tài)裝配與檢測實訓 （5）智能制造系統(tǒng)集成與設計 |
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5 |
數(shù)字孿生系統(tǒng)實訓 （約30課時） |
（1）數(shù)字孿生模型設置與調試 （2）HMI界面設計與編程調試 （3）PLC編程應用與調試 （4）虛擬HMI與虛擬PLC編程調試 （5）上料單元虛實同步調試 （6）輸送單元虛實同步調試 （7）裝配單元虛實同步調試 （8）傳感單元虛實同步調試 （9）倉儲單元虛擬調試 |
2.機器視覺軟件算子
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序號 |
類別 |
視覺模塊與工具 |
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1 |
圖像采集 |
圖像源、多圖采集、輸出圖像、緩存圖像、光源 |
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2 |
視覺定位 |
高精度匹配、快速匹配、灰度匹配、圖形定位、圓查找、直線查找、BLOB分析、卡尺工具、邊緣查找、間距檢測、位置修正、矩形檢測、頂點檢測、邊緣交點、平行線查找、四邊形查找、直線查找組合、多直線查找、路徑提取、Blob標簽分析 |
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3 |
視覺測量 |
線圓測量、圓圓測量、點圓測量、點線測量、線線測量、點點測量、圓擬合、直線擬合、亮度測量、像素統(tǒng)計、直方圖工具、幾何創(chuàng)建 |
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4 |
視覺識別 |
二維碼識別、條碼識別、字符識別、DL字符識別G/C、DL讀碼G/C、DL字符定位G/C |
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5 |
視覺標定 |
標定板標定、N點標定、標定轉換、單位轉換、畸變標定、畸變校正、映射標定、N圖像標定 |
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6 |
視覺對位 |
相機映射、單點對位、點集對位、線對位 |
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7 |
圖像處理 |
圖像組合、形態(tài)學處理、圖像二值化、圖像濾波、圖像增強、圖像運算、清晰度評估、圖像修正、陰影校正、仿射變換、圓環(huán)展開、拷貝填充、幀平均、圖像歸一化、圖像矯正、幾何變換、圖像拼接、多圖融合 |
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8 |
顏色處理 |
顏色抽取、顏色測量、顏色轉換、顏色識別 |
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9 |
缺陷檢測 |
字符缺陷檢測、圓弧邊緣缺陷檢測、直線邊緣缺陷檢測、圓弧對缺陷檢測、直線對缺陷檢測、邊緣組合缺陷檢測、邊緣對組合缺陷檢測、邊緣模型缺陷檢測、邊緣對模型缺陷檢測、缺陷對比 |
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10 |
邏輯工具 |
條件檢測、分支模塊、分支字符、文本保存、邏輯、格式化、變量計算、字符比較、腳本、Group、點集、耗時統(tǒng)計、數(shù)據(jù)集合、協(xié)議解析、協(xié)議組裝 |
六、綜合實訓
1.電子設備組裝與調試
完成機器人系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、輸送線、上料機構、產(chǎn)品組裝平臺、光電傳感器、繼電器、交換機等電子設備和機電部件的組裝，并在生產(chǎn)線上完成以上所有設備的安裝部署、供電和網(wǎng)絡連接、參數(shù)配置和功能調試。
2.設計編程與參數(shù)配置
完成HMI界面設計、PLC與HMI編程、電子設備參數(shù)設置，實現(xiàn)對電子設備的數(shù)據(jù)監(jiān)測或自動控制。
3.生產(chǎn)過程數(shù)智化應用
完成各類不同工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議的傳感、控制等電子設備的數(shù)據(jù)采集；并完成人機操作界面的頁面布局、數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)錄入及展示等工業(yè)數(shù)據(jù)的可視化開發(fā)工作。
4.數(shù)據(jù)采集與可視化應用
搭建制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）運行環(huán)境，完成系統(tǒng)的安裝、部署、調試；配置制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），實現(xiàn)對電子設備狀態(tài)的數(shù)據(jù)監(jiān)控；根據(jù)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）記錄的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析，完成生產(chǎn)管控建議報告。
5.電子設備數(shù)智化運維
結合電子設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對設備上指定模塊進行故障排除，按要求寫出故障解決方法并編寫核心電子設備保養(yǎng)手冊；基于智能傳感器的數(shù)據(jù)觀察與診斷結果，結合預測性維護等新技術，提出智能制造產(chǎn)線電子設備的預測性運維建議。