图1：在Byrne的三个装配单元中，两个六轴机器人与Datalogic的4相机机器视觉系统一起工作，完成插座零件的拾取、装配和装配完的插座检查。最后的包装单元使用LMI Gocator 3D快照式感测器做最终检查。
弹出式电源和资料插座必须适合各种型别的桌子、工作站和其他模组化家俱。毕竟，插座的尺寸、形状、颜色和电路必须满足各种设计和电气要求，以便在众多的酒店、医疗保健机构、教学和办公环境中使用。因此，插座制造商们可能会生产几十种不同型号的插座。
为了生产这类插座（技术上称为双联插座），制造商通常雇佣工人进行手动装配、检查、测试和包装，然后将它们交付给家俱供应商或是在客户现场做最后的安装。这就是Byrne Electrical Specialists公司以前生产电气插座的方式。Byrne公司的自动化工程师Dan Wierenga表示，Byrne公司以前主要依靠两条专用的手动装配线。
他解释说：“要满足大批量的高峰生产需求，使用原来的这两条手动装配线确实面临着严峻的挑战。”为此，Byrne公司寻求机器制造商Criterion Manufacturing Solutions的帮助，为其开发一种自动插座生产机器。该机器包括三个相同的装配单元，这三个装配单元共享一条输出传送带；输出传送带将装配完成的插座输送到测试-包装单元，插座在此处接受最终的3D检查、测试和包装，准备装运。所有这些操作过程都是自动执行的（见图1）。在这套新系统中，操作员使用人机界面（HMI）设定当前作业编号和订单引数，如颜色、尺寸和每箱的插座数量，然后手动将插座的前面板、背板壳以及火线、零线和接地母线条装载到机器的上料盘中。当母线条沿着传送带向下移动时，视觉引导的机器人将这些母线条分离开。
为了完成这项任务，每个装配单元中包括三个定制的三级零件分拣传送系统、两个Nachi Robotic Systems公司的六轴机器人MZ07，和一个Datalogic公司的四相机机器视觉系统。其中一个机器人将已经分离开的母线条插入插座，然后该插座通过传送带将其送至最终的包装单元；在包装单元中，使用LMI Technologies公司的Gocator 3210 3D快照式感测器对完成装配的插座做最终的检查。另一个机器人负责对装配好的插座进行包装，以便装箱出货。
Criterian Manufacturing Solutions公司与Byrne的工程师密切合作，并与自动化分销商Industrial Control合作，为这个自动化专案中的核心机器视觉系统制定规范。
工业控制高阶客户经理和制造工程师Jake Hall说：“快速地将一堆母线条从大容量储存区分拣成有序的零件序列，使得机器人可以轻松地拾取这些零件，并由自动化装置进行装配，这需要一套具备快速和强大目标识别能力的动态视觉系统。”
每个零件分拣传送带系统都有一个专用的相机，当母线条通过传送带上具有背光照明的区域时，相机采集母线条的影象，背光照明用于突出每个零件的轮廓；然后系统识别零件，并将座标传送给拾取机器人。另一个机器人负责装配插座，在插座移动到包装单元之前，第四个相机对插座成像，用于插座的装配验证和检查工作。
“我们选择与Industrial Controls公司合作，是因为他们在机器视觉领域有着丰富的经验，”Wierenga说道，“他们为这些系统提供了大量的支援、建议和培训工作。”
级联式传送带
多年前，插座零件都是针对手工制造而设计的。“当时，人们还从来没想过使用机器人装配这些零件。”Wierenga介绍说，“因此，现在为了实现机器人自动化装配，必须优化零件以及零件之间的界面。”
每个插座有五个零件：塑料前面板、塑料背板壳，以及用于接地、零线和火线的铜母线条。每根母线条都具有独特的设计，并且它们要连线在一起。
“我们有9种不同的高度、25种不同的颜色、15种不同的电路和几十种不同的母线条设计，这些要素能够组合出几百种不同的插座型别。”Wierenga说，“使用相同的自动化系统对如此大量的、不同型别的零件进行分拣和装配，的确是一项相当具有挑战性的工作。”
为了解决这个问题，基于QC Conveyors公司的级联式传送带，他们开发出了一种多级分拣和分离系统。第一级传送带的行进速度最慢，它负责从一个升降料斗中取出随机倒入的一些母线条，并将这些母线条输送到位置较低、但行进速度更快的第二级传送带上。
将母线条从顶部行进缓慢的第一级传送带输送到行进速度更快的第二级传送带，目的是将这些混杂在一起的母线条分离。这一步，为接下来机器人在没有干扰或与周围其他零件缠绕的情况下，拾取每个零件创造了条件。
母线条在一条10英寸宽的半透明带上，沿着第二级传送带行进。在第二级传送带的末端，一台Datalogic E151 200万画素的单色GigE相机，安装在传送带上方4.5英尺的地方，用于连续采集沿着传送带行进的零件的影象。影象资料通过GigE Vision电缆传输到Datalogic MX-80-E控制器。
“由于铜母线是金属材质，形状不规则，它们会反射工厂周围的环境光。”Wierenga说道。由于这种反射光会使影象的形成、处理和分析变得复杂，因此Criterian Manufacturing公司将定制的红光LED背光灯（尺寸约10×14英寸）整合到了这三个分拣传送带中。LED灯安装在传送带下方，产生背光照明效果。
从母线条下方向相机投射均匀的照明光，背光照明能够突出零件的轮廓，忽略表面细节，并将母线条反射的影响降至最低，明亮的背景光能在零件边缘产生强对比度（见图2）。Wierenga表示，相机光学系统上的机器遮光和红外滤光片，还可以将环境光的反射降到最低，而环境光会导致影象中不想要的反射。
图2：机器视觉系统在正确的方向上识别可拾取的母线条，并清除其周围的零件，向机器人传送座标，以便机器人能够连续地将零件送入装配单元。
可拾取的零件
根据Hall的说法，为了识别和定位机器人可拾取的零件，开发人员配置了Datalogic IMPACT软件，该软件执行在控制器上，其使用Blob和零件匹配工具分析采集到的影象。这些工具使系统能够快速识别适合拾取的母线条。适合拾取的零件必须具有正确的尺寸、形状和方向，并且零件周围5mm的范围内没有任何其他东西。
如果经过传送带背光照明区的母线条方向错误或缠绕在一起，它们将继续传送到传送带末端，并落在第三级传送带上，这个传送带是朝相反的方向行进的。第三级传送带将母线条重新送回升降上料斗，升降上料斗重新将这些母线条送到顶部的第一级传送带上，进行持续循环的分离、拾取和装配过程。
当视觉系统识别出一个可拾取的零件时，系统会向PLC发出讯号停止传送带，同时获取零件的影象，验证它是否为正确的零件，计算其位置和方向，并将座标传送给机器人进行拾取。机器人从传送带上拾取零件，并将其放置在两个备料槽中的一个（见图3）。同时，机器人也要顾及另外两个相同的零件分拣传送带系统，它们以相同的方式执行，每个系统提供不同型别的母线条。前三个相机与负责三个母线条分拣传送带的机器人一起工作；第四个相机与第二个机器人一起工作，负责插座的装配。
图3：母线条拾取机器人与视觉系统一起工作，从三条整合背光照明的分拣传送带上，为每个插座拾取所需的母线条。
在开始装配插座之前，第四个相机首先拍摄空装配槽的影象。视觉系统分析此影象，以确保该装配槽中没有任何异物。一旦检查完装配槽内的异物情况并确认清除后，装配机器人从漏斗中拾取一个面板，并将其放置在装配槽中。装配槽将面板固定在固定的位置，为装配做准备。接下来，机器人从备料槽中拾取合适的母线条，并将其放入到面板中。
同时，母线条拾取机器人与视觉系统协同工作，从零件分拣传送带上为每个插座拾取所需的母线条，为装配机器人重新填充备料槽。当三个母线条放置好后，装配机器人从另一个上料斗中取出插座的背板壳，并将其放置在前面板上。
最后，第四个相机拍摄插座的影象，视觉系统对该影象进行分析，以确保插座的背板壳装配到位，并与前面板完全接合。如果前后两个壳体之间没有装配好，则将它们从装配槽中清除，然后开始装配另一个插座，系统并不停下来。如果前后两个壳体装配合格，机器人将该插座从装配槽中取出，并将其放在另一个传送带上送至包装单元。
这三个相同的装配单元，每个单元都可以装配不同的插座，从而实现混合型别处理的能力，其中每种型别的插座都封装在不同的包装盒中，准备装运。连线到三个装配单元的传送带，将所有完成装配的插座输送给IAI America公司的一个三轴机械抓手。
机械抓手抓取每个装配好的插座，并将其转移到一个伺服驱动的步进梁机构中，该机构在插座包装前，为其标记装配、测试和检查等资讯。首先，伺服驱动的压力机会对每个插座进行挤压，将插座的前后外壳压在一起。之后，Gocator3210在插座的前后侧进行3D轮廓扫描，以测量边缘到边缘的零件尺寸和高度。扫描还检查Swedge高度、验证电路型别，并检查凸台和键控是否正确。
接下来还要测量插座的插入力和保持力，以及连续性验证，以确保电路的正确性。然后，在一个高压绝缘站对火线、零线、地线进行UL规定的测试。最后，在另一个6轴Nachi机器人将插座装入盒子之前，为插座贴上标签，标签上包含电路型别、零件型别和UL识别符号等资讯。
Wierenga表示，对于不同的订单尺寸，有三种不同的盒子型别。单独的工作站将盒子折叠起来，以接收来自每个装配单元的插座，这样零件就能按零件号进行包装了。当箱子装满时，指示灯会通知操作员箱子已装好，可以准备出货。（文/John Lewis）
