惠州城市職業(yè)學院 吳仁君

基于PLC與機器視覺的自動物料分揀控制系統(tǒng)的設計

惠州城市職業(yè)學院 吳仁君

本文介紹了以三菱FX3U系列PLC為基礎,研究并構(gòu)建了一套基于機器視覺的自動物料分揀系統(tǒng).本系統(tǒng)由機械本體、控制器、變頻器、伺服與步進驅(qū)動系統(tǒng)、光電傳感裝置、視覺系統(tǒng)、氣動機械手、立體倉庫、人機界面以及軟件組成.實現(xiàn)自動控制、可重復編程、可在三維空間完成各類動作的機電一體化自動化生產(chǎn)設備.該系統(tǒng)通過電感傳感器先檢測金屬,通過光電傳感器檢測顏色,最后通過機器視覺系統(tǒng)檢測是否加工合格,得出目標數(shù)據(jù),最終控制機器手實現(xiàn)分揀動作,完成立體倉庫的入庫動作.

PLC;機器視覺;自動分揀

視覺傳感器是整個機器視覺系統(tǒng)信息的來源,主要由相機、光源、控制器組成.在激烈的市場競爭中,很多企業(yè)為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率,對設備進行技術(shù)改造升級.傳統(tǒng)的檢測線主要是由人工來完成.這種類型控制的優(yōu)點是簡單,實用,但是其缺點是費時,費力,且容易發(fā)生安全事故[1].特別是在一些特殊的環(huán)境,可能對人體健康帶來危害,用機器代替人工,不但省力省時,而且能達到更高的精度.PLC與機器視覺的結(jié)合,讓檢測變得更加簡單.本文將機器視覺等傳感器應用于PLC控制系統(tǒng)中,實現(xiàn)工件的自動檢測,對工業(yè)應用有一定的借鑒作用.

1.系統(tǒng)的總體設計

本文設計的系統(tǒng)主要由六個單元組成:PLC控制總站、供料單元站、傳送單元站、檢測單元站、機械手搬運單元站、立體倉庫入庫單元站,是一個柔性的檢測分揀系統(tǒng).所有的工作站均安裝在合金導軌式臺面上,本設計中,執(zhí)行單元采用氣源、步進、伺服驅(qū)動,運用各類傳感器實現(xiàn)工件的檢測,利用變頻器驅(qū)動皮帶運行等,利用步進電機控制機械手的左右擺動,利用氣缸控制機械手的伸縮和抓取,利用伺服、步進電機和氣缸控制物料的立體入庫,組建一個材料分揀平臺.本設計應用1臺 PLC 作為其程序控制單元.同時,為了顯示和改寫皮帶的即時運行頻率,PLC 與變頻器之間還應進行通信.

圖1 PLC輸入輸出分配

本系統(tǒng)的總體設計主要有執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、檢測系統(tǒng)組成.

(1)執(zhí)行機構(gòu)

包括了供單元、傳送單元、3個具有兩個自由度的機械手搬運單元、立體倉庫單元.,該機械手可以實現(xiàn)擺動,升降以及吸附與釋放動作.變頻器控制電機,用于控制傳送帶的運動.步進、伺服電機及氣缸控制立體倉庫入庫.

(2)驅(qū)動機構(gòu)

物料傳送帶電機由變頻器根據(jù)物料重量進行變速驅(qū)動.抓取機械手的執(zhí)行機構(gòu)由氣動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動,旋轉(zhuǎn)由步進電機驅(qū)動.立體倉庫入庫由步進、伺服驅(qū)動控制移動到倉庫位置,由氣缸推進倉庫.本系統(tǒng)主要采用PLC控制的氣缸來組成氣動機械手,實現(xiàn)工件供料、送料、自動抓取、分揀、自動入庫.系統(tǒng)的驅(qū)動部分主要由氣源及氣源過濾裝置、水平移動氣缸、垂直升降氣缸、手爪夾緊氣缸及各種控制閥組成,由步進、伺服驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)精確定位.

(3)檢測系統(tǒng)

本系統(tǒng)的檢測平臺分為3個部分:①通過電感傳感器檢測金屬和非金屬;②通過光電傳感器檢測顏色;③通過機器視覺傳感器檢測產(chǎn)品是否加工合格.

2.視覺檢測設計

根據(jù)產(chǎn)品檢測要求,對工件上加工的圖形進行判斷,選用歐姆龍FH-L550視覺傳感器.歐姆龍FH-L550視覺傳感器由相機、光源、控制器組成,與FH-Simulation tools視覺軟件共同完成視覺檢測工作,具體配置如下:

(1)打開FH-Simulation tools視覺控制軟件,選擇"場景切換"任意新建一個場景.

(2)點擊左上角綠色矩形,圖像模式選擇"相機圖像動態(tài)".之后就可以看到相機拍攝場景.

(3)調(diào)節(jié)光源亮度.

(4)調(diào)節(jié)相機焦距和光圈.

(5)點擊"流程編輯"進入編輯頁面.

(6)在功能區(qū)選擇"形狀搜索III",然后點擊"插入",同理選擇"結(jié)果輸出"中的"并行數(shù)據(jù)輸出".

(7)然后選中"形狀搜索III",點擊"設定",在模型登陸欄下,點擊編輯,然后在圖片區(qū)調(diào)整方框大小,剛好框住識別的圖像"Rob",點擊"適用",再確認.

圖2 合格圖像

(8)點擊區(qū)域設定,進入檢測區(qū)域設置,點擊"編輯",設定好檢測區(qū)域.

(9)點擊"參數(shù)設置",設置相似度為80%,確定,形狀搜索設置完畢.

根據(jù)檢測的形狀相似度,超過80%,檢測為合格產(chǎn)品,低于80%為不合格產(chǎn)品.

視覺系統(tǒng)需要用到相機觸發(fā)線路,與PLC的輸出點Y25連接,當PLC的輸出點給一個上升沿脈沖時,就觸發(fā)相機拍照一次,而視覺系統(tǒng)需要用到兩條輸出線,合格品和不合格品的輸出信號,其中合格品輸出信號與PLC的 X30連接;不合格品輸出信號與PLC的 X31連接.

3.系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)的控制要求為先對工件的材質(zhì)、顏色進行檢測,再對工件的加工圖形進行檢測.程序設計的主要流程為:供料單元檢測有物料時進行供料,氣缸動作,把物料推到傳送帶上,由變頻器控制傳送電機的速度,先進行材質(zhì)檢測,再進行顏色檢測,最后進行視覺檢測是否合格,合格的依次放入立體倉庫,不合格的將工件放到次品位,工作流程圖如圖3所示:

圖3 系統(tǒng)程序流程

4.結(jié)束語

本系統(tǒng)采用PLC作為控制平臺的核心,用視覺傳感器實現(xiàn)對產(chǎn)品的檢測,檢測完成后機械手實現(xiàn)自動分揀再放入立體倉庫等控制功能,采用軟件編程,使其動作運行可根據(jù)實際情況隨時進行調(diào)整,可以進行手動單步調(diào)節(jié)和分段運行功能,提高了運行的效率和安全性.具有集成度高、靈活性好抗干擾能力強等特點,而且簡化了硬件接線線路,節(jié)省了空間,降低了設備的故障率,使控制具有較強的柔性和功能的可擴展性[4].

[1]王偉,鄭永果.基于機器視覺的在線電池檢測系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2006,18,(1):425-426

[2]賈薪.基于現(xiàn)場總線的視覺檢測與控制技術(shù)研究[D].山東大學碩士學位論文,2004.

[3]原通文,曹慧云.基于PLC的真空斷路器生產(chǎn)線控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2011,(6):132-135.

[4]李燦燦,譚宗柒.氣動機械手PLC控制部分設計[J].三峽大學學報(自然科學版),2010,4,(32):74-76.