（北京聯(lián)合大學(xué) 北京市智能機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)工程技術(shù)研究中心，北京 100020）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器視覺的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。目前，將機(jī)器視覺應(yīng)用至各種檢測場合已成發(fā)展趨勢。應(yīng)用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)物品檢測，通常會針對該物品設(shè)計(jì)專門的檢測裝置[2-5]。但設(shè)計(jì)專用裝置需要較長的周期，并且在設(shè)計(jì)裝置之前，還需要根據(jù)被測對象的特點(diǎn)來確定具體檢測方案及算法。因此，各高等院校和科研院所進(jìn)行機(jī)器視覺研究之前，通常使用市場上銷售的手動調(diào)節(jié)裝置或使用攝像用的三腳架來采集圖像進(jìn)行算法研究。而這些裝置調(diào)節(jié)起來很麻煩，且僅能在單個方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文提出一種裝置，攝像頭可根據(jù)待測物品的尺寸在高度和水平面方向均能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，操作方便，調(diào)節(jié)精度高。目前，該裝置被聯(lián)合大學(xué)機(jī)電學(xué)院研制并處于試驗(yàn)階段。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)需要將所固定的攝像頭實(shí)現(xiàn)三維內(nèi)的移動，從而實(shí)現(xiàn)清晰采集物體圖像的目的。攝像頭位置調(diào)節(jié)設(shè)有自動調(diào)節(jié)和手動調(diào)節(jié)2種方式。自動調(diào)節(jié)方式是通過上位監(jiān)控設(shè)備控制攝像頭在區(qū)域范圍內(nèi)運(yùn)行到指定的三維位置。手動調(diào)節(jié)方式是對攝像頭在各個軸向進(jìn)行點(diǎn)動調(diào)節(jié)位置。

本設(shè)計(jì)從運(yùn)動平穩(wěn)性、傳動精度和經(jīng)濟(jì)成本考慮，選擇3組滾珠絲杠（X軸、Y軸、Z軸）作為機(jī)械裝置的傳動機(jī)構(gòu)，分別由步進(jìn)電機(jī)對滾珠絲杠進(jìn)行驅(qū)動。攝像頭安裝在Z軸（上下運(yùn)動）滾珠絲桿的滑塊上，Z軸底座安裝在X軸（左右運(yùn)動）的滑塊上，而X軸橫跨在Y軸（前后運(yùn)動）和一滑動導(dǎo)軌上?；瑒訉?dǎo)軌與Y軸滾珠絲杠互相平行，Y軸的運(yùn)動以滾珠絲杠為主運(yùn)動，平行于Y軸絲桿的光滑導(dǎo)軌為從動運(yùn)動。該裝置的支架使用輕巧的鋁型材，支架底部放置控制系統(tǒng)，中部安裝檢測平臺。所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維造型如圖1所示。其中，檢測平臺為300 mm×380 mm，X軸的滾珠絲杠行程為200 mm，Y軸的滾珠絲杠為300 mm，Z軸的滾珠絲杠的行程選200 mm。控制系統(tǒng)控制器使用西門子小型S7-1200 PLC，上位監(jiān)控及操作使用上海繁易公司的F007電容觸摸屏，同時(shí)也配置了一個可進(jìn)行簡單操作的手持面板。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

三組滾珠絲杠（X軸、Y軸、Z軸）均由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。由于滾珠絲杠的主要負(fù)載為攝像頭及滾珠絲杠的自重，負(fù)載不大，故本裝置使用3個2相直流步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)3個方向的位置調(diào)節(jié)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器選擇TB6600。

本裝置上使用6個行程開關(guān)進(jìn)行3個方向的限位，使用3路高速脈沖及3路方向信號對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置控制。使用手持式面板進(jìn)行模式選擇和對攝像頭位置進(jìn)行點(diǎn)動調(diào)節(jié)。手持式面板上安裝2個撥動開關(guān)，一個用于手動和自動模式的選擇，一個用于手持式面板和上位控制的選擇。手持式面板上還安裝6個點(diǎn)動按鈕用于攝像頭位置在各個方向的點(diǎn)動調(diào)節(jié)控制，安裝1個復(fù)位按鈕用于攝像頭位置復(fù)位，安裝1個停止按鈕用于停止當(dāng)前運(yùn)動。因此，數(shù)字量輸入信號有16點(diǎn)，數(shù)字量輸出信號有6點(diǎn)。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)三維造型Fig.1 Mechanical design

圖2 CPU1214C接線原理Fig.2 Wiring schematic of CPU1214C

本裝置中I/O點(diǎn)數(shù)較少，故控制器選擇具有3路以上高速脈沖輸出的西門子S7-1200 PLC。CPU型號為支持4路高速脈沖輸出CPU1214C DC/DC/DC。為滿足任務(wù)需求，同時(shí)考慮以后的項(xiàng)目擴(kuò)展需求，本設(shè)計(jì)擴(kuò)展一個具有16DI/16DO的模塊SM1223DC/RLY。

根據(jù)本項(xiàng)目的控制要求，有16點(diǎn)數(shù)字量輸入信號，有6點(diǎn)數(shù)字量輸出信號。對3個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行編號，定義1號電機(jī)為Z軸軸向電機(jī) （上下運(yùn)動），2號電機(jī)為Y軸軸向電機(jī) （前后運(yùn)動），3號電機(jī)為X軸軸向電機(jī)（左右運(yùn)動）。對所有數(shù)字量輸入和輸出進(jìn)行I/O地址分配，將所有使用到的電器元件進(jìn)行接線，其硬件接線原理如圖2和圖3所示。

圖3 SM1223接線原理Fig.3 Wiring schematic of SM1223

3 PLC程序設(shè)計(jì)

對于PLC的程序設(shè)計(jì)，根據(jù)控制任務(wù)要求，程序主要分為主程序、初始化程序、復(fù)位程序、手動運(yùn)行程序、自動運(yùn)行程序和急停程序。

初始化程序OB100主要是實(shí)現(xiàn)對設(shè)備參數(shù)及上位設(shè)置參數(shù)進(jìn)行初始化賦值。設(shè)備參數(shù)主要包括絲杠的導(dǎo)程、步進(jìn)電機(jī)的步距角和細(xì)分?jǐn)?shù)、輸出脈沖的周期和攝像頭的默認(rèn)位置。上位設(shè)置參數(shù)主要包括自動模式下攝像頭在X、Y、Z軸方向上需要移動的相對距離。

主程序OB1主要是判斷各種工作狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)子程序的調(diào)用。OB1通過調(diào)用復(fù)位程序，急停程序，手動程序和自動程序，實(shí)現(xiàn)“HMI控制”與“手持控制”的切換，以及實(shí)現(xiàn)“手動模式”與"自動模式的切換。主程序OB1的流程如圖4所示。

圖4 主程序OB1流程Fig.4 Flow chart of the main program OB1

復(fù)位程序主要實(shí)現(xiàn)攝像頭回初始位置。在復(fù)位程序中，需要定義步進(jìn)電機(jī)的方向，并使用CTRL_PWM指令實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。本項(xiàng)目定義攝像頭在X軸的左限位、Y軸的后限位以及Z軸的上限位為攝像頭的初始位置。按下復(fù)位按鈕，各軸將同時(shí)向初始位置移動，直到到達(dá)初始位置才停止。

手動運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)在手動/自動模式選擇開關(guān)切換至手動模式后通過手持面板進(jìn)行手動操作實(shí)現(xiàn)攝像頭點(diǎn)動上行、點(diǎn)動下行、點(diǎn)動向前、點(diǎn)動向后、點(diǎn)動向左、點(diǎn)動向右的三維運(yùn)動。在該程序中，同樣需要定義步進(jìn)電機(jī)方向和控制脈沖輸出。

自動運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)當(dāng)手動/自動模式選擇開關(guān)切換至自動模式，并且將手持面板/HMI模式選擇開關(guān)切換至在HMI模式下時(shí)，通過HMI設(shè)備直接設(shè)定攝像頭位置，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕，則裝置直接將攝像頭自動移動到該位置。

自動運(yùn)行程序中，需要讀取HMI設(shè)定的位置參數(shù)，然后通過計(jì)算，轉(zhuǎn)換成時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對攝像頭位置的自動定位功能。

首先按式 （1）計(jì)算步進(jìn)絲杠滑臺每移動1 mm所使用的時(shí)間t（ms）。

式中：a為步距角 （°）；n為細(xì)分?jǐn)?shù)；T為脈沖周期（ms）；s為絲杠導(dǎo)程（mm）。

再根據(jù)式（2）～式（4）來計(jì)算攝像頭在X，Y，Z方向需要移動指定距離所用的時(shí)間。

式中：dx，dy，dz分別為攝像頭在X、Y、Z方向上需要移動的距離；tx，ty，tz分別為攝像頭在X，Y，Z方向移動所用時(shí)間。

在程序中實(shí)現(xiàn)當(dāng)按下上位確認(rèn)按鈕時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的時(shí)間。其中，在上位對各軸方向的相對位置進(jìn)行設(shè)定時(shí)，定義遠(yuǎn)離初始位置為坐標(biāo)正方向，否則為負(fù)方向，設(shè)置正方向移動時(shí)輸入正數(shù)，設(shè)置負(fù)方向移動時(shí)輸入負(fù)數(shù)。在程序中還需要考慮限位保護(hù)。

在自動模式中，還需要計(jì)算攝像頭當(dāng)前的實(shí)際位置，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動過程中能實(shí)時(shí)更新。要實(shí)現(xiàn)該功能，需要計(jì)算單位時(shí)間（ms）內(nèi)步進(jìn)電機(jī)移動的距離D，該距離D與步進(jìn)絲杠滑臺每移動1 mm所使用的時(shí)間t（ms）正好是倒數(shù)關(guān)系，故D可根據(jù)式

（5）計(jì)算。

當(dāng)前實(shí)際坐標(biāo)位置用X1，Y1，Z1（mm）表示，則X1，Y1，Z1的值可根據(jù)式（6）～式（8）進(jìn)行計(jì)算。

式中：TDx，TDy，TDz表示當(dāng)前X，Y，Z軸方向已經(jīng)移動的相對時(shí)間（ms）；X0，Y0，Z0表示按下上位確認(rèn)按鈕前的實(shí)際坐標(biāo)位置（mm）；±運(yùn)算符需要根據(jù)位置移動方向進(jìn)行確定，往坐標(biāo)正方向移動時(shí)取“+”運(yùn)算，往坐標(biāo)負(fù)方向移動時(shí)取“-”運(yùn)算。

4 觸摸屏的組態(tài)

在本設(shè)計(jì)中，為提高人機(jī)界面的友好性，增加了HMI上位機(jī)控制。從性能和成本等角度考慮，采用繁易小型電容觸摸屏F007作為上位機(jī)HMI設(shè)備，其上位組態(tài)軟件為FStudio。本項(xiàng)目使用Ethernet網(wǎng)絡(luò)通訊模式實(shí)現(xiàn)繁易F007屏與PLC的通信。其中，觸摸屏項(xiàng)目中添加通信設(shè)備如圖5所示，在PLC的CPU模塊屬性的“保護(hù)”標(biāo)簽頁中訪問權(quán)限設(shè)置為“完全訪問權(quán)限（無任何保護(hù)）”，并且勾選“允許從遠(yuǎn)程伙伴（PLC、HMI、OPC、…）進(jìn)行PUT/GET通信訪問”選項(xiàng)。

圖5 添加通信設(shè)備Fig.5 Add communication device

上位組態(tài)畫面需要實(shí)現(xiàn)上位手動控制、上位自動控制、復(fù)位操作和手動/自動模式選擇，同時(shí)需要顯示當(dāng)前裝置的狀態(tài)。具體上位組態(tài)畫面運(yùn)行如圖6所示。其中，左上角的區(qū)域?yàn)槭謩狱c(diǎn)動控制，執(zhí)行復(fù)位和選擇手動/自動模式，以文字形式進(jìn)行狀態(tài)顯示；右側(cè)上方使用箭頭顯示各軸的運(yùn)行方向；左側(cè)下方用來設(shè)置自動模式下各軸運(yùn)動的相對位置，按下“確認(rèn)”按鈕后，右側(cè)下方顯示攝像頭的實(shí)際位置。

圖6 上位運(yùn)行畫面Fig.6 Run the monitor screen

5 試驗(yàn)

本自動檢測裝置實(shí)物如圖7所示。

圖7 中小物品自動檢測裝置實(shí)物Fig.7 Experimental device

試驗(yàn)時(shí)，將PLC與觸摸屏使用以太網(wǎng)線進(jìn)行連接，并通電。運(yùn)行PLC程序，將手持面板上“手持/ HMI”開關(guān)SA2斷開，則可以使用手持面板上的按鈕對攝像頭的空間位置進(jìn)行點(diǎn)動調(diào)節(jié)，但不能進(jìn)行位置顯示。接通手持面板上的“手持/HMI”開關(guān)SA2，則切換至觸摸屏操作。使用觸摸屏不僅可以對攝像頭的位置進(jìn)行點(diǎn)動調(diào)節(jié)，還可以進(jìn)行位置自動定位，同時(shí)可以顯示攝像頭的當(dāng)前位置。為測試所設(shè)計(jì)的自動檢測裝置的使用效果，本項(xiàng)目連接大恒HV1351攝像頭進(jìn)行測試，使用大恒公司提供的測試軟件Daheng Imavision USB Performance進(jìn)行圖像采集。本裝置可以選擇在試驗(yàn)測試過程中，攝像頭位置調(diào)節(jié)穩(wěn)定可靠，位置精度為0.003 mm。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了機(jī)器視覺檢測裝置，實(shí)現(xiàn)攝像頭位置在高度和水平面方向的自動調(diào)節(jié)，為后續(xù)的圖像處理提供便利。攝像頭的移動空間范圍為200 mm× 200 mm×300 mm，適應(yīng)中小物品的機(jī)器視覺檢測。攝像頭位置調(diào)節(jié)可采用成本低廉的手持面板操作，也可使用操作方便、可實(shí)現(xiàn)精確位置控制的觸摸屏操作。該裝置為科研院所及高校的研究人員大大縮短了機(jī)器視覺檢測研究的周期，提高了研究的效率，應(yīng)用前景廣泛。

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