梁智深

（桂林電子科技大學(xué) 廣西 桂林 541004）

1 引言

自現(xiàn)代化工業(yè)步入二十一世紀(jì)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)琳瑯滿(mǎn)目。在電子、機(jī)械領(lǐng)域中，任何一個(gè)小尺寸部件都能影響到整個(gè)產(chǎn)品的性能。然而，這些部件本身具備尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面高精度等屬性，使得在生產(chǎn)過(guò)程存在不少技術(shù)難題，并且容易產(chǎn)生缺陷。為了保證裝配后產(chǎn)品的工作性能，這些小尺寸部件必須要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢測(cè)。人工檢測(cè)的精度達(dá)不到要求，測(cè)量結(jié)果受主觀(guān)因素的影響，花費(fèi)大量勞動(dòng)力的同時(shí)，效率低而不能保證工作量的進(jìn)展，使得企業(yè)生產(chǎn)成本提高卻得不到經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)結(jié)合了計(jì)算機(jī)、光學(xué)、機(jī)電以及圖像處理等技術(shù)，在眾多自動(dòng)化、智能化的檢測(cè)方式中，具有非常好的精度，同時(shí)做到在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，將生產(chǎn)和檢測(cè)過(guò)程一體化。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)滿(mǎn)足了各個(gè)領(lǐng)域生產(chǎn)檢測(cè)的要求，彌補(bǔ)了眾多檢測(cè)方式的技術(shù)盲點(diǎn)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分與電路設(shè)計(jì)控制部分組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以細(xì)分為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)底座以及箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、上料結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、光學(xué)鏡頭升降結(jié)構(gòu)方案以及鏡頭支架設(shè)計(jì)、上料部分的控制電路設(shè)計(jì)、鏡頭升降調(diào)節(jié)部分的控制電路設(shè)計(jì)以及按鍵輸入功能與系統(tǒng)液晶顯示功能等的設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，包括以下幾個(gè)部分組成：

（1）設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)底座及箱體結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)平臺(tái)正常工作狀態(tài)下所需的強(qiáng)度和硬度等需求。

底座與箱體只是為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的其余部件提供一個(gè)平穩(wěn)的工作環(huán)境，因此對(duì)于底座與箱體的設(shè)計(jì)，選用的是全開(kāi)放的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。開(kāi)放的結(jié)構(gòu)不僅使整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)看起來(lái)更加簡(jiǎn)單，而且更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一采用了三維軟件Solidworks進(jìn)行三維建模。利用Solidworks技術(shù)，可以對(duì)實(shí)物進(jìn)行建模仿真，對(duì)產(chǎn)品的裝配可行性具有很大的參考價(jià)值。同樣作為機(jī)械設(shè)計(jì)中的常用軟件，Solidworks的靈活性要大大強(qiáng)于AutoCAD。參數(shù)化的設(shè)計(jì)使得Solidworks在設(shè)計(jì)當(dāng)中柔性更好，尺寸等參數(shù)易于更改。

（2）對(duì)所需檢測(cè)的物品設(shè)計(jì)合理的上料結(jié)構(gòu).

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)目的是用于輔助日常教學(xué)，上料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要充分考慮系統(tǒng)整體組建方案的尺寸大小，以及結(jié)合所要檢測(cè)零件的類(lèi)型以及外形尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)組建方案設(shè)定了被檢測(cè)物的X方向上的位置（即正對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)橫向方向），上料結(jié)構(gòu)的活動(dòng)方向只需要在Y方向和Z方向。因此，最終采用的上料結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)是用二維運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)夾持裝置，從而使被測(cè)物件放到指定位置。

（3）根據(jù)光學(xué)鏡頭的尺寸以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作需求，完成鏡頭升降結(jié)構(gòu)方案選型以及鏡頭支架設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作需求，鏡頭支架需要將幾個(gè)光學(xué)鏡頭固定。為了使鏡頭能夠正對(duì)待測(cè)物，鏡頭的固定應(yīng)具有優(yōu)良的垂直度。由光學(xué)鏡頭的尺寸參數(shù)得到所要固定的圓柱面大小分別為41mm、40mm、50mm。結(jié)合滾珠絲桿滑臺(tái)的尺寸參數(shù)以及滑臺(tái)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的定位尺寸等參數(shù)，完成支架的尺寸設(shè)計(jì)。利用Solidworks進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立三維模型。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是51系列單片機(jī)作為核心部件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)包含了單片機(jī)控制核心電路、外部舵機(jī)控制電路、三個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制電路、液晶顯示輸出電路設(shè)計(jì)、鍵盤(pán)輸入電路設(shè)計(jì)等。控制系統(tǒng)要完成的工作內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)待測(cè)物的上料，以及完成光學(xué)鏡頭升降調(diào)節(jié)，使PC機(jī)能夠得到較為清晰的圖像。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的組建方案中涉及待測(cè)物件的上料和光學(xué)鏡頭攝取物件圖片時(shí)的升降調(diào)節(jié)工作。分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需完成的工作，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，得出控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方案。本文的方案是設(shè)計(jì)使用51微控制器的控制系統(tǒng)，使用按鍵輸入功能，對(duì)步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)實(shí)行開(kāi)環(huán)控制。單片機(jī)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中包括獨(dú)立按鍵設(shè)計(jì)、外部中斷電路設(shè)計(jì)、5110LCD液晶顯示設(shè)計(jì)等?？刂葡到y(tǒng)整體框架如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

4 程序設(shè)計(jì)流程圖

在本文中，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)采用按鍵點(diǎn)動(dòng)控制上料部件以及光學(xué)鏡頭調(diào)焦部件。里用定時(shí)器0的工作模式2中斷做步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的脈沖信號(hào)發(fā)生器，采用定時(shí)器1工作模式1輸出舵機(jī)運(yùn)行所需的脈沖信號(hào)，通過(guò)外部中斷1控制舵機(jī)在夾緊和張開(kāi)所需的不同脈寬，外部中斷0控制在調(diào)焦過(guò)程步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的不同頻率的脈沖信號(hào)，即粗調(diào)和微調(diào)，同時(shí)使用5110液晶顯示輸出的行程。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)目前現(xiàn)代化工業(yè)“中國(guó)制造2025”以及“工業(yè)4.0”的發(fā)展趨勢(shì)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)將在未來(lái)的工業(yè)現(xiàn)代化中占據(jù)著極其重要的位置。眾所周知，機(jī)器人技術(shù)在新世紀(jì)得到了快速發(fā)展，并且在許多領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用于各種自動(dòng)化生產(chǎn)。智能制造依然是未來(lái)的自動(dòng)化生產(chǎn)的主導(dǎo)方向。都說(shuō)人的眼睛是人心靈的窗戶(hù)，那么機(jī)器視覺(jué)同樣是智能制造的靈魂。從物品缺陷檢測(cè)、外觀(guān)尺寸測(cè)量到條碼識(shí)別等，都是機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)發(fā)揮其作用的舞臺(tái)。