梁美玉

（安徽信息工程學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，安徽蕪湖241100）

近幾年，隨著科技的快速發(fā)展，人們對工業(yè)生產(chǎn)的要求越來越高，產(chǎn)品趨向于更小、更輕、更薄，產(chǎn)品內(nèi)部的零件更加精密，傳統(tǒng)人工操作的零件位置放置已經(jīng)不能滿足產(chǎn)線效率需求，而且人工操作存在視覺疲勞，導(dǎo)致誤判率較高。機(jī)器視覺技術(shù)，利用機(jī)器代替人眼，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)圖像、工業(yè)生產(chǎn)、質(zhì)量檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)是通過軟件將硬件和通用計(jì)算機(jī)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)構(gòu)成測控系統(tǒng)。本文將機(jī)器視覺技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合起來，開發(fā)了基于虛擬儀器的零件位置探測機(jī)器視覺系統(tǒng)，取得了較好的效果。

工業(yè)生產(chǎn)中，零件位置放置過程是必不可少的環(huán)節(jié)，其中放置過程中的高效性和準(zhǔn)確性是最主要的因素。隨著零件的精密度越來越高，人工操作耗時(shí)且準(zhǔn)確率不高，零件位置檢測實(shí)現(xiàn)自動化是發(fā)展的必然趨勢。本文設(shè)計(jì)的零件位置檢測系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)線要求，實(shí)現(xiàn)的功能有：1）零件識別功能，針對不同尺寸的零件，調(diào)用相應(yīng)的程序，進(jìn)行尺寸檢測并分析零件的規(guī)格；2）排錯(cuò)功能，對錯(cuò)誤零件及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)出剔除信號以及相應(yīng)的執(zhí)行信號；3）實(shí)時(shí)檢測功能，系統(tǒng)需提供實(shí)時(shí)檢測顯示畫面，可以存儲以及實(shí)時(shí)查看錯(cuò)誤零件圖像。本文設(shè)計(jì)的零件位置檢測系統(tǒng)是完成對兩個(gè)形狀、大小不一（一個(gè)為正方體，一個(gè)為梯形體）的零件進(jìn)行提取和放置過程。

1 機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)工作流程

機(jī)器視覺系統(tǒng)硬件框架如圖1所示，工裝板（2）在傳送帶（1）上運(yùn)動，光電傳感器（3）在相對固定的位置判斷工裝板是否到達(dá)，如果到達(dá)則產(chǎn)生觸發(fā)信號。同時(shí)光源白光LED（7）照明。上位工業(yè)像機(jī)CCD（6）在伺服電機(jī)（4）的作用下，在導(dǎo)軌上移動至（2）的位置，進(jìn)行圖片拍攝，圖片傳給圖像采集卡（14）在工控機(jī)（15）進(jìn)行分析，判斷工裝板上對應(yīng)的位置上是否空缺零件，如果不空缺，則完成該流程，等待下一個(gè)工裝板，如果空缺，則回到原料盒（9），利用真空吸頭（8）進(jìn)行取料，取完料之后再來到下位工業(yè)相機(jī)CCD（10）進(jìn)行圖片拍攝，同樣將拍到的圖片傳遞給圖像采集卡（14）在工控機(jī)（15）進(jìn)行分析，判斷是否為需要的零件，如果不是，則將現(xiàn)有零件投擲廢料盒（11），重新回到原料盒（9）取料，如果是，則送去工裝板對應(yīng)的位置放置，完成后，再回到原料盒（9）獲取下一個(gè)原料。其中，（12）為正方體零件，（13）為梯形體零件，兩者底部都要銀色圓形磁盤對應(yīng)于工裝板底部同樣有銀色磁盤，一是固定工裝板上零件，二是視覺處理中辨別工裝板上對應(yīng)的位置是否缺少零件。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備主要由氣動控制單元、電氣控制柜、CCD機(jī)構(gòu)執(zhí)行單元、電控盤單元、人機(jī)交互單元組成［1］，如圖2所示。

電控盤：該部分包含電氣元件的開關(guān)和元器件的主要布線分布，包括開關(guān)電源、運(yùn)動控制卡端子板、斷路器、PCB控制板等。

氣動控制單元：該單元由真空發(fā)生器、負(fù)壓表、真空吸盤組成。

CCD機(jī)構(gòu)執(zhí)行單元：該單元包括兩套CCD檢測系統(tǒng)、智能相機(jī)組成的檢測系統(tǒng)和普通工業(yè)相機(jī)組成的檢測系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)都分別由相機(jī)、光源、鏡頭等組合而成。

電氣控制柜：控制柜內(nèi)包含了工控機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動器等。人機(jī)交互單元：操作/顯示面板的功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括前面板設(shè)計(jì)以及程序框圖設(shè)計(jì)。

前面板設(shè)計(jì)為人機(jī)交互界面，可以保證使用者在使用過程中掌握當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行情況以及進(jìn)行簡單的控制操作，如圖3所示，系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

（1）狀態(tài)提示框：提示用戶當(dāng)前機(jī)臺的工作狀態(tài)；

（2）鏡頭拍攝照片：顯示通過上下相機(jī)拍攝獲取的照片；

（3）視覺處理后的效果顯示：顯示通過視覺處理效果，用以判斷獲取的原料是否是空缺處所需的原料；

（4）XYZR四軸位置：顯示當(dāng)前四軸的具體位置；

（5）總時(shí)間：顯示總運(yùn)行時(shí)間；

（6）循環(huán)次數(shù)：顯示循環(huán)次數(shù)；

（7）操作按鍵：分別為自動輸入控件、暫定輸入控件以及復(fù)位輸入控件；

（8）歷史記錄：顯示歷史過程；

（9）狀態(tài)顯示：顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，有正常、報(bào)警以及警告三種，用戶根據(jù)不同的工作狀態(tài)進(jìn)行操作。

圖3 前面板設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺部分采用NI Vision模塊，實(shí)現(xiàn)相機(jī)自動控制、圖像預(yù)處理及形態(tài)學(xué)分析，涉及幾何形態(tài)、邊緣探測兩個(gè)特征參數(shù)，再利用LabVIEW的開發(fā)環(huán)境，對算法程序進(jìn)行柔性地配置。

視覺處理對圖像判斷的方法共有20種，分別是：1）找模板；2）找邊；3）找圓；4）斑點(diǎn)；5）幾何運(yùn)算；6）設(shè)定坐標(biāo)系；7）發(fā)送命令；8）獲取圖片；9）繪圖；10）Local Thredhold；11）CountPixel；12）找輪廓；13）Bightness；14）Gray Morphology；15）中值濾波；16）橫縱向?yàn)V波；17）讀取二維碼；18）OCR；19）粒子濾波；20）顏色匹配。在本應(yīng)用中，視覺處理算法實(shí)現(xiàn)的功能有：1）判斷工裝板對應(yīng)位置有無零件缺失；2）提取的零件是否為工裝板對應(yīng)位置所需要的零件。針對上述兩個(gè)功能，在功能一中，因?yàn)楣ぱb板對應(yīng)位置有銀色磁性圓盤，當(dāng)零件空缺與不空缺的時(shí)候，斑點(diǎn)范圍不同，所以對于功能一采用“斑點(diǎn)”和“找邊”判斷方法，如圖4所示，圖4 a中，在邊界范圍內(nèi)斑點(diǎn)數(shù)滿足銀色磁盤的斑點(diǎn)數(shù)數(shù)量范圍，所以該處為零件空缺，而在圖4 b中，邊界范圍內(nèi)的斑點(diǎn)數(shù)不滿足銀色磁盤的斑點(diǎn)數(shù)數(shù)量范圍，所以該處無零件空缺。

圖4 “斑點(diǎn)”法和“圓形”法

在功能二中，在本應(yīng)用的針對兩個(gè)零件的形狀和大小不同，采用了“找邊”和“圓形”的圖像判別方法，如圖5所示，通過設(shè)定一個(gè)參照對比的“圓形”與下相機(jī)拍攝到的圖形輪廓“找邊”進(jìn)行比較，如果圖形輪廓在設(shè)定的圓內(nèi)，則為正方體，如圖5 a所示，相反，如果圖形輪廓超出設(shè)定的圓，則零件為梯形體，如圖5 b所示。

圖5 “圓形”法和“找邊”法

2 結(jié)語

將虛擬儀器技術(shù)與機(jī)器視覺技術(shù)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)的整個(gè)系統(tǒng)，可以靈活、快速、智能地完成零件的位置探測，實(shí)現(xiàn)零件的提取與放置過程［2］。本系統(tǒng)針對精密零件的位置檢測過程，其效率更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們?nèi)斯と庋凼謩硬僮?。同時(shí)，該系統(tǒng)有很強(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，使用范圍廣，有一定的經(jīng)濟(jì)效益。