彭一航，陳 思，歐幸福

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 佛山528137）

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，各行各業(yè)的競爭日趨激烈，生產(chǎn)商在追求產(chǎn)品質(zhì)量的同時，為吸引客戶的眼球不斷追求外觀造型的美觀設(shè)計。這就要求企業(yè)在不同型面準(zhǔn)確地將公司LOGO及產(chǎn)品信息印制在產(chǎn)品表面的同時，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工肉眼檢測方式，快速準(zhǔn)確地篩揀出缺陷產(chǎn)品[1]。本文針對中空瓶坯智能絲印加工系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計完成后能夠?qū)崿F(xiàn)配合自動上料裝置完成產(chǎn)品的視覺定位、針對多種異型面（橢圓形、方形、六角形等）容器上的LOGO進(jìn)行仿形絲印和針對產(chǎn)品表面缺陷進(jìn)行快速檢測等功能。通過在現(xiàn)有絲印設(shè)備上，搭建視覺檢測系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)流程的全自動化絲印加工，使產(chǎn)品絲印精度更高，絲印過程可控和高精準(zhǔn)缺陷檢測。同時通過本課題的研究，激發(fā)企業(yè)的自主創(chuàng)新能力，提高企業(yè)整體生產(chǎn)的自動化加工水平，進(jìn)而提高企業(yè)在同類行業(yè)中的競爭力。

1 絲印加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

絲印加工系統(tǒng)的基本裝置主要有：自動上料結(jié)構(gòu)、視覺定位結(jié)構(gòu)、全伺服絲網(wǎng)印刷結(jié)構(gòu)、自動下料結(jié)構(gòu)以及表面缺陷視覺檢測系統(tǒng)。其中表面缺陷視覺檢測系統(tǒng)的應(yīng)用作為本文的重點(diǎn)研究內(nèi)容。本文的研究是建立在現(xiàn)有絲印加工設(shè)備的基礎(chǔ)上搭建視覺檢測系統(tǒng)平臺，針對絲印機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，配合針對瓶坯不同型面的絲印，實現(xiàn)絲網(wǎng)印刷板、刮刀和瓶坯旋轉(zhuǎn)之間的聯(lián)動運(yùn)行控制，如圖1所示。

圖1 絲印加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計框架圖

1.1 自動上料結(jié)構(gòu)

對于不同瓶形上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計，采用開合度較大的夾緊氣缸，氣缸臂上采用瓶子的仿形夾具，針對不同瓶型做相應(yīng)的夾具，確保夾緊而且不刮花產(chǎn)品。對于不同瓶子放置的姿態(tài)上料機(jī)構(gòu)配合使用旋轉(zhuǎn)氣缸和升降氣缸，來實現(xiàn)瓶子姿態(tài)的改變，確保在進(jìn)入印刷前瓶子的姿態(tài)準(zhǔn)確。

1.2 視覺定位結(jié)構(gòu)

對于需要印刷的瓶子，設(shè)計視覺定位系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)，確保瓶子在印刷時的起始位置是正確的位置，利用相機(jī)視覺來獲取瓶子圖像，然后用計算機(jī)將圖像與已存取的圖像進(jìn)行對比，當(dāng)伺服電機(jī)帶動產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)到已存取圖像的位置時，伺服電機(jī)停止，從而實現(xiàn)對瓶坯的視覺定位。

1.3 網(wǎng)印刷結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用伺服驅(qū)動技術(shù)，對不規(guī)則瓶子進(jìn)行仿形印刷，包括瓶子旋轉(zhuǎn)、絲網(wǎng)左右移動、刮刀左右移動、刮刀和絲網(wǎng)同步升降聯(lián)動來完成對瓶坯LOGO或圖案的印制。

1.4 瓶坯精確自動下料機(jī)構(gòu)

絲網(wǎng)印制結(jié)束后，需對印刷質(zhì)量進(jìn)行視覺檢測，這就需要設(shè)計一定位較高的自動下料機(jī)構(gòu)，同樣采用開合度較高的夾緊氣缸，利用仿形夾具，配合旋轉(zhuǎn)、夾緊和升降氣缸來抓取瓶坯并放置在視覺檢測裝置中的輸送平臺中。

1.5 視覺檢測裝置

視覺檢測裝置主要包括移動送料機(jī)構(gòu)，夾緊旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、視覺檢測機(jī)構(gòu)和產(chǎn)品輸出分揀機(jī)構(gòu)四部分。其中移動送料機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將印刷完成的瓶坯輸送到檢測區(qū)的待檢測位，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動傳送帶達(dá)到指定位置；使用旋轉(zhuǎn)、夾緊、升降氣缸和仿形夾具將產(chǎn)品送到夾緊旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，即視覺檢測區(qū)；夾緊并旋轉(zhuǎn)瓶坯完成表面印刷圖案或LOGO的缺陷檢測；檢測完成后，同樣通過旋轉(zhuǎn)、夾緊、升降氣缸和仿形夾具將產(chǎn)品仿制到檢測區(qū)外，通過異步電機(jī)驅(qū)動的傳送帶輸出，輸出過程中可針對合格和不合格產(chǎn)品進(jìn)行分揀，最終使合格產(chǎn)品流入下一工位。

2 視覺檢測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 表面缺陷檢測算法

針對人工肉眼檢測中空瓶表面缺陷效果差、效率低下等問題，設(shè)計了一種基于機(jī)器視覺的表面缺陷檢測算法，采用OpenCV計算機(jī)視覺框架將其用于工業(yè)生產(chǎn)，該算法主要包含圖像預(yù)處理和缺陷檢測兩部分，圖像預(yù)處理包括邊緣遍歷、條紋檢測和Gamma變換等處理；缺陷檢測主要包括水平與垂直投影、快速區(qū)域生長法連通域標(biāo)記和分塊處理等步驟。該算法對Gamma變換以及區(qū)域生長法作加速處理，同時能夠最大限度地檢測出中空瓶表面缺陷并避免誤檢，具體缺陷檢測算法如圖2所示。視覺檢測系統(tǒng)采用鑫平望科技KPV-GH0135GA嵌入式視覺檢測工控機(jī)、朗歌斯觸摸屏顯示器、德國映精美的200萬CCD工業(yè)相機(jī)DMK 42BUC、Computer 12mm工業(yè)鏡頭和環(huán)形防水LED光源。

圖2 缺陷檢測算法

2.2 機(jī)器視覺系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由照明部分、圖像獲取部分、圖像顯示部分和圖像處理部分組成。一般采用CCD攝像頭攝取檢測圖像并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再對圖像數(shù)字信號進(jìn)行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像特征值，并由此實現(xiàn)模式識別、坐標(biāo)計算、灰度分布圖等多種功能。然后再根據(jù)其結(jié)果顯示圖像，輸出數(shù)據(jù)，發(fā)出指令，配合執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成位置調(diào)整，好壞篩選，數(shù)據(jù)統(tǒng)計等自動化流程如圖3所示。

圖3 機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成

2.3 智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

結(jié)合設(shè)備的結(jié)構(gòu)動作要求，采用PLC和觸摸屏技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)的智能運(yùn)行控制，智能控制系統(tǒng)主要包括控制單元的選擇、外圍電路的設(shè)計以及傳感器件的選擇等；依靠智能監(jiān)控和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)高效印刷。

絲印加工系統(tǒng)中的控制單元模塊選用西門子CPU314C-2PN/DP作為控制器。人機(jī)界面選用TP177B系列觸摸屏。PLC與上位機(jī)之間采用的是以太網(wǎng)通信協(xié)議，伺服電機(jī)采用AS1系列交流伺服電機(jī)，采取以太網(wǎng)與PLC通信[2]。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

主控單元通過PLC基本單元和定位模塊協(xié)同組成。根據(jù)絲印加工的電氣控制要求和生產(chǎn)工藝要求，本文設(shè)計的絲網(wǎng)印刷和檢測電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。在本電氣控制系統(tǒng)中，PLC能夠接收按鈕、傳感器、行程開關(guān)、觸摸屏等的開關(guān)量信號，并根據(jù)接收到的信號進(jìn)行程序運(yùn)算處理后生成輸出控制信號，控制繼電器、接觸器、變頻器等電器元件的運(yùn)行，同時可以輸出相應(yīng)的運(yùn)行信號和警示信號等[3-4]。為保證絲網(wǎng)印刷位置的精度，采用定位模塊來控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。通過人機(jī)界面（HMI）可進(jìn)行運(yùn)行模式的選擇、印刷參數(shù)的修改、工作狀態(tài)的在線監(jiān)視、視覺缺陷檢測產(chǎn)品的合格數(shù)量和缺陷檢測狀態(tài)等。PLC輸入端信號接收各種輸入信號。輸出單元相連各變頻器、異步電機(jī)、伺服驅(qū)動器和指示燈等。

圖4 絲網(wǎng)印刷和檢測電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

視覺定位系統(tǒng)包括CCD、光源和視覺系統(tǒng)等。首先手動調(diào)試采集標(biāo)準(zhǔn)圖像，然后經(jīng)過視覺系統(tǒng)計算采集圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像之間的偏差。偏差數(shù)據(jù)經(jīng)計算轉(zhuǎn)換后，通過PLC控制伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機(jī)實現(xiàn)精確定位瓶坯待印刷位置[5]。

4 系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計

本系統(tǒng)選用的觸摸屏是西門子TP177B系列。人機(jī)界面設(shè)計包括主界面、自動控制界面、參數(shù)設(shè)置界面和監(jiān)視界面。

主界面包括項目名稱、用于手動調(diào)節(jié)的各部分控制按鈕、運(yùn)行狀態(tài)顯示指示燈。

自動控制界面包括自動運(yùn)行控制按鈕、視覺檢測狀態(tài)和參數(shù)IO域；控制按鈕：啟動、停止、復(fù)位和界面切換按鈕；根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)需求，界面上添加了生產(chǎn)狀態(tài)、合格產(chǎn)品數(shù)量、視覺定位偏差等參數(shù)；視覺檢測狀態(tài)用于指示能否對照標(biāo)準(zhǔn)圖像采集成功。自動控制界面如圖5所示。

圖5 自動控制界面

參數(shù)界面是生產(chǎn)的關(guān)鍵界面，主要功能是主要參數(shù)的設(shè)定。參數(shù)IO變量與PLC程序中的對應(yīng)變量相同，可根據(jù)運(yùn)行工藝要求，通過人機(jī)界面輸入?yún)?shù)給PLC，經(jīng)PLC運(yùn)行處理后，輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。參數(shù)界面主要體現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行時的狀態(tài)、速度、印刷次數(shù)和偏差允許值等。

監(jiān)視界面用于顯示各工位的工作狀態(tài)。同時，設(shè)置報警視圖，當(dāng)工作出現(xiàn)異常報警時，可根據(jù)報警視圖查找故障原因，便于工作人員的快速維護(hù)修理。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用西門子PLC技術(shù)和高效穩(wěn)定的機(jī)器視覺技術(shù)，配合使用觸摸屏實現(xiàn)瓶坯的智能加工，實現(xiàn)產(chǎn)品的自動印刷和缺陷檢測。本文詳細(xì)介紹了絲網(wǎng)印刷加工系統(tǒng)的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)硬件構(gòu)成和視覺檢測關(guān)鍵技術(shù)。實踐表明，該瓶坯智能絲印加工系統(tǒng)能夠使設(shè)備可靠運(yùn)行，針對異型面瓶坯進(jìn)行絲網(wǎng)印刷和表面缺陷檢測，由于實現(xiàn)了自動化，降低了工人勞動強(qiáng)度，節(jié)約了生產(chǎn)成本和提高了生產(chǎn)效率，具有一定的實際應(yīng)用參考價值。