楊 利，謝永超

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000)

0 引言

工件的自動(dòng)分揀是自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的主要功能之一。大多數(shù)自動(dòng)分揀系統(tǒng)以工業(yè)機(jī)器人或?qū)ｉT(mén)的分揀裝置為分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1-3]，如文獻(xiàn)[1]以工業(yè)機(jī)器人安裝氣動(dòng)吸盤(pán)來(lái)完成芯片的分揀；文獻(xiàn)[2]以機(jī)械手臂來(lái)完成AMOLED產(chǎn)品的分揀；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了吹氣嘴和踢料口組成的下料裝置完成汽車(chē)橡膠工件的分揀;文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了幾種分揀機(jī)完成異形煙的分揀。而實(shí)際生產(chǎn)中很多工件不存在易碎、體積大、重量大等問(wèn)題，無(wú)需用機(jī)器人或分揀裝置來(lái)分揀，利用簡(jiǎn)單的傳送帶和產(chǎn)品盒即可完成分揀，該文針對(duì)這類(lèi)工件設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)單、高效且低成本的自動(dòng)分揀系統(tǒng)。

1 自動(dòng)分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)由機(jī)器視覺(jué)模塊、控制模塊、傳輸模塊和人機(jī)交互模塊組成。系統(tǒng)的工作流程如下：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

(1)傳送帶自左向右運(yùn)動(dòng)，將待測(cè)工件傳輸至工業(yè)相機(jī)下方的拍照點(diǎn)；

(2)相機(jī)自動(dòng)拍照，并識(shí)別工件；

(3)相機(jī)將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給PLC；

(4)當(dāng)識(shí)別結(jié)果為T(mén)RUE時(shí)，PLC控制傳送帶正轉(zhuǎn)，直至工件掉入右側(cè)的產(chǎn)品盒；

(5)當(dāng)識(shí)別結(jié)果為FALSE時(shí)，PLC控制傳送帶反轉(zhuǎn)，直至工件掉入左側(cè)的產(chǎn)品盒。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

2.1.1 機(jī)器視覺(jué)模塊

基于成本因素，視覺(jué)模塊選擇性?xún)r(jià)比高的?？低昅V-CA050-10GC工業(yè)相機(jī)，該相機(jī)為彩色500萬(wàn)像素千兆以太網(wǎng)工業(yè)相機(jī)，配置定焦鏡頭適用于固定工作距離與手動(dòng)對(duì)焦的應(yīng)用場(chǎng)景。光源采用使用方便的圓形光源，紅白藍(lán)綠四色可調(diào)。為了增加系統(tǒng)的柔性，采用可調(diào)節(jié)支架固定相機(jī)。用戶(hù)可在行程范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)相機(jī)的位置，適用于不同產(chǎn)品測(cè)量。

2.1.2 控制模塊

控制模塊以西門(mén)子S7-200 Smart PLC為控制核心，基于成本考慮，選擇低端的ST20 CPU模塊，包含12個(gè)輸入端口與8個(gè)輸出端口。該P(yáng)LC支持以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信和串口通信方式，方便與工業(yè)相機(jī)、PC機(jī)等構(gòu)成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。該設(shè)計(jì)中S7-200 SMART需通過(guò)TCP協(xié)議與工業(yè)相機(jī)通信，要求固件版本升級(jí)至V2.4，可先將固件下載至SD卡中，再將SD卡插入S7-200 SMART卡槽中進(jìn)行固件升級(jí)。系統(tǒng)還配置了觸摸屏與PLC相連，可設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的按鍵操作界面和視覺(jué)識(shí)別界面，增加系統(tǒng)的交互友好性。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

傳輸模塊配置步進(jìn)電機(jī)及控制器，驅(qū)動(dòng)傳送帶正反運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)物料傳輸。傳送帶左右有2個(gè)產(chǎn)品盒，方便進(jìn)行物料的分揀。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為DM542，這是一款細(xì)分型的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，適合驅(qū)動(dòng)電壓18～50 V，電流小于4.0 A的步進(jìn)電機(jī)。其連接線(xiàn)路圖如圖2。DM542有3個(gè)接線(xiàn)插口，其中電源插口連接24 V直流穩(wěn)壓電源。電機(jī)插口的B-，B+，A-，A+連接至步進(jìn)電機(jī)，為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器與PLC采用高電平有效連接方式，驅(qū)動(dòng)插口的PUL+，ENA+，DIR+分別連接至PLC的Q0.1，Q0.2，Q0.3；PUL-，ENA-，DIR-至地。R為串聯(lián)限壓電阻，阻值為2.7 kΩ。

圖2 硬件連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 視覺(jué)檢測(cè)設(shè)計(jì)

視覺(jué)檢測(cè)模塊能夠識(shí)別出待測(cè)工件的顏色、大小、形狀等特征，輸出工件數(shù)量、位置、合格與否等識(shí)別信息。該文以圖3所示的不同顏色工件識(shí)別為例(左圖為紅色工件，右圖為藍(lán)色工件)，講解視覺(jué)處理處理流程。

圖3 實(shí)時(shí)工件圖像

視覺(jué)處理算法基于大華MVP視覺(jué)處理軟件開(kāi)發(fā)，用戶(hù)可以拖拽不同算子來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。如圖4所示。

圖4 視覺(jué)處理算法圖

首先“相機(jī)”算子采集到工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝的圖像，其中曝光時(shí)間為5000，增益為1，伽馬為1，對(duì)比度為50；

然后“顏色提取”算子對(duì)圖像顏色進(jìn)行識(shí)別，在識(shí)別之前需利用該算子對(duì)圖像顏色進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練的區(qū)域可以選擇“全局”圖像或“局部”圖像，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)中選擇“全局”圖像進(jìn)行訓(xùn)練識(shí)別結(jié)果更高，而且工件的位置和角度偏移并不會(huì)影響識(shí)別結(jié)果?！邦伾崛　彼阕幼R(shí)別出紅色工件時(shí)，輸出參數(shù)OutFirstName為“rgb_0”，反之當(dāng)藍(lán)色工件時(shí)，輸出參數(shù)OutFirstName為“rgb_1”。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即便傳送帶上無(wú)工件，相機(jī)識(shí)別結(jié)果也會(huì)為藍(lán)色工件，因?yàn)樗{(lán)色工件和綠色傳送帶顏色更相近。如要區(qū)分無(wú)工件情況，可將MVP軟件中“顏色提取”算子的輸出“相似度”作為閾值。當(dāng)相似度高于50%時(shí)，認(rèn)為此時(shí)是藍(lán)色工件；當(dāng)相似度低于50%時(shí)，認(rèn)為此時(shí)是無(wú)工件。

隨后利用“網(wǎng)絡(luò)配置”算子與PLC建立TCP連接，其中“協(xié)議”選擇TCP客戶(hù)端、“IP”與“端口”與PLC一致；“連接模式”為T(mén)CP長(zhǎng)連接，即建立連接后一直可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信直至連接關(guān)閉。

最后利用“報(bào)文發(fā)送”算子將“顏色提取”算子的識(shí)別參數(shù)OutFirstName發(fā)送出去。

3.2 相機(jī)與PLC通信

MVP視覺(jué)軟件將相機(jī)識(shí)別結(jié)果通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送給PLC，PLC作為T(mén)CP連接的服務(wù)器端，需先建立TCP連接再接收數(shù)據(jù)并解析。

S7-200 Smart PLC支持的TCP類(lèi)型由Open User Communication、TCP modbus、TCP RTU。該文選擇第一種連接方式，這種方式不需要視覺(jué)軟件和PLC在同一局域網(wǎng)段。PLC通過(guò)TCP_CONNECT指令建立TCP連接，等待客戶(hù)端(即視覺(jué)軟件)的連接請(qǐng)求；通過(guò)TCP_RECV將客戶(hù)端發(fā)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在VB2000打頭的地址空間，代碼如圖5(a)所示。

圖5 PLC關(guān)鍵代碼

由于MVP發(fā)送數(shù)據(jù)為“rgb_0”代表紅色工件，“rgb_1”代表紅色工件。這串字符串存儲(chǔ)在VB2000打頭的地址空間，因此只需判斷VB2004地址空間的內(nèi)容，當(dāng)內(nèi)容為“0”(即十進(jìn)制48)時(shí)，工件為紅色，此時(shí)置位線(xiàn)圈M15.0，反之復(fù)位M15.0。

3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

STEP 7-MicroWIN SMART提供了完整的運(yùn)動(dòng)控制向?qū)Чδ埽梢陨伤欧姍C(jī)、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制函數(shù)。

運(yùn)動(dòng)控制向?qū)渲脮r(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

(1)“電機(jī)一次旋轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)”應(yīng)根據(jù)DM542上方的撥碼開(kāi)關(guān)SW5-SW8狀態(tài)確定，如SW5-SW8狀態(tài)分別為OFF/ON/OFF/OFF時(shí)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)為10000；

(2)“測(cè)量基本單位”為“度”，“電機(jī)一次旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生多少‘度’的運(yùn)動(dòng)”為“360”；

(3)“點(diǎn)動(dòng)速度”可根據(jù)實(shí)際情況修改；

(4)“存儲(chǔ)器分配地址”起始地址盡量設(shè)大，避免和程序使用內(nèi)存空間沖突；

利用運(yùn)動(dòng)控制向?qū)Чδ苌闪诉\(yùn)動(dòng)控制指令。其中AXIS0_CTRL指令是建立步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接，需要一直使能；AXIS0_MAN指令是手動(dòng)控制指令，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的手動(dòng)控制、點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)功能。為了實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)分揀，需要根據(jù)相機(jī)識(shí)別結(jié)果控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如前所述，當(dāng)識(shí)別結(jié)果不同時(shí)M15.0的狀態(tài)不同，因此將M15.0作為手動(dòng)控制的方向開(kāi)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)傳送帶的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。代碼如圖5(b)所示。此外將PLC的I0.4(CPU_輸入5)連接旋鈕開(kāi)關(guān)，作為系統(tǒng)的手動(dòng)開(kāi)關(guān)；I0.7(CPU_輸入7)和I1.0(CPU_輸入8)連接按鈕開(kāi)關(guān)，作為系統(tǒng)的點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將紅色工件和藍(lán)色工件放置與傳送帶上方，在保證工件出現(xiàn)在相機(jī)視野的情況下，隨機(jī)改變工件的位置和角度。記錄工件的識(shí)別率和誤判率，得到表1所示的測(cè)試數(shù)據(jù)。表中紅色工件的誤判率為0.0%，藍(lán)色工件的誤判率為0.4%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠正確識(shí)別不同顏色工件，并完成工件的自動(dòng)分揀動(dòng)作，誤判率低于0.5%，達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)需求，為工業(yè)生產(chǎn)提供了切實(shí)可行的參考依據(jù)。系統(tǒng)高識(shí)別率的前提條件是：在視覺(jué)模塊的光源亮度、鏡頭焦距和亮度等調(diào)好后再進(jìn)行圖像顏色的訓(xùn)練，以保證訓(xùn)練環(huán)境和識(shí)別環(huán)境的一致性。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

該文基于PLC和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，搭建了一套工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)?；诔杀疽蛩兀x擇性?xún)r(jià)比高的國(guó)產(chǎn)?？低暪I(yè)相機(jī)和西門(mén)子S7-200 Smart PLC為主要硬件。系統(tǒng)工作時(shí)首先利用工業(yè)相機(jī)對(duì)傳送帶上工件的特征進(jìn)行識(shí)別，然后將識(shí)別結(jié)果通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送給PLC，PLC再控制傳送帶動(dòng)作實(shí)現(xiàn)不同工件的傳輸。以識(shí)別不同顏色的工件為例，該文闡述了相機(jī)識(shí)別算法、TCP通信流程、PLC數(shù)據(jù)解析及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)核心代碼，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工件的自動(dòng)分揀，且分揀誤判率低于工業(yè)生產(chǎn)要求的0.5%。