凌雙明

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124)

目前的物料檢測方式有很多都是依賴人工進(jìn)行，占用大量的勞動力和時間。在目前我國人工紅利逐漸消失的情況下，不利于產(chǎn)品成本的降低[1]。而大部分的自動分揀系統(tǒng)都存在檢測效率不高的問題，尤其是視覺檢測的普及顯得尤為重要[2]。設(shè)計一套基于智能視覺檢測的設(shè)備，并解決視覺檢測過程中出現(xiàn)拍攝不全或者在不同擺放位置下物品和物料拍攝效果差異大的問題，可以為今后的智能分揀提高參考價值。

1 視覺檢測物料分揀系統(tǒng)裝置

基于視覺檢測的物料分揀系統(tǒng)裝置，其整體設(shè)計包括：傳送帶裝置、排列機(jī)構(gòu)和物料檢測機(jī)構(gòu)，排列機(jī)構(gòu)位于傳送帶裝置的右端，物料檢測機(jī)構(gòu)安裝于傳送帶裝置中部，物料檢測機(jī)構(gòu)內(nèi)部包括：放置在地面上的基座盤，基座盤頂部通過軸承與連接桿轉(zhuǎn)動連接有安裝框，安裝框內(nèi)壁滑動連接有齒環(huán)。物料分揀系統(tǒng)裝置通過物料檢測機(jī)構(gòu)可以有效地增大分揀過程中掃描物料形狀的正確率，對比現(xiàn)有技術(shù)中，物料在人工放置在傳送裝置上時，物料一般無法完全按照正常擺放的方式進(jìn)行放置，而現(xiàn)有機(jī)器的掃碼都是平面進(jìn)行拍照，增加了工人的操作難度。本文所設(shè)計的物料分揀系統(tǒng)裝置，可以設(shè)計成當(dāng)工人無論以何種角度放置，都可以準(zhǔn)確快速地對物料進(jìn)行拍照識別。排列機(jī)構(gòu)可以將物料依次放置到傳送帶裝置上，從而可以有效避免物料出現(xiàn)過分堆積的情況，而導(dǎo)致掃描拍攝出現(xiàn)障礙的現(xiàn)象。

圖1 視覺檢測物料分揀系統(tǒng)裝置

裝置中的排列機(jī)構(gòu)位于傳送帶右端，檢測機(jī)構(gòu)安裝于傳送帶中部，檢測機(jī)構(gòu)內(nèi)部包括有放置在地面上的基座盤，基座盤頂部通過軸承與連接桿轉(zhuǎn)動連接有安裝框，安裝框內(nèi)壁滑動連接有齒環(huán)，齒環(huán)外壁一側(cè)嚙合連接有位于安裝框內(nèi)部的第一齒輪。傳送帶左端正下方設(shè)置有單向推桿，單向推桿伸縮端固定連接有與傳送帶相互活動連接的頂壓板，傳送帶左端兩側(cè)安裝有關(guān)于頂壓板中心對稱分布的第一相機(jī)，有效解決了工人在放置物料的過程中，可能將物料的信息頁壓在傳送帶一側(cè)，導(dǎo)致機(jī)器無法正常掃描的問題，從而提高了分揀效率。排列機(jī)構(gòu)內(nèi)部包括有通過支撐桿與地面相連的底盤，底盤頂面左右兩側(cè)安裝有側(cè)邊擋板，底盤頂部安裝有分揀轉(zhuǎn)盤，分揀轉(zhuǎn)盤中部嵌套有雙向推桿，排列機(jī)構(gòu)可以將物料依次放置到傳送帶上，這樣可以避免物料出現(xiàn)過分堆積的情況，導(dǎo)致掃描拍攝出現(xiàn)困難。兩個單側(cè)齒輪相互平行分布，安裝框內(nèi)圈通過開槽與齒環(huán)和第二相機(jī)相互活動連接，檢測機(jī)構(gòu)以最大限度帶動第二相機(jī)在各個角度上進(jìn)行運(yùn)動，可以更加充分地對物料進(jìn)行掃描，降低掃描出現(xiàn)失誤的概率。傳送帶中部呈半圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，傳送帶穿過安裝框中心圓心處，效果是：傳送帶通過半圓環(huán)結(jié)構(gòu)在輸送的過程中帶動物料轉(zhuǎn)動角度，從而提高顯示效率。

2 視覺檢測物料分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計

視覺檢測物料分揀系統(tǒng)，其硬件部分主要由半圓形彎道傳送帶分揀單元、智能視覺檢測單元、主控系統(tǒng)(西門子S7-1200PLC)和六軸機(jī)器人等部分組成。相機(jī)選用耗能小、可有效降低噪聲的康耐視智能相機(jī)，光源選擇可調(diào)式的LED光源。智能相機(jī)不直接通過IO板與ABB IRB120工業(yè)機(jī)器人通訊，而是選擇西門子工控機(jī)作為主站進(jìn)行通訊，以求盡最大可能達(dá)到視覺檢測和定位的準(zhǔn)確效果。主要控制方式是：工控機(jī)首先啟動傳送帶將物料運(yùn)行至視覺檢測機(jī)構(gòu)下(半圓形彎道部分)后停止傳送帶，傳感器接收到信號后反饋給工業(yè)機(jī)器人，接下來由工業(yè)機(jī)器人發(fā)送啟動觸發(fā)信號給康耐視智能相機(jī)(先發(fā)送上使能命令，再發(fā)送拍照命令)，相機(jī)被觸發(fā)拍照完成后，通過智能相機(jī)對被檢測物的圖像進(jìn)行處理分析，再通過軟件算法進(jìn)行計算及優(yōu)化，包括圖像的二值化預(yù)處理、清晰度的調(diào)整方式、形態(tài)學(xué)任務(wù)選擇和掩膜區(qū)域、噪聲過濾等對檢測圖像進(jìn)行處理和計算定位[3]。反饋完成信號給工業(yè)機(jī)器人或工控機(jī)，由工業(yè)機(jī)器人或工控機(jī)處理目標(biāo)位置和顏色數(shù)據(jù)并傳送給工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行分揀。分揀系統(tǒng)的控制部分各個單元中，只有傳送帶裝置是由PLC的I/O口控制的，其他單元，包括智能視覺檢測單元、工控機(jī)主控單元、六軸工業(yè)機(jī)器人均由交換機(jī)連接通訊，通訊模式采用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，但是當(dāng)相機(jī)設(shè)置為直接與工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行通信時，通信方式則采用sorket通信。

圖2 視覺檢測物料分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計

3 智能視覺檢測單元的通信與測試

工業(yè)機(jī)器人與相機(jī)的通信采用后臺任務(wù)執(zhí)行的方式，即：工業(yè)機(jī)器人和相機(jī)的通信及數(shù)據(jù)交互在后臺任務(wù)執(zhí)行，工業(yè)機(jī)器人的動作及信號輸入輸出在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行[3]。后臺任務(wù)中，工業(yè)機(jī)器人獲取相機(jī)圖像處理后的數(shù)據(jù)通過任務(wù)間的共有變量共享給工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)；工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)中，根據(jù)后臺任務(wù)共享得到的數(shù)據(jù)，控制工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的程序。

通過分析工業(yè)機(jī)器人與相機(jī)的通信流程，現(xiàn)將工業(yè)機(jī)器人與相機(jī)的通信程序分為三個子程序：先建立Socket連接，再發(fā)送拍照指令，最后獲取相機(jī)數(shù)據(jù)。為完成工業(yè)機(jī)器人與相機(jī)的通信程序，必須先在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中配置后臺任務(wù)，并創(chuàng)建Socket及其相關(guān)變量，最后編寫這三個子程序。

圖3 機(jī)器人和相機(jī)的通信步驟

工業(yè)機(jī)器人與相機(jī)通信所需要用到的Socket及其相關(guān)變量如表1所示。PartType、Rotation、CamSendDataToRob為CameraTask和T_ROB1任務(wù)共享的變量，其存儲類型必須為可變量，CameraTask和T_ROB1必須同時具有以上變量。

表1 Socket及其變量

4 工業(yè)機(jī)器人分揀物料的實(shí)現(xiàn)方法

示教物料抓取參考點(diǎn)的步驟為：第一步，將某一顏色的電機(jī)端蓋物料放置到傳送帶末端的合理位置；第二步，打開In-sight Explore，手動進(jìn)行拍照，記錄此時FN工具得到的XY位置像素值：(203.2,382.9)，此像素值會根據(jù)物料位置不同而不同；第三步，示教物料抓取參考點(diǎn)，此抓取點(diǎn)將作為工業(yè)機(jī)器人抓取物料位置偏移的基準(zhǔn)點(diǎn)；最后建立抓取工件的變量。

工業(yè)機(jī)器人抓取工件的程序設(shè)計功能主要包括：從傳送帶拾取物料例行程序開始→抓取點(diǎn)相對于抓取參考點(diǎn)在X方向上的偏移→抓取點(diǎn)相對于抓取參考點(diǎn)在Y方向上的偏移→抓取參考點(diǎn)賦值給抓取點(diǎn)→抓取點(diǎn)相對于抓取參考點(diǎn)進(jìn)行偏移→機(jī)器人移動到抓取點(diǎn)上方65 mm處→機(jī)器人移動到抓取點(diǎn)→吸盤吸取工件→等待0.8 s→機(jī)器人返回抓取點(diǎn)上方65 mm處→機(jī)器人返回原點(diǎn)→從傳送帶拾取物料例行程序結(jié)束。具體程序如下所示(以ABB工業(yè)機(jī)器人為例)：

PROC PickPartFromConveyor()

off_x:=(y_pixel-391.5)*mm_per_pixel;

off_y:=-1*(x_pixel-235.1)*mm_per_pixel;

pick:=pick_ref;

pick:=Offs(pick_ref,off_x,off_y,0);

MoveJ offs(pick,0,0,65),v200,z5,tool_xipan;

MoveLpick,v50,fine,tool_xipan;

set yv9;

WaitTime 0.8;

MoveL offs(pick,0,0,65),v200,z5,tool_xipan;

MoveAbsJjhomeNoEOffs,v200,fine,tool0;

ENDPROC

機(jī)器人連接相機(jī)并控制拍照的設(shè)計點(diǎn)為：連接相機(jī)程序開始→關(guān)閉套接字→創(chuàng)建套接字→連接相機(jī)地址為192.168.102.101，端口號為3010→地址和端口號給相機(jī)模塊→示教器顯示收到的數(shù)據(jù)→機(jī)器人發(fā)送admin