史以唐，劉 超

（江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212000）

在筆記本電腦生產(chǎn)工廠的生產(chǎn)過(guò)程中，筆記本電腦A 殼轉(zhuǎn)軸蓋與C 殼之間的間隙通常通過(guò)人工方式調(diào)整， 由于作業(yè)員熟練度與夾治具的差異，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的一致性不被客戶與消費(fèi)者認(rèn)可。 本項(xiàng)目中該型號(hào)的筆記本電腦A 殼轉(zhuǎn)軸蓋與C 殼之間的間隙標(biāo)準(zhǔn)為max-min≤0.2 mm，需要經(jīng)過(guò)間隙校正夾治具手動(dòng)將左右間隙調(diào)整到合格范圍內(nèi)。 由于間隙距離小，左右精度要求高，以及殼體塑膠件存在形變公差的影響，僅采用夾治具的方式進(jìn)行機(jī)械式的統(tǒng)一調(diào)整，很難保證調(diào)整精度。 在這樣情況下，需要設(shè)計(jì)出一種可以根據(jù)實(shí)際間隙動(dòng)態(tài)調(diào)整的裝置來(lái)取代人工方式。 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也迎來(lái)了蓬勃發(fā)展[1]。 出于對(duì)時(shí)間成本的考慮，以及裝置在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性，本項(xiàng)目將采用美國(guó)康耐視公司開(kāi)發(fā)的VisionPro 機(jī)器視覺(jué)軟件，該軟件封裝了大量可靠的算法工具，完全滿足本項(xiàng)目的圖像處理需求[2-3]。為了實(shí)現(xiàn)筆記本電腦A 殼轉(zhuǎn)軸蓋與C 殼之間的間隙自動(dòng)化調(diào)整， 下文將設(shè)計(jì)一種基于機(jī)器視覺(jué)的筆記本電腦殼體間隙調(diào)整系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

1.1.1 機(jī)器視覺(jué)部分硬件設(shè)計(jì)

如圖1 相機(jī)測(cè)量示意圖所示，字母M 標(biāo)識(shí)的是筆記本電腦左右兩側(cè)需要測(cè)量調(diào)整的間隙，CCD1與CCD2 分別為1#工業(yè)相機(jī)與2#工業(yè)相機(jī)。

圖1 相機(jī)測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of camera measurement

其中1# 工業(yè)相機(jī)用于測(cè)量筆記本電腦左側(cè)間隙，2# 工業(yè)相機(jī)用于測(cè)量筆記本電腦右側(cè)間隙。 一套完整的機(jī)器視覺(jué)測(cè)量裝置，其硬件部分由光源、鏡頭、工業(yè)相機(jī)和連接工控機(jī)線纜組成[4-7]。 在本項(xiàng)目中筆記本電腦外觀為銀白色， 而AC 殼間隙在圖像中為黑色，具有較高的對(duì)比度，所以鏡頭選擇了廣東奧普特公司生產(chǎn)的白色環(huán)形光源，型號(hào)為OPTRI5030-W，環(huán)形光源由高密度LED 組成，亮度高且結(jié)構(gòu)緊湊，可以節(jié)省安裝空間[8]。 工業(yè)相機(jī)選擇?？礛V-CA050-20GM 黑白相機(jī)， 配備廣東奧普特公司型號(hào)為OPT-C7528-10M 的鏡頭，鏡頭與相機(jī)均為C型接口[9]。 工控機(jī)加裝研華科技型號(hào)為PCIE-1674E的4 端口PCI Express GigE Vision 影像采集卡，為了適應(yīng)工廠不確定環(huán)境，選擇?？低暩呷嵝韵鄼C(jī)網(wǎng)線連接工業(yè)相機(jī)與工控機(jī)[10-11]。

1.1.2 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

如圖2 機(jī)構(gòu)示意圖所示，設(shè)計(jì)兩軸機(jī)構(gòu)，使整個(gè)調(diào)整平臺(tái)同時(shí)具有前后左右調(diào)整的4 個(gè)方向自由度，以確?？刂凭?。 本項(xiàng)目的兩根控制軸選擇信捷DS5C 系列伺服，根據(jù)負(fù)載的大小，最終選擇驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為DS5C-20P1-PTA-H 的信捷伺服放大器并配備100 W 的伺服電機(jī)，選擇導(dǎo)程為10 mm 的滾珠絲杠將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)兩層筆記本電腦產(chǎn)品載臺(tái)，上層載臺(tái)直接固定在機(jī)臺(tái)上，運(yùn)用氣缸與其他機(jī)械定位裝置固定筆記本電腦的C 殼，使C 殼在整個(gè)調(diào)整過(guò)程中處于靜止?fàn)顟B(tài)。 下層載臺(tái)固定在兩軸平臺(tái)上，在載臺(tái)上設(shè)置真空吸盤(pán)，使載臺(tái)與筆記本電腦A 殼可靠地吸附在一起，這樣就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)移動(dòng)兩軸平臺(tái)使得筆記本電腦A 殼跟隨移動(dòng)，從而達(dá)到調(diào)整筆記本電腦A 殼轉(zhuǎn)軸蓋與C 殼間隙的目的。

圖2 核心機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Institutional diagram

在本項(xiàng)目中，氣缸電磁閥與伺服電機(jī)是由PLC控制的，即使在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，PLC 也具有很高的可靠性[12-13]。 本項(xiàng)目選擇信捷XLH-24A16 PLC 進(jìn)行電氣控制，PLC IO 點(diǎn)位分配如圖3 所示。

圖3 PLC IO 圖Fig.3 PLC IO diagram

1.2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

1.2.1 機(jī)器視覺(jué)軟件部分設(shè)計(jì)

1）相機(jī)IP 地址設(shè)置

本項(xiàng)目使用的工業(yè)相機(jī)支持Gigabit Ethernet通信，硬件連接完成后，可以通過(guò)VisionPro 軟件包中的GigE Vision Configuration Tool 工具配置相機(jī)IP 地址，IP 地址須與工控機(jī)千兆網(wǎng)卡處于同一網(wǎng)段。

2）圖像采集

打開(kāi)VisionPro QuickBuild 軟件，配置完CogAcqFifoTool 工具即可進(jìn)行相機(jī)實(shí)時(shí)圖像采集。

3）相機(jī)標(biāo)定

相機(jī)標(biāo)定在機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中非常關(guān)鍵，經(jīng)過(guò)標(biāo)定的工業(yè)相機(jī)， 可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型在三維實(shí)體與二維圖像間建立起聯(lián)系， 標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性與標(biāo)定算法的穩(wěn)定性將直接影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)工作結(jié)果的準(zhǔn)確性。 在機(jī)器視覺(jué)快速發(fā)展的今天，在眾多科研人員的努力下，對(duì)于相機(jī)標(biāo)定這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)有了很多優(yōu)秀的解決方案。 在面對(duì)復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，如何選擇合適的標(biāo)定方式是更應(yīng)該被關(guān)注的問(wèn)題，本項(xiàng)目采用VisionPro 軟件提供的N 點(diǎn)標(biāo)定方法，該方法已經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐驗(yàn)證， 具有較高的穩(wěn)定性與精確度。確定筆記本電腦擺放在下層載臺(tái)后AC 殼間隙所在位置，并將標(biāo)定塊準(zhǔn)確安裝在相同位置，移動(dòng)XY 軸使平臺(tái)位于適當(dāng)位置， 打開(kāi)相機(jī)實(shí)時(shí)圖像，調(diào)整相機(jī)相關(guān)參數(shù)，使視野中的圖像成像清晰。 如圖4所示，從VisionPro QuickBuild 工具箱中向程序中添加4 個(gè)CogFindCircleTool 找點(diǎn)工具，再添加1 個(gè)Cog CalibNPointToNPointTool 標(biāo)定工具， 配置CogFind CircleTool 工具，使4 個(gè)找點(diǎn)工具可以準(zhǔn)確識(shí)別4 個(gè)黑點(diǎn)，通過(guò)CogFindCircleTool 工具將黑點(diǎn)圓心坐標(biāo)輸出給CogCalibNPointToNPointTool 標(biāo)定工具，通過(guò)抓取校正圖像即可以將4 個(gè)黑點(diǎn)對(duì)應(yīng)的像素坐標(biāo)自動(dòng)輸入到未校正XY 表格中，再依次將4 個(gè)黑點(diǎn)實(shí)際物理坐標(biāo)手動(dòng)輸入到原始的已校正XY 表格中，在表格下方可以選擇要校正的自由度，最后計(jì)算校正參數(shù)。 通過(guò)觀察結(jié)果選項(xiàng)卡中的RMS 誤差，如圖5 所示，此參數(shù)越小表明標(biāo)定效果越好。

圖4 標(biāo)定示意圖Fig.4 Schematic diagram of the calibration

圖5 RMS 誤差圖Fig.5 RMS error map

4）模板制作與定位測(cè)量

從VisionPro QuickBuild 工具箱中向程序中依次添加CogPMAlignTool，CogFixtureTool，CogFindLine Tool，CogDistanceSegmentSegmentTool，利用CogPMAlignTool 與CogFixtureTool 工具對(duì)工件圖像定位，利用CogFindLineTool 工具查找間隙兩側(cè)邊緣，利用Cog DistanceSegmentSegmentTool 工具計(jì)算間隙距離。

1.2.2 上位機(jī)與PLC 部分軟件設(shè)計(jì)

PLC 控制流程如圖6 所示。

圖6 PLC 控制流程Fig.6 PLC flow chart

在自動(dòng)運(yùn)行模式下，產(chǎn)品放置到位后，驅(qū)動(dòng)定位氣缸與真空吸盤(pán)對(duì)產(chǎn)品位置定位，通過(guò)數(shù)據(jù)寄存器與上位機(jī)交互，當(dāng)數(shù)據(jù)寄存器值為1 時(shí)呼叫相機(jī)拍照，PLC 對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)值判斷，當(dāng)數(shù)值為2后，表明相機(jī)已完成拍照，并已將校正數(shù)值寫(xiě)入數(shù)據(jù)寄存器中，此時(shí)PLC 繼續(xù)執(zhí)行自動(dòng)流程，若數(shù)據(jù)寄存器數(shù)值為3，則表示此產(chǎn)品間隙已在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，無(wú)需校正[14]。

本項(xiàng)目中通過(guò)工業(yè)相機(jī)與鏡頭相關(guān)參數(shù)可以推算出視覺(jué)系統(tǒng)理論測(cè)量精度，推算過(guò)程如式（1）所示。

式中：SS 為工業(yè)相機(jī)靶面面積；FL 為工業(yè)相機(jī)焦距；D 為最小物距；工業(yè)相機(jī)傳感器長(zhǎng)邊像素?cái)?shù)量為2592。本項(xiàng)目要求精度為0.1 mm，可見(jiàn)完全滿足需求。

為了PLC 控制系統(tǒng)與機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行配合校正，還需配置伺服放大器相關(guān)參數(shù)，項(xiàng)目選用的絲桿導(dǎo)程為10 mm，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈載臺(tái)移動(dòng)10 mm， 將伺服放大器中電機(jī)每圈脈沖數(shù)設(shè)置為1000 Pulse，那么通過(guò)計(jì)算可得1 Pulse 的移動(dòng)量為0.01 mm[15]。 利用人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)伺服各點(diǎn)位進(jìn)行準(zhǔn)確示教，人機(jī)交互系統(tǒng)界面如圖7 所示。

圖7 伺服人機(jī)交互系統(tǒng)圖Fig.7 Schematic diagram of HMI

上位機(jī)軟件由C#聯(lián)合VisionPro 二次開(kāi)發(fā)形成，上位機(jī)程序?qū)? 個(gè)工業(yè)相機(jī)中CogDistanceSegment SegmentTool 工具測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)運(yùn)算，計(jì)算出筆記本電腦左右間隙差值，獲得校正量，通過(guò)TCP/IP 通信方式將需要校正量傳輸給PLC 指定寄存器，PLC 根據(jù)寄存器內(nèi)的值控制X 軸伺服電機(jī)左右移動(dòng)，下層載臺(tái)也會(huì)跟隨X 軸左右移動(dòng)，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整筆記本電腦A 殼與C 殼相對(duì)位置的目的。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)調(diào)試流程：

（1）將待校正筆記本電腦A 面向下放在裝置載臺(tái)上，松開(kāi)已經(jīng)鎖附在轉(zhuǎn)軸上的螺絲。

（2）打開(kāi)相機(jī)調(diào)試軟件，手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)伺服電機(jī)，使筆記本電腦左右間隙清晰地在工業(yè)相機(jī)中成像，同步調(diào)整相機(jī)相關(guān)參數(shù)。 記錄伺服電機(jī)位置信息，制作相機(jī)測(cè)量模板并驗(yàn)證測(cè)量精度是否符合預(yù)期。

（3）設(shè)置完成后，啟動(dòng)自動(dòng)程序，自動(dòng)校正多臺(tái)筆記本電腦A 殼轉(zhuǎn)軸蓋與C 殼之間的間隙，最后將校正完成的筆記本電腦交給質(zhì)檢人員確認(rèn)校正效果，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 如表1 所示，其中前兩項(xiàng)數(shù)值為相機(jī)測(cè)量得到的間隙數(shù)值，校正值為經(jīng)過(guò)運(yùn)算后PLC應(yīng)輸出給伺服放大器的脈沖數(shù)量。

表1 間隙校正實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Gap correction test data

當(dāng)1# 相機(jī)測(cè)量的間隙值大于2# 相機(jī)測(cè)量值時(shí)，表示筆記本電腦左間隙大于右側(cè)間隙，X 軸需右移，以減小左側(cè)間隙增大右側(cè)間隙，反之，X 軸需左移。 通過(guò)式（2）可以計(jì)算出PLC 需要發(fā)送給伺服系統(tǒng)的脈沖數(shù)：

式中：A 表示左右間隙值中較大者；B 表示左右間隙值中較小者。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺(jué)的筆記本電腦殼體間隙調(diào)整系統(tǒng)，首先經(jīng)過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)獲得筆記本電腦指定位置間隙數(shù)據(jù)，通過(guò)上位機(jī)軟件獲取視覺(jué)測(cè)量結(jié)果，與客戶要求的標(biāo)準(zhǔn)間隙值比較， 計(jì)算出與標(biāo)準(zhǔn)值的差值，通過(guò)TCP/IP 的通信方式將校正值寫(xiě)入PLC 指定數(shù)據(jù)寄存器中，PLC 根據(jù)數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)值控制伺服電機(jī)移動(dòng)， 調(diào)整筆記本電腦A 殼與C 殼相對(duì)位置。 本裝置大大提升了工廠在生產(chǎn)筆記本電腦過(guò)程中的一致性，具有較高的實(shí)用與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 由于該系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)階段，面對(duì)復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還需要進(jìn)一步優(yōu)化，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。