周 恩 黃志炳 吳 霞

（浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司 杭州 310018）

引言

本研究中涉及的測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)品對(duì)象為固定式插座，主要面向86×86 型的單相兩極帶接地暗裝插座和單相兩極暗裝插座[1]。國內(nèi)檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)量插座尺寸以游標(biāo)卡尺和通規(guī)止規(guī)等量規(guī)測(cè)量為主，測(cè)試過程通常如下：通過游標(biāo)卡尺測(cè)量插孔的長(zhǎng)寬等各個(gè)尺寸，并手動(dòng)記錄測(cè)量數(shù)值；通過對(duì)應(yīng)的量規(guī)查看開檔距離尺寸，間接檢驗(yàn)是否符合要求；通過通規(guī)插入插座檢驗(yàn)插座是否出現(xiàn)了尺寸偏小的問題；通過止規(guī)插入插座檢驗(yàn)插座是否出現(xiàn)尺寸偏大的問題。

目前采用的測(cè)量方案存在以下不足：①測(cè)量數(shù)據(jù)有限，無法測(cè)得全部尺寸；②標(biāo)準(zhǔn)要求的結(jié)果無法直接測(cè)出，需要經(jīng)過換算容易出錯(cuò)；③測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)，影響檢測(cè)效率；④人為因素影響和誤差大。與傳統(tǒng)的人工檢測(cè)相比，基于機(jī)器視覺的尺寸測(cè)量系統(tǒng)具有檢測(cè)效率高，檢測(cè)準(zhǔn)確率高，系統(tǒng)集成化程度高和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。將視覺測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)和PLC 相結(jié)合實(shí)現(xiàn)被測(cè)產(chǎn)品檢測(cè)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)[2]。

1 總體方案

為了方便用戶操作和完成檢測(cè)任務(wù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1 所示的一套帶有機(jī)器視覺的插座尺寸測(cè)量系統(tǒng)。其中PLC 是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，它承擔(dān)了電機(jī)、氣源的控制和對(duì)視覺系統(tǒng)觸發(fā)的控制，并且與HMI 設(shè)備進(jìn)行連接，方便用戶控制。工業(yè)相機(jī)拍攝到的圖像通過配準(zhǔn)算法將圖像中的被測(cè)對(duì)象與模板中的被測(cè)對(duì)象對(duì)齊作為初定位，其次通過找邊計(jì)算出物體的邊界線，得到插孔的邊界線后，軟件即可通過幾何知識(shí)計(jì)算出所需要的測(cè)量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的軟件還涉及到電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)、工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺模塊、各種傳感器輸出信號(hào)和PLC輸入信號(hào)之間的連接軟件、PLC 控制程序、自動(dòng)打印原始記錄等。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)框圖

2 視覺部分設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目涉及的插孔面板尺寸設(shè)定為90*90 mm，但是我們觀察了大量插座面板需要檢測(cè)的孔的位置都在中間65 mm 內(nèi)，且由于現(xiàn)代機(jī)器視覺算法可以做到1/4亞像素精度測(cè)量，因此，想要達(dá)到0.01 mm 的精度只需要像素x，y 方向像素值不少于1 625 即可滿足要求，因此我們旋轉(zhuǎn)了華?？萍嫉腁3504CG100 相機(jī)，該相機(jī)具有2 592*1 944 像素，傳感器為1/2.5”CMOS 可以滿足項(xiàng)目需求。該相機(jī)具有該相機(jī)我們選擇相機(jī)的工作視野（FOV）為65*65 mm 以內(nèi)足夠[3]，相機(jī)工作距離為450 mm。如圖2 所示，D 為65 mm，H 為450 mm 由三角函數(shù)公式即可計(jì)算出視場(chǎng)角á 為16 °左右，目前市場(chǎng)上常用的鏡頭有視場(chǎng)角為17.48 °的35 mm 的1/1.8”的鏡頭可以滿足我們需求。由于本方案需要竟可能通用所以我們采用了白光照明。每個(gè)檢測(cè)位置裝配一個(gè)相機(jī)，并且使用同一個(gè)面光源進(jìn)行檢測(cè)。

圖2 鏡頭選型計(jì)算圖

由于相機(jī)所得到的距離和尺寸都是相機(jī)坐標(biāo)系下的距離和尺寸，因此需要通過標(biāo)定將相機(jī)坐標(biāo)系下的尺寸投射到物理控件坐標(biāo)系下。為得到投射矩陣我們使用了一個(gè)GP150 12*9-10 的標(biāo)定板。該標(biāo)定板共有12*9 個(gè)棋盤格，每個(gè)棋盤格是10 mm*10 mm 的正方形。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)

為了滿足視覺檢測(cè)的要求和操作者我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)檢測(cè)工作臺(tái)，主要構(gòu)成是以一套絲桿滑臺(tái)機(jī)構(gòu)為核心機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，插座面板固定在絲桿滑臺(tái)上，滑臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶著檢測(cè)工件移動(dòng)。需要檢測(cè)時(shí)，將插座放置在手指氣缸中間，讓PLC 通過電磁閥控制手指氣缸動(dòng)作即可完成夾持。完成夾持后PLC 控制電機(jī)將被測(cè)對(duì)象移動(dòng)到相機(jī)之下即可完成拍攝。拍攝處理完成后在通過電磁閥控制手指氣缸松開插座完成檢測(cè)。

圖3 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC 控制電路設(shè)計(jì)S71214C IO 口屬于NPN 結(jié)構(gòu)，因此其控制系統(tǒng)主要承擔(dān)用戶操作，電機(jī)控制，氣路控制的功能。西門子S71214C 系列PLC 是西門子公司推出的一款小型PLC,具有高速脈沖輸出功能的漏型輸出功能。西門子PLC 進(jìn)行編程前需要進(jìn)行設(shè)備組態(tài)，我們使用了兩個(gè)西門子設(shè)備分別是西門子S71214CPLC 和KTP400 觸摸屏，進(jìn)行如圖4 所示的組態(tài)。

圖4 西門子設(shè)備組態(tài)

對(duì)于氣源的控制我們將空氣壓縮機(jī)連接到一個(gè)分流器上，將壓縮空氣一分為三，每路壓縮空氣通過一個(gè)電磁閥控制后通往對(duì)應(yīng)的手指氣缸。手指氣缸初始狀態(tài)為張開狀態(tài)，電磁閥動(dòng)作后手指氣缸的氣流通路發(fā)生改變成為了閉合狀態(tài)，此時(shí)加緊插座，完成動(dòng)作。同樣的夾持動(dòng)作也適用于標(biāo)定過程。

5 電機(jī)控制

對(duì)于電機(jī)控制西門子PLC 提供了電機(jī)控制模塊。首先將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器類型選擇PTO(脈沖+方向)，并指定PLC 的脈沖輸出口和方向輸出口。出于安全考慮，我們?cè)O(shè)置了電機(jī)的限位開關(guān)如圖5 所示。當(dāng)限位開關(guān)觸發(fā)動(dòng)作時(shí)，PLC 會(huì)立刻將電機(jī)停下，防止撞擊機(jī)械結(jié)構(gòu)。

圖5 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器類型

同時(shí)為了保證每次的精度需要進(jìn)行回原點(diǎn)操作，進(jìn)行如圖6 所示的配置。

圖6 回原點(diǎn)配置

上述電機(jī)控制的配置完成后還應(yīng)該進(jìn)行HMI 的配置，首先繪制HMI 界面如圖7 所示。將操作界面的控件與PLC中的DB 塊進(jìn)行綁定，完成后即可完成對(duì)PLC的控制。其中向前，向后綁定的是PLC 控制電機(jī)的前進(jìn)和后退，歸零綁定的是回原點(diǎn)操作，停止綁定的是即可停止電機(jī)操作。松開綁定的是手指氣缸的控制，檢測(cè)綁定的是觸發(fā)相機(jī)控制。

圖7 HMI 操作界面

完成界面綁定后還需要進(jìn)行程序編寫才能實(shí)現(xiàn)電機(jī)和其他設(shè)備的控制。電機(jī)控制可以使用Motion_Control。

6 測(cè)試

設(shè)計(jì)完成后我們對(duì)實(shí)際的插孔面板進(jìn)行了測(cè)量。首先通過傳統(tǒng)方法將測(cè)量插座的T，B 值并用通規(guī)止規(guī)測(cè)試是否合格[4]。測(cè)量結(jié)果如表1 所示。

表1 傳統(tǒng)方法測(cè)量結(jié)果

然后采用視覺方法測(cè)量同一個(gè)產(chǎn)品的同一個(gè)位置得到數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 視覺測(cè)量結(jié)果

對(duì)比兩個(gè)表格發(fā)現(xiàn)，檢驗(yàn)結(jié)果一致。測(cè)量誤差小于5 %。

對(duì)比兩次測(cè)量耗時(shí)，從裝夾到測(cè)試完成并記錄傳統(tǒng)方法耗時(shí)將近7 min，而采用視覺方法耗時(shí)僅有5 s。并且傳統(tǒng)方法還需要將數(shù)據(jù)寫到記錄中而本文所描述的方法則可以立刻生成記錄，大幅度提升了檢測(cè)效率。

最后我們可以直接導(dǎo)出記錄表格，由于目前國家標(biāo)準(zhǔn)中還不能直接使用視覺方法進(jìn)行測(cè)量，因此還保留了通規(guī)止規(guī)的測(cè)量項(xiàng)目。且新國家表中的K 值目前視覺方法無法測(cè)量。在測(cè)試報(bào)告中必須體現(xiàn)，此測(cè)量方案還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

7 結(jié)束語

基于以上需求設(shè)計(jì)研發(fā)出一種可以直接用于檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)使用的能快速檢測(cè)插座面板所有尺寸并且具有良好的可溯源性、可重復(fù)性、高效的專機(jī)實(shí)現(xiàn)插座尺寸的快速檢測(cè)。本文所提及的方案利用機(jī)器視覺自動(dòng)定位到測(cè)量孔位，自動(dòng)提取插座的輪廓線得到插座孔的位置和尺寸這樣我們就獲取了測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中的T 值和B 值，然后通過幾何計(jì)算的方法得到F 值和A 值，完成了國家標(biāo)準(zhǔn)中面板所有尺寸的測(cè)量。與二次元設(shè)備相比我們?nèi)コ巳斯ひ蛩夭⑶覚z測(cè)效率有了很大的提高。讓檢測(cè)方法具備了應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)全檢自動(dòng)剔除不合格產(chǎn)品的潛力。同時(shí)配備數(shù)據(jù)庫技術(shù)后對(duì)產(chǎn)品適當(dāng)?shù)母脑炜梢允姑恳粋€(gè)產(chǎn)品質(zhì)量溯源。但是由于K 值的限制我們的設(shè)備還可以進(jìn)一步升級(jí)改造。以適應(yīng)新的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。