梁智深

（桂林電子科技大學(xué) 廣西 桂林 541004）

1 引言

自現(xiàn)代化工業(yè)步入二十一世紀(jì)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)琳瑯滿目。在電子、機械領(lǐng)域中，任何一個小尺寸部件都能影響到整個產(chǎn)品的性能。然而，這些部件本身具備尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面高精度等屬性，使得在生產(chǎn)過程存在不少技術(shù)難題，并且容易產(chǎn)生缺陷。為了保證裝配后產(chǎn)品的工作性能，這些小尺寸部件必須要經(jīng)過嚴(yán)格的檢測。人工檢測的精度達不到要求，測量結(jié)果受主觀因素的影響，花費大量勞動力的同時，效率低而不能保證工作量的進展，使得企業(yè)生產(chǎn)成本提高卻得不到經(jīng)濟效益。機器視覺檢測結(jié)合了計算機、光學(xué)、機電以及圖像處理等技術(shù)，在眾多自動化、智能化的檢測方式中，具有非常好的精度，同時做到在線實時檢測，將生產(chǎn)和檢測過程一體化。機器視覺檢測滿足了各個領(lǐng)域生產(chǎn)檢測的要求，彌補了眾多檢測方式的技術(shù)盲點。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本次設(shè)計的系統(tǒng)主要由機械結(jié)構(gòu)設(shè)計部分與電路設(shè)計控制部分組成。系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示。整個系統(tǒng)設(shè)計可以細(xì)分為實驗平臺底座以及箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計、上料結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、光學(xué)鏡頭升降結(jié)構(gòu)方案以及鏡頭支架設(shè)計、上料部分的控制電路設(shè)計、鏡頭升降調(diào)節(jié)部分的控制電路設(shè)計以及按鍵輸入功能與系統(tǒng)液晶顯示功能等的設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，包括以下幾個部分組成：

（1）設(shè)計經(jīng)濟、實用的實驗平臺底座及箱體結(jié)構(gòu)，滿足實驗平臺正常工作狀態(tài)下所需的強度和硬度等需求。

底座與箱體只是為實驗平臺的其余部件提供一個平穩(wěn)的工作環(huán)境，因此對于底座與箱體的設(shè)計，選用的是全開放的結(jié)構(gòu)設(shè)計。開放的結(jié)構(gòu)不僅使整個實驗平臺看起來更加簡單，而且更加經(jīng)濟、環(huán)保。本次結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一采用了三維軟件Solidworks進行三維建模。利用Solidworks技術(shù)，可以對實物進行建模仿真，對產(chǎn)品的裝配可行性具有很大的參考價值。同樣作為機械設(shè)計中的常用軟件，Solidworks的靈活性要大大強于AutoCAD。參數(shù)化的設(shè)計使得Solidworks在設(shè)計當(dāng)中柔性更好，尺寸等參數(shù)易于更改。

（2）對所需檢測的物品設(shè)計合理的上料結(jié)構(gòu).

實驗平臺目的是用于輔助日常教學(xué)，上料結(jié)構(gòu)的設(shè)計要充分考慮系統(tǒng)整體組建方案的尺寸大小，以及結(jié)合所要檢測零件的類型以及外形尺寸進行設(shè)計。由于系統(tǒng)組建方案設(shè)定了被檢測物的X方向上的位置（即正對實驗臺橫向方向），上料結(jié)構(gòu)的活動方向只需要在Y方向和Z方向。因此，最終采用的上料結(jié)構(gòu)方案設(shè)計是用二維運動結(jié)構(gòu)帶動夾持裝置，從而使被測物件放到指定位置。

（3）根據(jù)光學(xué)鏡頭的尺寸以及實驗平臺的工作需求，完成鏡頭升降結(jié)構(gòu)方案選型以及鏡頭支架設(shè)計。根據(jù)實驗平臺的工作需求，鏡頭支架需要將幾個光學(xué)鏡頭固定。為了使鏡頭能夠正對待測物，鏡頭的固定應(yīng)具有優(yōu)良的垂直度。由光學(xué)鏡頭的尺寸參數(shù)得到所要固定的圓柱面大小分別為41mm、40mm、50mm。結(jié)合滾珠絲桿滑臺的尺寸參數(shù)以及滑臺在實驗平臺的定位尺寸等參數(shù)，完成支架的尺寸設(shè)計。利用Solidworks進行參數(shù)化設(shè)計，建立三維模型。

控制系統(tǒng)設(shè)計采用的是51系列單片機作為核心部件，設(shè)計實驗平臺的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的電路設(shè)計包含了單片機控制核心電路、外部舵機控制電路、三個步進電機控制電路、液晶顯示輸出電路設(shè)計、鍵盤輸入電路設(shè)計等?？刂葡到y(tǒng)要完成的工作內(nèi)容是實現(xiàn)待測物的上料，以及完成光學(xué)鏡頭升降調(diào)節(jié)，使PC機能夠得到較為清晰的圖像。

3 硬件電路設(shè)計

實驗平臺系統(tǒng)的組建方案中涉及待測物件的上料和光學(xué)鏡頭攝取物件圖片時的升降調(diào)節(jié)工作。分析實驗平臺所需完成的工作，結(jié)合機械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計，得出控制系統(tǒng)的基本設(shè)計方案。本文的方案是設(shè)計使用51微控制器的控制系統(tǒng)，使用按鍵輸入功能，對步進電機和舵機實行開環(huán)控制。單片機控制系統(tǒng)的電路設(shè)計中包括獨立按鍵設(shè)計、外部中斷電路設(shè)計、5110LCD液晶顯示設(shè)計等?？刂葡到y(tǒng)整體框架如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

4 程序設(shè)計流程圖

在本文中，實驗平臺的控制系統(tǒng)采用按鍵點動控制上料部件以及光學(xué)鏡頭調(diào)焦部件。里用定時器0的工作模式2中斷做步進電機運轉(zhuǎn)時所需的脈沖信號發(fā)生器，采用定時器1工作模式1輸出舵機運行所需的脈沖信號，通過外部中斷1控制舵機在夾緊和張開所需的不同脈寬，外部中斷0控制在調(diào)焦過程步進電機運轉(zhuǎn)所需的不同頻率的脈沖信號，即粗調(diào)和微調(diào)，同時使用5110液晶顯示輸出的行程。

5 結(jié)語

根據(jù)目前現(xiàn)代化工業(yè)“中國制造2025”以及“工業(yè)4.0”的發(fā)展趨勢，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)將在未來的工業(yè)現(xiàn)代化中占據(jù)著極其重要的位置。眾所周知，機器人技術(shù)在新世紀(jì)得到了快速發(fā)展，并且在許多領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用于各種自動化生產(chǎn)。智能制造依然是未來的自動化生產(chǎn)的主導(dǎo)方向。都說人的眼睛是人心靈的窗戶，那么機器視覺同樣是智能制造的靈魂。從物品缺陷檢測、外觀尺寸測量到條碼識別等，都是機器視覺檢測發(fā)揮其作用的舞臺。