李海波, 王正堂

(1.無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 物聯(lián)網(wǎng)與人工智能學院,江蘇 無錫 214153; 2.無錫信捷電氣股份有限公司 校企合作部,江蘇 無錫 214063)

0 引言

隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級,人們對于機械零件的精密度要求越來越高,鋼管件也是如此.普通的精密鋼管件一般是按照切割、去毛刺、檢驗、激光打標、打包等流程生產(chǎn).在切割過程中,鋼管件往往需要經(jīng)過彈性變形、剪切變形和斷裂3個階段才會被完全剪斷,因此,經(jīng)常會因為剪刃的重合度、間隙以及設(shè)備的老化程度、材料類型等原因在鋼管件剪切截面產(chǎn)生不同類型的毛刺[1].雖然后續(xù)加工過程中會進行毛刺去除處理,但部分鋼管件仍然存在不規(guī)則細小毛刺.因此,精密鋼管件的尺寸多采用工裝夾具、游標卡尺等進行手工測量，但手工測量方式受主觀因素影響較大,且勞動成本高、效率低.

隨著計算機技術(shù)和數(shù)字圖像技術(shù)的快速發(fā)展,機器視覺技術(shù)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域愈發(fā)重要,目前,已被廣泛應(yīng)用于定位、測量、識別等領(lǐng)域[2],如:ElMasry等[3]利用機器視覺開發(fā)了一套實時不規(guī)則土豆檢測系統(tǒng);張衛(wèi)芬等[4]采用機器視覺配合多閾值模板匹配算法實現(xiàn)對分揀對象的快速識別;方志強等[5]采用單目視覺實現(xiàn)了對一些規(guī)則工件的圓孔半徑、平行距離以及角度的非接觸式測量和檢測.雖然機器視覺測量技術(shù)具有非接觸、動態(tài)范圍大、信息豐富等優(yōu)點,且在金屬管件的尺寸及缺陷檢測方面已有一定的運用,但它對于管件的型號適應(yīng)性不強,測量精度不夠高,與前道對接的自動化程度有待改進.若能把機器視覺測量技術(shù)的優(yōu)勢與自動控制技術(shù)相結(jié)合,綜合應(yīng)用在大批量、連續(xù)自動化精密鋼管件的配套生產(chǎn)流水線上,對產(chǎn)品的外形尺寸進行自動測量,來提高測量精度、檢測速度、生產(chǎn)流程的智能化等性能指標,將具有很高的應(yīng)用價值.因此,本文將非接觸式的機器視覺測量技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)了一套與管件前道去毛刺工序相對接的視覺自動測量裝備,以滿足汽車管業(yè)對精密管件高質(zhì)量、高效率的檢測要求.經(jīng)過試運行發(fā)現(xiàn),該裝備不僅能夠?qū)崿F(xiàn)管件加工測量的全過程自動化,其測量精度也基本滿足用戶需求.

1 視覺自動測量裝備的機械結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的視覺自動測量裝備能夠?qū)忧暗梨準饺ッ淘O(shè)備,實現(xiàn)檢測、分揀工序一體化,同時，可以融入工業(yè)機器人實現(xiàn)智能化的系統(tǒng)集成.其機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含接料、理料、搬運、傳輸、視覺檢測、控制和剔除模塊.接料模塊主要實現(xiàn)與前道去毛刺設(shè)備的對接.由于前道去毛刺裝備為鏈式傳動,輸出工件為自由落體狀態(tài)，為了保證管件平穩(wěn)并以相對垂直的狀態(tài)滑落至傳輸機構(gòu),采用了如圖1-1所示的結(jié)構(gòu).為了克服管件滑落時的重力作用,增強物體與斜面間的摩擦系數(shù),斜面進行了涂層處理,并在接料裝置上增設(shè)擋料結(jié)構(gòu).理料模塊由固定頂料裝置以及伺服電機驅(qū)動的位置可調(diào)頂料裝置組成,主要功能是自動將管件理直,便于后續(xù)的視覺檢測作業(yè).搬運模塊與理料模塊相結(jié)合,實現(xiàn)1次粗理和2次細理.傳輸模塊主要實現(xiàn)對管件位置的傳輸.視覺檢測模塊包含兩只工業(yè)相機,分別完成管件的主視與左視圖像采集,通過上位視覺系統(tǒng)軟件完成對管件特征參數(shù)的提取,實現(xiàn)管件參數(shù)的自動測量.剔除模塊是根據(jù)檢測結(jié)果,將不符合生產(chǎn)質(zhì)量要求的管件剔除至收納箱.控制模塊主要實現(xiàn)裝備的自動控制和工作狀態(tài)監(jiān)測.

圖1 視覺自動測量裝備的機械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of mechanical structure of visual automatic measurement equipment

2 視覺自動測量裝備的電氣控制系統(tǒng)的總體方案

視覺自動測量裝備的設(shè)計以“降本提效、質(zhì)量優(yōu)先”為原則,從保證適應(yīng)前道加工速度以及檢測方管件類型角度考慮,選用伺服驅(qū)動傳輸帶工作,利用電磁閥驅(qū)動氣缸動作,實現(xiàn)搬運機械手的控制以及理料自動作業(yè).視覺自動測量裝備的關(guān)鍵技術(shù)主要包括視覺檢測、伺服傳輸以及各模塊之間的通信等.其電氣控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示.可以看出，電氣控制系統(tǒng)以信捷XD5E-60T6-E型PLC為控制核心,以觸摸屏、顯示器分別作為用戶的作業(yè)交互和視覺監(jiān)測設(shè)備,利用RS485-MODBUS和以太網(wǎng)分別與觸摸屏和工業(yè)相機進行通信,實現(xiàn)管件的智能測量與分揀.

圖2 視覺自動測量裝備的電氣控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of electrical control system of visual automatic measurement equipment

3 管件尺寸自動測量關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

3.1 視覺檢測模塊硬件的搭建

視覺檢測模塊主要由工業(yè)相機、光源和控制器等硬件組成，其中,光源和相機的選型與架設(shè)非常關(guān)鍵.如果沒有采用合適的光源,將會影響采集的圖像質(zhì)量,增加后續(xù)圖像處理的難度[6-7].

視覺自動測量裝備的測量需滿足：1)管件為不銹鋼；2)管件最大長度、最大截面分別為540.5 mm、40 mm×25 mm；3)檢測精度要求長度為±1 mm，截面為±0.15 mm.因此，該裝備中兩臺相機鏡頭與管件之間的工作距離分別預(yù)設(shè)為800 mm、250 mm(長寬和寬高測量視野范圍分別達到600 mm×450 mm、60 mm×45 mm).同時，為了達到檢測精度的要求，在進行鏡頭和相機選型時，預(yù)設(shè)長度、截面測量精度的安全系數(shù)分別為5和3，得到視覺成像模塊的硬件選型為：1)長度測量用工業(yè)相機靶面為1/2.3英寸，1 000萬像素，鏡頭焦距8 mm；2)寬、高截面測量用工業(yè)相機靶面為1英寸，500萬像素，鏡頭焦距50 mm；3)打光方式為條形光源+正向打光.

3.2 基于X-SIGHT VISION STUDIO軟件的精密管件尺寸測量程序的實現(xiàn)

工業(yè)相機采集到精密管件的主視和左視圖像后,按照圖3所示的流程對圖像進行預(yù)處理、ROI區(qū)域提取.然后,利用Canny算法進行邊緣檢測,獲取邊緣點以及邊緣直線.再利用點到直線的距離完成對精密管件尺寸的自動測量[8-10].最后,根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的質(zhì)量檢測標準進行質(zhì)量評判,給出質(zhì)量檢測結(jié)果.

圖3 基于圖像的管件尺寸測量流程Fig.3 Size measurement flow of pipe fitting based on images

3.2.2 基于Hough變換的邊緣線段定位為了測量管件的截面尺寸,首先,利用具有低誤碼率、高定位精度、能有效抑制虛假邊緣等特點的Canny算子進行圖像邊緣檢測;然后,在獲取到的動態(tài)ROI區(qū)域上,創(chuàng)建參考坐標系,按照指定路徑在管件截面邊線上均勻地選擇10個測量位置,利用梯度閾值變化局部最大值原理獲取邊緣點位;同時,利用Hough變換進行邊線提取[12],再利用點到線段的距離求取平均值,獲取管件的長、寬、高尺寸[13].視覺自動測量裝備中進行了直線長度閾值設(shè)置,當直線長度大于閾值時,認定為有效線段,否則視為無效.這樣可以很好地排除短小噪聲直線的干擾.

3.2.3 基于亞像素級角點定位的相機測量尺寸標定管件尺寸的測量精度直接受相機的尺寸標定精度影響.因此,為了測量的精確性,主視、左視截面分別采用200 mm×200 mm(格子為10 mm×10 mm)、30 mm×30 mm(格子為1 mm×1 mm)的棋盤格標定板作為參照物,利用相機采集多個不同角度的圖像,確定像素與實際管件尺寸之間的對應(yīng)關(guān)系,從而完成相機測量尺寸的標定.

3.2.4 程序?qū)崿F(xiàn)采用信捷自主開發(fā)的新一代機器視覺應(yīng)用開發(fā)平臺X-SIGHT VISION STUDIO實現(xiàn)基于視覺的管件參數(shù)自動測量.步驟如下:

第1步 選擇相機類型,設(shè)置相機為外部觸摸模式，進行曝光和增益調(diào)節(jié).

第2步 當獲取到管件的截面圖像后,對圖像進行預(yù)處理,并按照3.2.1獲取ROI區(qū)域.

第3步 按照3.2.2進行邊緣點、線檢測和長、寬、高測量，通過獲取邊緣點與邊緣線段之間距離的平均值，得到管件尺寸對應(yīng)的像素值.

第4步 根據(jù)3.2.3獲取像素當量，進行像素到實際尺寸的換算.

經(jīng)過運行,采集到的圖像、ROI提取以及邊緣點位、線段的獲取、距離的測量等結(jié)果如圖4所示(測試管件尺寸:479.5 mm×40.0 mm×25.0 mm).

圖4 管件測量運行結(jié)果示意圖Fig.4 Diagram of measurement operation results of pipe fitting

4 視覺自動測量裝備的電氣控制系統(tǒng)集成

4.1 伺服驅(qū)動下的管件傳輸PLC控制技術(shù)的實現(xiàn)

考慮到后續(xù)需要添加工業(yè)機器人來進行裝備的全自動化功能拓展,該裝備采用定位精度高的伺服電機進行傳輸帶的控制.使用PLC對伺服系統(tǒng)進行高速脈沖輸出控制,從前后道工序銜接速度、視覺測試管件種類、視覺測試穩(wěn)定性等多方面的需求考慮,采用PLSF(多段脈沖輸出)與STOP(立即減速停止脈沖輸出)指令相結(jié)合實現(xiàn)管件的自動傳輸.

根據(jù)裝備的動作需求,明確傳輸帶的控制流程如下:系統(tǒng)啟動后,前道傳輸帶開始工作,完成兩次理料動作后,后道傳輸帶開始工作.當管件到達視覺檢測位置時,外部觸發(fā)視覺工作;視覺檢測工作完成后,后道傳輸帶繼續(xù)運轉(zhuǎn),根據(jù)檢測結(jié)果，傳輸帶將管件輸送到指定位置.

4.2 PLC與HMI以及視覺模塊之間的通信實現(xiàn)

XD5E-60T6-E型PLC帶有1個串口,1個以太網(wǎng)口,PLC與HMI之間主要采用MODBUS協(xié)議進行串口通信.SP-XC620T-V310視覺控制器上帶有數(shù)字量輸入輸出端口以及以太網(wǎng)口,PLC與兩臺工業(yè)相機之間主要通過視覺控制器以MODBUS TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互,利用數(shù)字量輸入輸出端口實現(xiàn)相機的外部觸發(fā)以及視覺檢測完畢后的信號傳輸[16-17].在PLC與工業(yè)相機之間進行以太網(wǎng)通信時,PLC作為服務(wù)器,視覺控制器作為客戶機.實現(xiàn)的方法為:1)在對應(yīng)的視覺應(yīng)用開發(fā)平臺X-SIGHT VISION STUDIO上,用MODBUS TCP網(wǎng)絡(luò)配置工具進行PLC的IP地址設(shè)置以及通信端口設(shè)置.2)添加讀寫寄存器工具,將視覺控制器內(nèi)部參數(shù)與PLC對應(yīng)的讀寫寄存器地址相關(guān)聯(lián).由此,即可完成系統(tǒng)的集成.

4.3 系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試及測試結(jié)果

開機運行后,首先設(shè)置系統(tǒng)的主要參數(shù)(如運輸速度、檢測誤差等).然后，分別針對3種管型(462.0 mm×30.0 mm×25.5 mm、479.5 mm×40.0 mm×25.0 mm、525.0 mm×25.0 mm×25.0 mm)進行3批次(每1批次100根管件)的功能測試.結(jié)果表明:當按下啟動按鈕后,該視覺自動測量裝備能夠按照流程正常進行擋料、1次理料、2次理料、管件傳輸、視覺檢測以及不合格品的剔除作業(yè)等,達到自動測量的目的.測量精度基本符合要求，誤差較小.但是,當管件截面毛刺較雜亂時,測量精度不夠理想.表1為測量525.0 mm×25.0 mm×25.0 mm管件時視覺測量裝備與人工使用卡尺測量的結(jié)果.可以看出,當采用視覺自動測量裝備檢測時,長、寬、高測量的相對誤差范圍分別為[0.02%,0.15%]、[-0.28%,0.80%]、[-0.96%,0.36%]，與卡尺測量結(jié)果的精度相當,但測量效率有明顯提高.

表1 視覺自動測量裝備與卡尺的測量結(jié)果Tab.1 Measurement results of visual automatic measurement equipment and caliper

5 結(jié)語

通過氣、電驅(qū)動與光學測量相結(jié)合的方式,設(shè)計了一套與精密管件加工工序相對接的視覺自動測量裝備.該裝備利用視覺控制器與工業(yè)相機、光源等構(gòu)建視覺檢測系統(tǒng);采用PLC控制技術(shù)、HMI人機交互技術(shù),集接料、理料、搬運、傳輸、檢測、控制、可視化等功能于一體,實現(xiàn)了對精密鋼管件加工測量作業(yè)的智能化改造.利用SIFT特征變換匹配算法,對圖像進行ROI區(qū)域準確提取,結(jié)合邊緣檢測算法進行管件長度、高度和寬度的自動測量.這在一定程度上解決了管件截面不規(guī)則毛刺帶來的誤差問題.同時,為了提高測量精度,應(yīng)用亞像素級角點定位提取的方法進行視覺測量尺寸標定.該裝備總體運行穩(wěn)定,檢測精度高,可以節(jié)約用人成本,提高效率.但經(jīng)過多次試驗后發(fā)現(xiàn),由于管件落料的隨機性,可能會因為管件傾斜角度過大、毛刺大而不規(guī)則等情況影響測量的精度.后續(xù),我們將從裝置的機械結(jié)構(gòu)改進、圖像處理算法優(yōu)化等方面作進一步的研究.