基于LabView的機(jī)器視覺定位系統(tǒng)在汽車板簧生產(chǎn)中的應(yīng)用

王愷 張磊

摘 要：汽車板簧生產(chǎn)過程中，采用基于LabView虛擬儀器平臺(tái)的機(jī)器視覺技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，研制板簧雙攝像頭圖像識(shí)別控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟硬件部分，并介紹了檢測(cè)與定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中對(duì)板簧中心孔的精準(zhǔn)定位與檢測(cè)。文章提出的汽車板簧中心孔機(jī)器視覺識(shí)別定位控制系統(tǒng)改變了人工手動(dòng)來完成長(zhǎng)度和角度測(cè)量現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：板簧；雙攝像頭；機(jī)器視覺；定位

0 引言

汽車板簧在軋制過程中，由原來的人工搬運(yùn)已經(jīng)升級(jí)到人工操作機(jī)械手按照順序一步一步進(jìn)行操作。而隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)械視覺識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械手上進(jìn)行視覺識(shí)別、定位，從而提高設(shè)備的智能化水平，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，增加安全性，提高生產(chǎn)效率[1]。

當(dāng)前，板簧加工設(shè)備的限位銷軸雖然位置可調(diào)，但是，對(duì)于同一個(gè)批次的板簧，銷軸位置調(diào)整好后，其位置是相對(duì)不變的。板簧從板簧框里或者傳送帶放置到板簧加工設(shè)備銷軸的過程中，如果板簧重量低于25 kg，1個(gè)人搬運(yùn)比較輕松；如果大約25 kg，一般需要2個(gè)人及以上搬運(yùn)，也有很多汽車零部件生產(chǎn)廠會(huì)選擇使用機(jī)械手臂搬運(yùn)，以降低人工成本，減少勞動(dòng)傷害率。如果是人工搬運(yùn)，在放下板簧的過程中，通過人眼看，順便就能夠較快把板簧放置到銷軸上了，如果是機(jī)械手搬運(yùn)，一般先以較快速度達(dá)到銷軸附近，然后通過精確定位，需要較長(zhǎng)時(shí)間微調(diào)機(jī)械手坐標(biāo)，方能將中心孔正好對(duì)正銷軸[2]。

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的汽車板簧中心孔定位裝置采用人工操作機(jī)械手造成較大的技術(shù)難題，本文主要介紹了一套適用于汽車板簧生產(chǎn)中針對(duì)板簧中心孔檢測(cè)和定位控制系統(tǒng)，稱為板簧雙攝像頭圖像識(shí)別系統(tǒng)[3]，如圖1所示。該系統(tǒng)采用基于LabView的機(jī)器視覺技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過圖像采集模塊、圖像處理模塊、識(shí)別與執(zhí)行模塊等的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)板簧的中心孔以及銷軸的精確定位檢測(cè)。機(jī)器視覺檢測(cè)方法具有非接觸、速度快、精度高、抗干擾、可控制等優(yōu)點(diǎn)，為此提出了的汽車板簧中心孔的機(jī)器視覺檢測(cè)定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)使用軟件與硬件

（1）主要軟件。虛擬儀器軟件：LabView2018；NI視覺助手：Vision Builder Assistant；機(jī)器視覺與圖像處理開發(fā)模塊：Vision Development Module；機(jī)器視覺實(shí)時(shí)運(yùn)行模塊：Vision RTE；西門子PLC TIA V15.1編程軟件：KEPWare OPC軟件。

利用LabView平臺(tái)軟件，進(jìn)行項(xiàng)目化程序設(shè)計(jì)，主要分為：攝像頭視頻采集子程序；采集板簧、中心孔事件子程序；添加板簧、中心孔事件子程序；學(xué)習(xí)事件子程序；查找定位事件子程序；PLC及伺服電機(jī)控制子程序，最終實(shí)現(xiàn)該識(shí)別、控制功能。采用該控制程序可以有效地通過雙攝像頭采集模塊采集到的現(xiàn)場(chǎng)圖像與事先存儲(chǔ)的板簧樣品圖片進(jìn)行關(guān)鍵信息點(diǎn)的比對(duì)，快速靈敏準(zhǔn)確地尋找到板簧存在的位置并進(jìn)行板簧中心孔的定位。

（2）主要硬件。汽車板簧中心孔的雙攝像頭機(jī)器視覺檢測(cè)圖像識(shí)別控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如表1所示。

2 主要問題及處理方法

（1）LabView添加USB攝像頭采集方法[4]。在LabView實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中需要調(diào)用攝像頭采集的畫面信息，具體做法是通過LabView2014視覺與運(yùn)動(dòng)函數(shù)選項(xiàng)板中，選擇相關(guān)IMAQdx中的函數(shù)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（2）LabView添加視頻采集卡驅(qū)動(dòng)。在系統(tǒng)安裝視頻采集卡驅(qū)動(dòng)以后需要在LabView里調(diào)用該驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)，做法是調(diào)用mv8lab.ocx組件以及DSStream.dll。

（3）圖像處理[5]。針對(duì)視覺采集的干擾，首先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為不同灰度的黑白圖像，再對(duì)圖像采用亮度、對(duì)比度等調(diào)節(jié)，并對(duì)圖案像素進(jìn)行線性、平方、指數(shù)、對(duì)數(shù)等方式來過濾干擾，增大目標(biāo)像素和干擾像素的對(duì)比。

（4）跟PLC通信。采用KepWare軟件配置跟西門子S7-1200 系列PLC進(jìn)行OPC通信的變量通道，將中心孔目標(biāo)值數(shù)據(jù)傳送給PLC中，并執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作指令。

（5）世界坐標(biāo)跟像素坐標(biāo)的標(biāo)定。該機(jī)器視覺定位與檢測(cè)系統(tǒng)要求進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性標(biāo)定。具體如下：第一，調(diào)整攝像頭到適當(dāng)?shù)奈恢?，并固定攝像頭。第二，橫向放置一個(gè)長(zhǎng)度L元件在USB攝像頭下，在上位機(jī)中，計(jì)算橫向的像素差M，兩者相除，得到比例系數(shù)。第三，移動(dòng)機(jī)械手到板簧中心孔最上方，根據(jù)機(jī)械手編碼器傳過來的距離Y，減去中心孔在上位機(jī)中世界坐標(biāo)的偏移值（像素坐標(biāo)N×L/M），得到偏移量Z。實(shí)際中心孔坐標(biāo)Y=N×L/M+Z，Y就是計(jì)算結(jié)果傳給PLC控制變頻器到達(dá)的位置值。

（6）機(jī)械慣性。由于運(yùn)動(dòng)慣性，為準(zhǔn)確到達(dá)中心孔位置，變頻器必須提前一小段距離停止，通過多次測(cè)量，修正提前停止的偏移值。

3 控制系統(tǒng)工作流程與系統(tǒng)組成

3.1 控制系統(tǒng)工作流程

控制系統(tǒng)流程如圖2所示。系統(tǒng)開始后，系統(tǒng)初始化，打開光源，雙攝像頭1初始化，雙攝像頭1實(shí)時(shí)采集圖片，雙攝像頭1進(jìn)行圖片像素處理，數(shù)據(jù)采集卡6導(dǎo)入匹配圖片（板簧、中心孔），上位機(jī)工控機(jī)2利用LabVeiw虛擬儀器視覺系統(tǒng)查找匹配板簧，獲得板簧中心平面坐標(biāo)，計(jì)算板簧中心邊界坐標(biāo)，通過通信線發(fā)出信號(hào)到下位機(jī)PLC處理器3，下位機(jī)PLC處理器3進(jìn)行運(yùn)算后控制伺服驅(qū)動(dòng)器4運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步控制機(jī)械手的氣缸抓手5到達(dá)板簧中心正上方抓取板簧，查找匹配中心孔，獲取平面坐標(biāo)位置，上位機(jī)工控機(jī)2計(jì)算中心孔邊界坐標(biāo)，機(jī)械手的氣缸抓手5放下板簧。

該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體包括上位機(jī)工控機(jī)2、下位機(jī)PLC處理器3、伺服驅(qū)動(dòng)器4、雙攝像頭1、機(jī)械手的氣缸抓手5、數(shù)據(jù)采集卡6，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過網(wǎng)線進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)OPC通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫交換。所述雙攝像頭1提取板簧中心孔圖像，通過所述的上位機(jī)工控機(jī)2運(yùn)行LabView虛擬儀器視覺軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與圖像比對(duì)，發(fā)出控制信號(hào)到所述下位機(jī)PLC處理器3，設(shè)備所述的下位機(jī)PLC處理器3通過對(duì)板簧類型、長(zhǎng)度尺寸、銷軸位置進(jìn)行比較，從而進(jìn)行所述的伺服驅(qū)動(dòng)器4的3個(gè)方向位置控制，進(jìn)而對(duì)所述機(jī)械手的氣缸抓手5進(jìn)行控制，達(dá)到預(yù)設(shè)的位置精度后自動(dòng)切換正常工作模式，達(dá)到控制板簧自動(dòng)加工定位，提高板簧生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

設(shè)計(jì)的基于LabVeiw的機(jī)器視覺汽車板簧雙攝像頭圖像識(shí)別控制系統(tǒng)，其特征是：控制系統(tǒng)包括上位機(jī)工控機(jī)、下位機(jī)PLC處理器、伺服驅(qū)動(dòng)器、雙攝像頭、機(jī)械手的氣缸抓手、數(shù)據(jù)采集卡，六者之間通過網(wǎng)線進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)OPC通信，雙攝像頭提取板簧中心孔圖像，通過上位機(jī)運(yùn)行LabView虛擬儀器視覺軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與圖像比對(duì)，發(fā)出控制信號(hào)到PLC，設(shè)備端PLC處理器通過對(duì)板簧類型、長(zhǎng)度尺寸、銷軸位置進(jìn)行比較，從而進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)器的3個(gè)方向位置控制，進(jìn)而對(duì)機(jī)械手的氣缸抓手進(jìn)行控制，達(dá)到預(yù)設(shè)的位置精度后自動(dòng)切換正常工作模式，達(dá)到控制板簧自動(dòng)加工定位。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)合理、對(duì)環(huán)境要求低以及測(cè)量精度高的特點(diǎn)，并已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用在了山東淄博某自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的板簧軋機(jī)設(shè)備上，服務(wù)于多家汽車零部件板簧汽車生產(chǎn)廠家。板簧生產(chǎn)操作人員普遍反映使用該系統(tǒng)后板簧定位精度較高，有效降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了板簧生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平，測(cè)量速度更快，板簧中心孔輪廓信息提取效率更高，進(jìn)一步降低下料誤差、鉆孔誤差及板簧一半加工完成后的誤差。

待提高項(xiàng)：攝像頭的識(shí)別效果受光線影響較大，同時(shí)汽車零部件公司生產(chǎn)環(huán)境灰塵較多。在使用該系統(tǒng)時(shí)，其工作車間需要單獨(dú)搭建一個(gè)光照均勻、比較防塵的小板房，否則需要定期清理攝像頭灰塵、照明燈灰塵。

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（編輯 王雪芬）

Research on machine vision location system based on LabView in automotive leaf spring production

Wang Kai1， Zhang Lei2

（1. Technical Research Institute of Yantai Jerry Petroleum Equipment Technology Co.， Ltd.， Yantai 264005， China； 2. Department of Electrical and New Energy Engineering， Yantai Engineering & Technical College， Yantai 264006， China）

Abstract：The machine vision technology based on LabView virtual instrument platform and field data acquisition technology are used to develop the image recognition control system of leaf spring dual cameras in the automobile leaf spring production process. The hardware and software parts of the system are designed， and the key technologies of the detection and location system are introduced. The camera image recognition control system can realize the accurate positioning and detection of the center hole of leaf spring in the production process. The machine vision recognition and positioning control system of center hole of automobile leaf spring has changed the situation that length and angle measurement methods are manually completed.

Key words：leaf spring；dual camera；machine vision；positioning