基于運(yùn)動控制卡和視覺系統(tǒng)的桁架機(jī)械手分揀系統(tǒng)的應(yīng)用

耿青玲

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 廣州510515）

0 引言

試紙是保健市場上常見的用品之一，有著非常廣闊的市場，特別是在糖尿病、艾滋病防護(hù)及其它病菌測試方面，就會有此類的試紙用品供應(yīng)。目前試紙包裝仍以手工為主，屬于典型的勞動密集型行業(yè)。雖然市面上有一些半自動的機(jī)器設(shè)備來代替手工，但基本上沒有出現(xiàn)全自動化的生產(chǎn)線，大部分工序依賴手工進(jìn)行，存在生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)不穩(wěn)定、生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境較差等現(xiàn)象。本文從企業(yè)的實際需求出發(fā)，設(shè)計了一套基于試紙包裝生產(chǎn)線的智能分揀系統(tǒng)。

1 分揀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成

智能抓取機(jī)械手主要由三軸直線滑臺、兩軸旋轉(zhuǎn)滑臺、運(yùn)動控制模塊、圖像識別模塊、機(jī)械手真空吸盤模塊及電氣控制系統(tǒng)6個模塊組成，智能抓取機(jī)械手的整體框架圖如圖1所示。

工業(yè)攝像頭把采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上，利用計算機(jī)上的圖像識別軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和建立空間坐標(biāo)系，并給出目標(biāo)物體的空間坐標(biāo)。計算機(jī)上的運(yùn)動控制卡的程序，根據(jù)圖像識別軟件所得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)函數(shù)及程序的運(yùn)算，最終輸出相關(guān)的信號。利用該信號來控制各軸的運(yùn)動，并按系統(tǒng)設(shè)定的要求實現(xiàn)分揀和碼放。

圖1 整體框架圖

運(yùn)動控制卡安裝在計算機(jī)上與計算機(jī)進(jìn)行通信，并利用計算機(jī)進(jìn)行編程。運(yùn)動控制卡利用分線器把I/O 信號接口與外部元器件進(jìn)行連接。攝像頭利用計算機(jī)作為圖像處理的載體，在計算機(jī)上安裝視覺系統(tǒng)的軟件（TouchFinder for PC），使用該軟件進(jìn)行圖像的處理及數(shù)據(jù)的運(yùn)算。

機(jī)械手工作的流程是：首先PC機(jī)通過向圖像采集卡發(fā)出指令，控制CCD相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)物圖像信息的采集，獲取圖像信息后，經(jīng)過PC機(jī)的計算和圖像處理，得到目標(biāo)位姿的信息，并計算出機(jī)械手的運(yùn)動位姿，然后通過運(yùn)動控制卡向驅(qū)動器發(fā)出脈沖指令，從而控制機(jī)械手運(yùn)動到相應(yīng)的位姿，整個流程如圖2所示。

1）分揀裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)本體。3個軸的滑臺按圖3所示進(jìn)行連接，三軸的電動機(jī)使用伺服電動機(jī)，能夠準(zhǔn)確控制各軸的運(yùn)動及定位。三軸的驅(qū)動器與運(yùn)動控制卡連接，使用運(yùn)動控制卡進(jìn)行控制。在三軸上設(shè)置一個三維的空間原點，作為該機(jī)構(gòu)的原點。當(dāng)運(yùn)動控制卡得到每個軸應(yīng)該走多少個脈沖的數(shù)據(jù)時，通過程序處理該數(shù)據(jù)，把對應(yīng)的脈沖發(fā)送到各軸所對應(yīng)的驅(qū)動器上，讓各軸的驅(qū)動器驅(qū)動軸的運(yùn)動。

圖2 機(jī)械手工作流程

2）分揀裝置的運(yùn)動控制卡。DMC1000 系列運(yùn)動控制卡是雷賽智能推出的編程簡單、功能豐富的PCI總線運(yùn)動控制卡?？蓪崿F(xiàn)伺服或步進(jìn)電動機(jī)的控制，利用雷賽運(yùn)動控制卡提供的MOTION1000 調(diào)試軟件，無需編程即可測試控制卡硬件接口和運(yùn)動功能。同時該系列產(chǎn)品配備有Windows系統(tǒng)下的動態(tài)鏈接、豐富的函數(shù)庫，用戶只需編寫簡單的控制程序調(diào)用函數(shù)庫中的相關(guān)運(yùn)動控制函數(shù)，就可以對多軸自動化設(shè)備進(jìn)行精確、高速、協(xié)調(diào)的控制。

圖3 分揀裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

3）分揀裝置的視覺系統(tǒng)。工業(yè)攝像頭是視覺系統(tǒng)的主要部分，工業(yè)攝像頭在該智能機(jī)械手中，擔(dān)任把外界的信息轉(zhuǎn)換成可以被處理器識別的數(shù)據(jù)的重任。因此工業(yè)攝像頭的選型很重要，會影響到物體的識別、顏色的判斷、物體位置精度等功能。在該設(shè)計項目中所選用的是歐姆龍F(tuán)Q2-S45010F-M智能相機(jī)，智能相機(jī)與計算機(jī)通過TCP協(xié)議進(jìn)行通信。

2 分揀機(jī)械手電路設(shè)計

1）氣動控制系統(tǒng)主要是控制真空發(fā)生器通斷氣源氣體，從而為真空吸盤提供真空，通過一個二位三通的電磁閥來實現(xiàn)，其連接圖如圖4所示。

2）X、Y、Z三軸的伺服驅(qū)動器電源采用220 V的單相交流電，而步進(jìn)驅(qū)動器采用24 V的直流電作為驅(qū)動器的電源，可由開關(guān)電源得到24 V的直流電，具體電路設(shè)計如圖5所示[1]。

圖4 氣動系統(tǒng)設(shè)計圖

圖5 驅(qū)動器控制系統(tǒng)設(shè)計圖

3）各軸驅(qū)動器運(yùn)動控制接線圖。由于X/Y/Z三軸的驅(qū)動器控制接線圖類似，在此以X軸為例進(jìn)行說明。圖6中包含X軸伺服驅(qū)動器與編碼器的接線和X軸正限位、負(fù)限位和零點的接線說明[1]。

4）運(yùn)動控制卡IO接口信號說明。圖7中包含了對各個軸選擇、方向選擇，以及啟動、停止、急停等輸入開關(guān)信號的線路設(shè)計[1]。

3 分揀機(jī)械手的軟件設(shè)計

圖6 X軸驅(qū)動器運(yùn)動控制接線圖

圖7 運(yùn)動控制卡IO接口電路

圖8 智能相機(jī)與計算機(jī)通信流程

計算機(jī)與智能相機(jī)之間的通信流程如圖8所示[2]。圖像識別模塊主要由視覺光源、工業(yè)相機(jī)、視覺軟件組成。照明光源作為視覺系統(tǒng)輸入的重要部件，它的好壞直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。而視覺軟件是以計算機(jī)作為載體，執(zhí)行圖像處理，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的計算和處理，最終得到系統(tǒng)設(shè)計所需要的信息，然后通過與之相連接的外部設(shè)備輸出檢測結(jié)果。本文主要用到的視覺軟件是TouchFinder for PC，它是歐姆龍公司開發(fā)的一套標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺算法軟件，包含圖像預(yù)處理、圖像拼接、圖像標(biāo)定、視覺定位、測量，具體處理過程如下[3]：

1）打開視覺軟件TouchFinder for PC點擊連接到傳感器，在傳感器設(shè)定-網(wǎng)絡(luò)界面可以設(shè)定傳感器所在的IP地址。

2）校準(zhǔn)設(shè)定，在TouchFinder for PC軟件中將傳感器拍攝的坐標(biāo)點與標(biāo)度尺上的坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)度變換，將標(biāo)度變換后位置信息傳輸給計算機(jī)[3]。

3）使用歐姆龍視覺傳感器的形狀分揀功能，將需要處理的試紙形狀設(shè)定好，然后將這些項目通過演算公式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在演算公式0中，根據(jù)以下格式編輯輸入：（I0.JG+1）*I0.X，表示得到物料的X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)和角度的演算公式編輯方法與此類似。

4）反復(fù)調(diào)試，觀察視覺軟件的圖像采集畫面是否能準(zhǔn)確識別。

在歐姆龍視覺傳感器獲得試紙的位置信息后，將獲得的坐標(biāo)信息以8位字符的格式解析出來，作為后續(xù)控制各軸運(yùn)動的位置信息，具體解析過程如下[4]:

然后，在C++編程界面中,通過調(diào)用運(yùn)動控制API函數(shù)庫，驅(qū)動機(jī)械手運(yùn)動到對應(yīng)的位置抓取試紙，并按照預(yù)定的位置擺放整齊，最終的效果圖如圖9所示。

圖9 最終分揀實現(xiàn)效果圖

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級及現(xiàn)有勞動力成本的逐漸增加，設(shè)計了應(yīng)用于試紙包裝產(chǎn)業(yè)的智能分揀機(jī)械手，通過此智能分揀機(jī)械手的設(shè)計為企業(yè)節(jié)約勞動力成本和提高產(chǎn)品分揀效率，實現(xiàn)高效、節(jié)能、安全地分揀。隨著工業(yè)4.0的不斷推進(jìn)、機(jī)器人及機(jī)器視覺的迅速發(fā)展，機(jī)器人（機(jī)械手）與視覺結(jié)合得越來越緊密，機(jī)器人越來越智能化[4]，基于機(jī)器視覺技術(shù)的自動控制技術(shù)在現(xiàn)代化生產(chǎn)中己經(jīng)發(fā)揮出巨大的作用，在以后的工作中將會朝著這一方向繼續(xù)努力。