歐姆龍FH視覺系統(tǒng)在物料分揀中的應(yīng)用

徐恒 郭曉瑩

摘要：針對物料分揀過程中需要考慮物料的形狀、顏色等不同外觀屬性，文章設(shè)計了一種基于視覺的物料分揀系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心是采用歐姆龍FH視覺系統(tǒng)捕捉物料圖像，并根據(jù)圖像匹配模型結(jié)果對物料分類，然后將分類結(jié)果數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議傳送給PLC，PLC在接收到檢測結(jié)果數(shù)據(jù)后控制伺服電機使傳送帶移動一定距離，將物料送到相應(yīng)的分揀道口，最后由氣動推桿推下，完成分揀動作。論文詳細介紹了歐姆龍FH視覺系統(tǒng)設(shè)置和PLC分揀程序設(shè)計過程，最后通過實驗證明，該系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)物料的檢測與分揀，具有設(shè)計合理、自動化程度高、準確度高等特點。

關(guān)鍵詞：視覺系統(tǒng)；分揀；PLC

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）27-0018-03

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造越來越向著自動化、智能化發(fā)展，智能物料分揀系統(tǒng)[1]也逐漸受到各行各業(yè)的追捧和青睞。例如在制造業(yè)的自動化生產(chǎn)流水線、物流快遞行業(yè)[2]的智能倉庫中，智能物料分揀系統(tǒng)已經(jīng)隨處可見。傳統(tǒng)的自動分揀系統(tǒng)往往根據(jù)物品的材質(zhì)、重量等屬性，使用不同的傳感器實現(xiàn)識別分揀，與人工分揀相比提高了工作效率，但識別準確度不高。隨著機器視覺[3]、圖像處理技術(shù)的發(fā)展，利用視覺識別檢測技術(shù)替代人眼檢測成了可能。論文設(shè)計了一種基于視覺檢測技術(shù)的智能物料分揀系統(tǒng)，該設(shè)計具有分揀準確度高、自動化程度高的特點。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

論文設(shè)計的物料分揀系統(tǒng)主要由視覺檢測和PLC控制兩部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，兩個部分之間通過TCP協(xié)議[4]進行數(shù)據(jù)傳輸與交互。視覺檢測部分采用歐姆龍FH-L550視覺控制器[5]作為主控，光源控制器主要控制光源的光照強度，光源發(fā)出的光經(jīng)待測物料反射后被智能相機捕捉，得到待測物料的清晰圖像，然后相機將物料圖像傳送給視覺控制器進行識別、檢測、判定處理。PLC控制部分采用西門子1200PLC作為主控芯片，位置傳感器位于相機下方傳送帶處，當位置傳感器檢測到傳送帶上的物料經(jīng)過時，PLC控制伺服電機[6]短暫的停轉(zhuǎn)，使得物料剛好停在智能相機的正下方等待拍照，然后PLC發(fā)送拍照指令給視覺控制器并接收由視覺控制器識別與檢測完成返還的判定結(jié)果數(shù)據(jù)。PLC再按照判定結(jié)果控制伺服電機帶動傳送帶運轉(zhuǎn)一定的距離，使物料能剛好運動到對應(yīng)的分揀道口。最后PLC發(fā)送指令讓氣缸[7]動作，氣動推桿將物料推下生產(chǎn)線傳送帶，完成一次分揀動作。經(jīng)過實驗驗證，本系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)不同形狀、顏色外觀屬性的物料分揀。

2 視覺檢測設(shè)計

2.1 流程編輯

在歐姆龍FZ-FH視覺CCD軟件[8]中，應(yīng)對不同的檢測功能要求，可以創(chuàng)建不同的場景布局，然后通過“流程編輯”按鈕來選擇添加對應(yīng)的檢測單元，完成檢測任務(wù)。本項目是設(shè)計基于視覺的物料分揀系統(tǒng)，需要利用視覺系統(tǒng)來識別、判斷出物料的顏色與形狀，所以首先選擇的流程單元為“圖像輸入FH”，該流程單元用來讀取待檢測圖像到FZ-FH視覺軟件內(nèi)存中；其次選擇“靈活搜索”檢測單元，該流程單元的功能是將輸入的待檢測圖像與提前錄入系統(tǒng)中的已登錄模型圖像在形狀與顏色等外觀屬性上進行相似度檢測比對，計算出輸入圖像與已登錄模型圖像的相似度，從而對產(chǎn)品物料按相似度進行有效分類；最后選擇“串行數(shù)據(jù)輸出”單元，該流程單元的功能是將視覺控制器識別、檢測、判定結(jié)果數(shù)據(jù)輸出給PLC處理。歐姆龍FZ-FH視覺CCD軟件中選擇檢測流程單元如圖2所示。

2.2 靈活搜索單元設(shè)置

在視覺檢測系統(tǒng)中，最主要的就是對“靈活搜索”單元進行設(shè)置，因為這直接關(guān)系到識別與檢測結(jié)果的準確度，決定著項目的成敗關(guān)鍵。對“靈活搜索”流程單元的設(shè)置主要包括：“模型登錄”“區(qū)域設(shè)定”“測量參數(shù)”三個。其中“模型登錄”的作用是提前將分類對象的屬性特征錄入系統(tǒng)中，登錄匹配模型，以便于“靈活搜索”單元根據(jù)輸入圖像與登錄模型的匹配相似度進行分類。本系統(tǒng)“靈活搜索”流程單元中“模型登錄”設(shè)定如圖3所示，模型0登錄為藍色方塊；模型1登錄為黃色半圓；模型2登錄為紅色半圓?！皡^(qū)域設(shè)定”是設(shè)置測量圖像的范圍，雖然系統(tǒng)可以對相機拍攝的整個圖像進行識別檢測，但是通過限制測量范圍可以有效縮短圖像處理時間，提高系統(tǒng)檢測效率。“測量參數(shù)”的作用是設(shè)定測量結(jié)果的判定條件，本系統(tǒng)設(shè)置的判定結(jié)果為90%，也就是說當物料圖像與某個已登錄模型的匹配相似度達到90%以上時，才判定物料屬于該模型類別。

3 視覺控制器與PLC通信

3.1 視覺端通信設(shè)置

視覺檢測的結(jié)果數(shù)據(jù)要傳送給PLC，首先要在FZ-FH視覺軟件中配置“串行數(shù)據(jù)輸出”流程單元。在該流程單元中選擇想要輸出的數(shù)據(jù)表達式，例如在本系統(tǒng)中，選擇輸出“靈活搜索”流程中的相似度、判定結(jié)果、模型編號這三個值對應(yīng)的表達式，輸出方式選擇通過以太網(wǎng)輸出。“串行數(shù)據(jù)輸出”流程單元中的表達式設(shè)定如圖4所示：

FZ-FH視覺軟件的“系統(tǒng)設(shè)置”中進行通信配置。由于視覺控制器與PLC之間采用TCP協(xié)議進行通信，所以在視覺系統(tǒng)端要將“通信模塊”中“串行（以太網(wǎng)）”設(shè)置為無協(xié)議TCP通信，并且視覺控制器配置的以太網(wǎng)地址要與PLC的IP地址在同一網(wǎng)段才能正常通信。FZ-FH視覺軟件系統(tǒng)設(shè)置中的通信模塊設(shè)置如圖5所示：

3.2 PLC端通信設(shè)置

PLC控制器采用的是西門子1200PLC，在該PLC中使用TCP通信時需要調(diào)用開放式用戶通信中的“TCON”“TSEND”“TRCV”三個塊指令。其中“TCON”程序塊用來與伙伴建立連接，調(diào)用時要在組態(tài)中配置連接ID和通信對象的IP地址，也就是視覺控制器的IP地址；“TSEND”程序塊用來向伙伴發(fā)送數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中PLC將本地數(shù)據(jù)塊存放的拍照請求指令對應(yīng)的ASCII碼通過“TSEND”程序塊發(fā)送給視覺控制器，在其完成拍照判定后請求結(jié)果數(shù)據(jù)回傳；“TRCV”程序塊用來接收數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中PLC通過“TRCV”程序塊接收視覺控制器返還的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，并存入PLC本地數(shù)據(jù)塊中。PLC端調(diào)用TCP通信的具體程序如圖6所示：

4 PLC控制程序設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了一整套PLC控制程序來完成物料的傳送與分揀，其程序流程圖如圖7所示，首次啟動時系統(tǒng)先要進行初始化，完成后PLC控制伺服電機帶動傳送帶運行，將物料運送到智能相機下方時，觸動位置傳感器使伺服電機停轉(zhuǎn)，傳送帶也相應(yīng)停止運行，隨后PLC向視覺控制器發(fā)送拍照檢測指令的ASCII碼，并接收視覺控制器返還的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，從中找出匹配相似度最高的模型編號。當模型編號匹配為0時，PLC控制伺服電機將傳送帶相對當前位置繼續(xù)向前移動140mm，到達模型0對應(yīng)的藍色方塊物料分揀道口；當模型編號匹配1時，PLC控制伺服電機將傳送帶相對當前位置繼續(xù)向前移動215mm，到達模型1對應(yīng)的黃色半圓物料分揀道口；當模型編號匹配2時，PLC控制伺服電機將傳送帶相對當前位置繼續(xù)向前移動290mm，到達模型2對應(yīng)的紅色半圓物料分揀道口。最后通過PLC控制電磁閥通斷，使得氣缸動作將物料推下相應(yīng)的分揀道口，這樣就完成了一次物料的有效分揀。

5 總結(jié)

論文應(yīng)用歐姆龍FH視覺控制器，設(shè)計了一種基于視覺的物料分揀系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由視覺檢測和PLC控制兩部分組成，其中視覺檢測部分依靠視覺控制器實現(xiàn)物料圖像信息采集、檢測與匹配、模型編號輸出；PLC控制部分依靠西門子1200PLC實現(xiàn)伺服電機、位置傳感器、氣缸電磁閥的控制；兩部分之間依靠開放式TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互。最后通過實驗?zāi)M生產(chǎn)線上的物料傳送過程，證明了該系統(tǒng)可以按照物料顏色與形狀等外觀屬性不同進行分類，有效地完成物料產(chǎn)品的檢測分揀。

該系統(tǒng)具有自動化程度高、識別準確度高、穩(wěn)定性好、簡單易操作等特點，特別適合中小型生產(chǎn)線使用。但系統(tǒng)每次只能識別檢測一個物料，不能進行多物料同時檢測，存在一定的不足，這將是以后研究改進的方向。

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【通聯(lián)編輯：梁書】