智能型精密方管件視覺測量裝備開發(fā)

李海波, 王正堂

(1.無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)與人工智能學(xué)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(jī)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(yàn)、激光打標(biāo)、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(gè)階段才會被完全剪斷,因此,經(jīng)常會因?yàn)榧羧械闹睾隙?、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(jìn)行毛刺去除處理,但部分鋼管件仍然存在不規(guī)則細(xì)小毛刺.因此,精密鋼管件的尺寸多采用工裝夾具、游標(biāo)卡尺等進(jìn)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(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像技術(shù)的快速發(fā)展,機(jī)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(jī)器視覺開發(fā)了一套實(shí)時(shí)不規(guī)則土豆檢測系統(tǒng);張衛(wèi)芬等[4]采用機(jī)器視覺配合多閾值模板匹配算法實(shí)現(xiàn)對分揀對象的快速識別;方志強(qiáng)等[5]采用單目視覺實(shí)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(jī)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(diǎn),且在金屬管件的尺寸及缺陷檢測方面已有一定的運(yùn)用,但它對于管件的型號適應(yīng)性不強(qiáng),測量精度不夠高,與前道對接的自動化程度有待改進(jìn).若能把機(jī)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(jìn)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(biāo),將具有很高的應(yīng)用價(jià)值.因此,本文將非接觸式的機(jī)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(yùn)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(jī)械結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的視覺自動測量裝備能夠?qū)忧暗梨準(zhǔn)饺ッ淘O(shè)備,實(shí)現(xiàn)檢測、分揀工序一體化,同時(shí)，可以融入工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化的系統(tǒng)集成.其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含接料、理料、搬運(yùn)、傳輸、視覺檢測、控制和剔除模塊.接料模塊主要實(shí)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?zhǔn)絺鲃?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(jī)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(shí)的重力作用,增強(qiáng)物體與斜面間的摩擦系數(shù),斜面進(jìn)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(jī)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(yùn)模塊與理料模塊相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)1次粗理和2次細(xì)理.傳輸模塊主要實(shí)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(jī),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(shí)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(shí)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(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)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?fù)浣Y(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(jī)進(jìn)行通信,實(shí)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?fù)浣Y(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(shí)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(jī)、光源和控制器等硬件組成，其中,光源和相機(jī)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(jī)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(dá)到600 mm×450 mm、60 mm×45 mm).同時(shí)，為了達(dá)到檢測精度的要求，在進(jìn)行鏡頭和相機(jī)選型時(shí)，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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)

工業(yè)相機(jī)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(jìn)行預(yù)處理、ROI區(qū)域提取.然后,利用Canny算法進(jìn)行邊緣檢測,獲取邊緣點(diǎn)以及邊緣直線.再利用點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(diǎn)的Canny算子進(jìn)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(biāo)系,按照指定路徑在管件截面邊線上均勻地選擇10個(gè)測量位置,利用梯度閾值變化局部最大值原理獲取邊緣點(diǎn)位;同時(shí),利用Hough變換進(jìn)行邊線提取[12],再利用點(diǎn)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(jìn)行了直線長度閾值設(shè)置,當(dāng)直線長度大于閾值時(shí),認(rèn)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(diǎn)定位的相機(jī)測量尺寸標(biāo)定管件尺寸的測量精度直接受相機(jī)的尺寸標(biāo)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(biāo)定板作為參照物,利用相機(jī)采集多個(gè)不同角度的圖像,確定像素與實(shí)際管件尺寸之間的對應(yīng)關(guān)系,從而完成相機(jī)測量尺寸的標(biāo)定.

3.2.4 程序?qū)崿F(xiàn)采用信捷自主開發(fā)的新一代機(jī)器視覺應(yīng)用開發(fā)平臺X-SIGHT VISION STUDIO實(shí)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(jī)類型,設(shè)置相機(jī)為外部觸摸模式，進(jìn)行曝光和增益調(diào)節(jié).

第2步 當(dāng)獲取到管件的截面圖像后,對圖像進(jìn)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(jìn)行邊緣點(diǎn)、線檢測和長、寬、高測量，通過獲取邊緣點(diǎn)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(dāng)量，進(jìn)行像素到實(shí)際尺寸的換算.

經(jīng)過運(yùn)行,采集到的圖像、ROI提取以及邊緣點(diǎn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)

考慮到后續(xù)需要添加工業(yè)機(jī)器人來進(jìn)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(jī)進(jìn)行傳輸帶的控制.使用PLC對伺服系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(dāng)管件到達(dá)視覺檢測位置時(shí),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(yùn)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(shí)現(xiàn)

XD5E-60T6-E型PLC帶有1個(gè)串口,1個(gè)以太網(wǎng)口,PLC與HMI之間主要采用MODBUS協(xié)議進(jìn)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(jī)之間主要通過視覺控制器以MODBUS TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,利用數(shù)字量輸入輸出端口實(shí)現(xiàn)相機(jī)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(jī)之間進(jìn)行以太網(wǎng)通信時(shí),PLC作為服務(wù)器,視覺控制器作為客戶機(jī).實(shí)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(jìn)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(jī)調(diào)試及測試結(jié)果

開機(jī)運(yùn)行后,首先設(shè)置系統(tǒng)的主要參數(shù)(如運(yùn)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(jìn)行3批次(每1批次100根管件)的功能測試.結(jié)果表明:當(dāng)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(jìn)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(dá)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(dāng)管件截面毛刺較雜亂時(shí),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(shí)視覺測量裝備與人工使用卡尺測量的結(jié)果.可以看出,當(dāng)采用視覺自動測量裝備檢測時(shí),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(dāng),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(xué)測量相結(jié)合的方式,設(shè)計(jì)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(jī)、光源等構(gòu)建視覺檢測系統(tǒng);采用PLC控制技術(shù)、HMI人機(jī)交互技術(shù),集接料、理料、搬運(yùn)、傳輸、檢測、控制、可視化等功能于一體,實(shí)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(jìn)行ROI區(qū)域準(zhǔn)確提取,結(jié)合邊緣檢測算法進(jìn)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(shí),為了提高測量精度,應(yīng)用亞像素級角點(diǎn)定位提取的方法進(jìn)行視覺測量尺寸標(biāo)定.該裝備總體運(yùn)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(yàn)后發(fā)現(xiàn),由于管件落料的隨機(jī)性,可能會因?yàn)楣芗A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(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)、圖像處理算法優(yōu)化等方面作進(jìn)一步的研究.