基于視覺傳感器的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)

摘 要：為了幫助學(xué)生了解視覺傳感器等新器件、新技術(shù)在工業(yè)控制中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套基于視覺傳感器應(yīng)用的綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)由視覺傳感器、PLC、HMI等工業(yè)設(shè)備組成，并模擬了液體生產(chǎn)線的灌裝、質(zhì)量檢測、分揀環(huán)節(jié)。該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)包含諸多控制技術(shù)和系統(tǒng)集成知識(shí)，能滿足大學(xué)生對(duì)新知識(shí)、新技術(shù)應(yīng)用的需求，有助于提高大學(xué)生綜合實(shí)踐能力和解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞：視覺傳感器 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng) 液體質(zhì)量 圖像處理

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（b）-0069-03

目前國內(nèi)產(chǎn)品識(shí)別、質(zhì)量檢測等生產(chǎn)環(huán)節(jié)大多采用人工來識(shí)別不同對(duì)象及產(chǎn)品合格程度。人工檢測存在著易疲勞、易疏忽、檢測效率低且檢測標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一的缺點(diǎn)。因此越來越多的企業(yè)需要一種技術(shù)來代替人工勞動(dòng)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分類或質(zhì)量檢測，而視覺傳感器在一定程度上滿足了這種要求[1]。

視覺檢測具有檢測精度高、測量速度快、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、機(jī)器人導(dǎo)航、生物醫(yī)學(xué)圖像分析、遙感遙測圖像分析及交通安全等領(lǐng)域[2]。

為了讓學(xué)生更好地了解新器件、新技術(shù)的應(yīng)用，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種基于視覺傳感器的測量液體高度和雜質(zhì)的瓶裝液體質(zhì)量檢測系統(tǒng)，該套實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)包含諸多控制技術(shù)和系統(tǒng)集成知識(shí)，且與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合度高，有利于學(xué)生了解新器件新技術(shù)，并能將此系統(tǒng)持續(xù)應(yīng)用到今后本專業(yè)的建設(shè)和人才培養(yǎng)中去。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 視覺傳感器

機(jī)器視覺是一項(xiàng)綜合技術(shù)，包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、控制技術(shù)、光源照明技術(shù)、傳感器技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等 [3]。

視覺傳感器是一種高度集成化的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將圖像的采集、處理、通信和I/O控制功能集成于單一相機(jī)內(nèi)，獨(dú)立地完成預(yù)先設(shè)定的圖像處理和分析任務(wù)。它集成了光源、攝像器件、圖像處理器、標(biāo)準(zhǔn)的控制與通訊接口，自成為一個(gè)智能圖像采集與處理單元，內(nèi)部存儲(chǔ)器可完成圖像的存儲(chǔ)與處理[4]。

本系統(tǒng)選用施耐德的XUWSAO6W型視覺傳感器，它的分辨率、曝光時(shí)間、觸發(fā)模式等參數(shù)支持專用軟件界面設(shè)置，開發(fā)人員可根據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，無需編程就可獲取高質(zhì)量的圖像和檢測精度，最高拍攝速度為25fps，可以在線檢測高速生產(chǎn)運(yùn)作的同時(shí)保證檢測重復(fù)精度，產(chǎn)品檢測的類型可以是質(zhì)量檢測，可以是物體的位置、方向、類別和完整性檢測，也可以是標(biāo)記檢測等，一旦檢測需求及精度被確定，就可以輸出檢測結(jié)果并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作 [5]。

1.2 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)構(gòu)成

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室制作了一套模擬白玻璃瓶液體生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)裝置，將實(shí)際生產(chǎn)線工序簡化，程序設(shè)計(jì)時(shí)保留了液體灌裝、質(zhì)量檢測及分揀環(huán)節(jié)，并用相應(yīng)的開關(guān)或傳感器觸發(fā)動(dòng)作，以便研究視覺傳感器的應(yīng)用性能，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。

光電傳感器檢測空瓶到位后，驅(qū)動(dòng)注水閥工作，當(dāng)水瓶中液體高度到達(dá)設(shè)定值后，水基液位傳感器動(dòng)作，阻擋器打開，產(chǎn)品送入自動(dòng)檢測環(huán)節(jié)，如果檢測產(chǎn)品合格，則瓶裝液體進(jìn)入合格輥道，否則進(jìn)入廢品通道。

視覺傳感器安裝如圖2所示，這種安裝方式只能檢測瓶口質(zhì)量好壞及液體漂浮物；為了實(shí)現(xiàn)水位高度檢測，我們后續(xù)的實(shí)驗(yàn)是將視覺傳感器鏡頭水平安裝，以便測試液體高度、雜質(zhì)，同時(shí)將視覺傳感器、被測白瓶裝在一個(gè)可以密封的紙盒子內(nèi)，以保證測試光源恒定，不受外界干擾。

2 視覺檢測圖形處理

2.1 拍攝環(huán)境處理

液體高度與雜質(zhì)的檢測需要設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模板，以模板為基準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)和處理圖像。因此選取基準(zhǔn)模板及其精確標(biāo)定出基準(zhǔn)模板的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)保證檢測精度具有重要的意義。

環(huán)境光照條件是影響采集圖像質(zhì)量的重要因素，而且瓶裝液體大多是玻璃瓶或塑料瓶，容易在瓶身出現(xiàn)反光現(xiàn)象，給后續(xù)圖像處理帶來較大誤差。為了排除外部光線變化帶來的干擾，我們制作了一個(gè)暗箱，保證每個(gè)檢測物體都與基準(zhǔn)模板在同一環(huán)境下比對(duì)，并且在暗箱中以白色作為拍攝背景，減少由于反光對(duì)圖片質(zhì)量帶來的影響。圖3為在暗箱中提取液位高度時(shí)的取樣模板，可見白色背景拍攝對(duì)液位高度特征提取更為明顯。

2.2 圖像處理

智能視覺傳感器在工作時(shí)，可以將多種特征值疊加，用于檢測同一產(chǎn)品的不同要求，例如形狀、差別等。實(shí)驗(yàn)中，我們提取了兩種模式的特征值，分別用于液體高度檢測和雜質(zhì)檢測。圖像的參數(shù)設(shè)置如圖4所示，分別對(duì)拍攝圖片的分辨率（VGA：640*480）、快門速度（Shutter：0.326ms）、光源（內(nèi)部）及拍照觸發(fā)方式（Trigger）進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，以期達(dá)到較好的圖片處理效果。

其中光源是為視覺系統(tǒng)提供足夠的照度，可以來自視覺傳感器自帶的led燈，也可外部自制光源背板，光強(qiáng)度根據(jù)現(xiàn)場測試環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。

拍照觸發(fā)模式可選擇外部信號(hào)觸發(fā)，即“Trigger”，也可選擇連續(xù)拍攝模式。當(dāng)光電傳感器檢測到有瓶子經(jīng)過就觸發(fā)視覺傳感器拍攝圖片、與基準(zhǔn)模板比對(duì)，并將處理結(jié)果通過傳感器輸出端送入控制器PLC進(jìn)行處理。

影響圖像質(zhì)量的各種參數(shù)設(shè)置，以及攝像頭焦距的調(diào)節(jié)，都需要在現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試、分析、比對(duì)，以期通過合適的參數(shù)設(shè)置，保證圖像特征明顯、提高檢測精度。

圖5為液體高度基準(zhǔn)圖像的設(shè)置，使用矩形框?qū)⒁獧z查的區(qū)域框出；外面的綠色矩形框?yàn)闇y試區(qū)域，里面的區(qū)域?yàn)樵O(shè)置的液體高度誤差范圍。

不同的檢測項(xiàng)目和區(qū)域根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定不同的閾值，如果檢測結(jié)果在閾值范圍內(nèi)說明所檢測的物品符合標(biāo)準(zhǔn)，如果低于閾值，說明所檢測的物品不符合標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示，設(shè)定被測瓶裝液體與基準(zhǔn)模板相似度在96%以上為合格，否則不合格；也可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)模板的矩形框區(qū)域大小來改變實(shí)際測量精度。

判斷輸出結(jié)果是否合格，可以根據(jù)圖像區(qū)顏色柱的顏色變化（綠色/紅色）得出檢測結(jié)果，也可以根據(jù)Results列表中的“Result”指示燈的顏色變化（綠色/紅色）和Score顯示的數(shù)據(jù)來判定質(zhì)量是否合格。如圖7為兩項(xiàng)指標(biāo)檢測，第一項(xiàng)檢測為液體高度值檢測，第二項(xiàng)檢測為液體渾濁度檢測。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 圖像采集時(shí)間

圖像采樣時(shí)間為5～10000 ms可選，該時(shí)間可與實(shí)際生產(chǎn)線運(yùn)行速度相配合，使得每來一個(gè)瓶子、光電傳感器觸發(fā)視覺傳感器拍照一次，并將拍攝的不合格產(chǎn)品圖片保存在后臺(tái)，以便后期分析不合格產(chǎn)品原因并做出決策。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)流程

我們主要檢測瓶子液體灌裝高度是否符合允許誤差范圍，瓶內(nèi)是否有雜質(zhì)或液體出現(xiàn)混濁現(xiàn)象，如果液體質(zhì)量在允許范圍內(nèi)則進(jìn)入下一道工序，如果有一項(xiàng)不符合要求，則系統(tǒng)報(bào)警并將不合格品自動(dòng)分離出生產(chǎn)線，程序編寫流程如圖8所示。

3.3 HMI監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

液體灌裝、檢測及分揀環(huán)節(jié)配合工作可通過HMI界面直觀觀察，如圖9所示[6]。當(dāng)灌裝工位光電傳感器動(dòng)作時(shí)，液體閥門打開，向瓶中注入液體，液體是否到達(dá)設(shè)定值由水基液位傳感器控制，該傳感器是一種光電傳感器，采用紅外線對(duì)射，主要用于水或液體高度探測；當(dāng)水基液位傳感器動(dòng)作時(shí)，阻擋器打開，瓶裝液體進(jìn)入下一工作環(huán)節(jié)即自動(dòng)檢測工作臺(tái)，視覺傳感器對(duì)瓶裝液體進(jìn)行質(zhì)量檢測，合格進(jìn)入下一道工序，不合格則系統(tǒng)報(bào)警并啟動(dòng)分揀系統(tǒng)將產(chǎn)品剔除。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量的要求不斷提高以及勞工荒等問題的日益突出，企業(yè)對(duì)自動(dòng)化的需求越來越高，因此視覺傳感器技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地發(fā)展和擴(kuò)大，視覺傳感器的研究、設(shè)計(jì)及合理應(yīng)用也成為必然趨勢。

本套實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)備采用工業(yè)級(jí)設(shè)備，模擬真實(shí)液體質(zhì)量檢測工作場景工作，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中就可以接觸和使用先進(jìn)的控制技術(shù)與控制設(shè)備，非常適合于自動(dòng)化類學(xué)生的相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和技能訓(xùn)練，能有效地提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)

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[5]施耐德.XUWSA...Vision Sensors-Standard User Manual，www.tesensors.com，2012.

[6]黃玲，張葉林，胡波，等.基于機(jī)器視覺的透明瓶裝液體液位自動(dòng)檢測[J].自動(dòng)化與儀表，2012（2）：57-60.