基于PLC技術(shù)的指甲鉗體外觀缺陷檢測系統(tǒng)研究

(1．中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 中山 528404；2．中山市天諾智能設(shè)備科技有限公司 研發(fā)部， 廣東 中山 528415)

引言

根據(jù)指甲鉗生產(chǎn)工藝，在指甲鉗口研磨之前，需要對(duì)指甲鉗體的外觀缺陷(銹斑、劃痕、鉗口缺失等)進(jìn)行檢測，合格品進(jìn)入研磨流水線。目前指甲鉗體外觀缺陷采用人工檢測的方式，存在生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、需要大量人力、工作環(huán)境影響人身健康等問題?；谥圃鞓I(yè)生產(chǎn)過程向自動(dòng)化、智能化發(fā)展的趨勢和以人為本的理念，在調(diào)研分析、論證的基礎(chǔ)上，提出了一種基于氣動(dòng)技術(shù)和可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，技術(shù)的指甲鉗體外觀缺陷檢測系統(tǒng)[1-2]，可實(shí)現(xiàn)指甲鉗體移動(dòng)、外觀缺陷圖像采集、判斷、數(shù)量統(tǒng)計(jì)等。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括鉗體自動(dòng)供應(yīng)機(jī)構(gòu)、鉗體移動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉗體外觀缺陷檢測機(jī)構(gòu)、鉗體移出機(jī)構(gòu)等，具體流程如圖1所示，布局示意如圖2所示。鉗體自動(dòng)供應(yīng)機(jī)構(gòu)將成堆、雜亂的指甲鉗體以隊(duì)列形式逐個(gè)進(jìn)入檢測線；PLC根據(jù)傳感器的信號(hào)，控制鉗體移動(dòng)機(jī)構(gòu)中的氣缸將鉗體送入不同的檢測位置；鉗體外觀缺陷檢測機(jī)構(gòu)中的攝像頭1在高速模組的帶動(dòng)下進(jìn)行鉗體A面、B面圖像數(shù)據(jù)采集， 攝像頭2采集鉗口的圖像數(shù)據(jù)， 由圖像處理軟件識(shí)別判斷后將結(jié)果送給PLC，不合格的指甲鉗體由氣缸移出檢測系統(tǒng)，合格的指甲鉗體送入研磨機(jī)流水線[3-4]。

圖1 指甲鉗體外觀缺陷檢測流程圖

1.振動(dòng)盤 2.導(dǎo)料槽 3.指甲鉗鉗體 4.到位傳感器5.檢測位置1 6.不合格品推料氣缸 7.檢測位置28.不合格品推料氣缸 9.檢測位置3 10.攝像頭211.高速模組 12.攝像頭1圖2 指甲鉗體外觀缺陷檢測系統(tǒng)布局示意圖

1.1 鉗體自動(dòng)供應(yīng)機(jī)構(gòu)

主要功能是使成堆、雜亂的指甲鉗體按照鉗口朝前、以隊(duì)列形式逐個(gè)進(jìn)入檢測線。主要由振動(dòng)盤和導(dǎo)料槽組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。導(dǎo)料槽與振動(dòng)盤出料口連接，在導(dǎo)料槽的末端安裝有光電傳感器，若有鉗體到達(dá)，則把檢測信號(hào)送給PLC，由PLC控制鉗體移動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

1.振動(dòng)盤 2.導(dǎo)料槽 3.光電傳感器 4.鉗體圖3 鉗體自動(dòng)供應(yīng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

振動(dòng)盤內(nèi)的鉗體在振動(dòng)機(jī)座的震蕩作用下，沿螺旋環(huán)繞式送料槽上升，隨著鉗體上升，螺旋環(huán)繞式送料槽越來越窄，從而使得送料槽內(nèi)的鉗體逐漸由多個(gè)變?yōu)?個(gè)。為保證指甲鉗鉗口方向朝前，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)分析，在螺旋環(huán)繞式送料槽中間部位開了1個(gè)選料口，如圖4所示。選料口的尺寸大于指甲鉗體尾，小于指甲鉗鉗口，當(dāng)指甲鉗鉗口朝前時(shí)，可以順利通過該選料口，當(dāng)指甲鉗體尾朝前時(shí)，鉗體通過選料口時(shí)會(huì)重新落入振動(dòng)盤中。

1.螺旋環(huán)繞式送料槽 2.選料口 3.鉗體圖4 螺旋環(huán)繞式送料槽選料口結(jié)構(gòu)示意圖

在HMI上點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，振動(dòng)盤電機(jī)啟動(dòng)，在振動(dòng)盤動(dòng)作動(dòng)下，指甲鉗體沿著環(huán)形導(dǎo)向槽方向前進(jìn)，輸送平穩(wěn)，可靠。

1.2 鉗體移動(dòng)機(jī)構(gòu)

主要功能是將待檢測的指甲鉗體送到各檢測位置，同時(shí)將鉗體面不合格的鉗體剔除。經(jīng)過多次分析，采用氣缸結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具體如圖5所示[5-7]，氣動(dòng)控制回路如圖6所示。在圖6中，B1、B2為各氣缸上的磁性開關(guān)，用于檢測活塞伸出、縮回或擺動(dòng)是否到位；Y1為每個(gè)氣缸對(duì)應(yīng)的電磁換向閥，通過PLC控制各電磁換向閥線圈是否得電，從而使得壓縮空氣進(jìn)入氣缸的左腔或右腔；單向節(jié)流閥用于調(diào)節(jié)各氣缸活塞伸縮或擺動(dòng)的速度。

1.指甲鉗鉗體 2.到位傳感器 3.檢測位置1 4.不合格品推料氣缸15.檢測位置2 6.不合格品推料氣缸2 7.檢測位置38.固定板 9.手指氣缸1 10.氣爪1 11.擺動(dòng)氣缸112.手指氣缸2 13.氣爪2 14.氣爪3 15.手指氣缸316.擺動(dòng)氣缸2 17、22.安裝架 18.導(dǎo)桿 19.伸縮氣缸20.連接板 21.導(dǎo)桿 23.升降氣缸 24.連接板圖5 指甲鉗體移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

在圖5a中，當(dāng)檢測位置1、2分別完成指甲鉗體A面、B面檢測后， PLC控制電磁換向閥6Y1線圈通電，使得壓縮空氣進(jìn)入伸縮氣缸無桿腔，其活塞桿伸出到位后，其上的磁性開關(guān)6B2檢測信號(hào)1發(fā)給PLC；PLC控制電磁換向閥7Y1線圈通電，使得壓縮空氣進(jìn)入升降氣缸無桿腔，升降氣缸活塞桿伸出到位，其上的磁性開關(guān)7B2檢測信號(hào)1發(fā)給PLC；PLC控制電磁換向閥1Y1、3Y1、5Y1線圈通電，壓縮空氣進(jìn)入3個(gè)手指氣缸有桿腔，手指氣缸帶動(dòng)各自的氣爪同時(shí)夾緊，氣爪1夾取導(dǎo)料槽的指甲鉗體，氣爪2夾取檢測位置1的指甲鉗體，氣爪3夾取檢測位置2的指甲鉗體，氣爪夾緊到位后，手指氣缸上的磁性開關(guān)1B1、3B1、5B1檢測信號(hào)1發(fā)給PLC；PLC控制電磁換向閥7Y1線圈斷電，使得壓縮空氣進(jìn)入升降氣缸有桿腔，其活塞桿縮回到位，其上的磁性開關(guān)7B1檢測信號(hào)1發(fā)給PLC；PLC控制電磁換向閥6Y1線圈斷電，壓縮空氣進(jìn)入伸縮氣缸有桿腔，伸縮氣缸的活塞桿縮回。

在圖5b中，伸縮氣缸的活塞桿縮回到位后，其上的磁性開關(guān)6B1檢測信號(hào)1發(fā)給PLC；PLC控制電磁換向閥7Y1線圈通電，使得壓縮空氣進(jìn)入升降氣缸無桿腔，升降氣缸活塞桿伸出到位，其上的磁性開關(guān)7B2檢測信號(hào)1發(fā)給PLC；PLC控制電磁換向閥1Y1、3Y1、5Y1線圈斷電，壓縮空氣進(jìn)入3個(gè)手指氣缸無桿腔，手指氣缸帶動(dòng)各自的氣爪松開，使氣爪1上的鉗體落入檢測位置1，氣爪2上的鉗體落入檢測位置2，氣爪3上的鉗體落入檢測位置3。在指甲鉗體移動(dòng)過程中，PLC控制擺動(dòng)氣缸對(duì)應(yīng)的電磁換向閥線圈通電，使得擺動(dòng)氣缸1擺動(dòng)180°，擺動(dòng)氣缸2擺動(dòng)90°，從而使得在檢測位置2檢測指甲鉗體B面，在檢測位置3檢測鉗口，由擺動(dòng)氣缸上的磁性開關(guān)檢測是否擺動(dòng)到位。當(dāng)圖像處理軟件檢測到指甲鉗體面不合格時(shí)，由PLC控制對(duì)應(yīng)檢測位置1或2的不合格品推料氣缸動(dòng)作，將不合格品推出去，避免進(jìn)入下一個(gè)檢測環(huán)節(jié)，從而節(jié)省資源。

圖6 指甲鉗體移動(dòng)機(jī)構(gòu)氣動(dòng)控制回路

1.3 指甲鉗體移出機(jī)構(gòu)

主要功能將指甲鉗體移出檢測設(shè)備，刃口合格的指甲鉗體送入研磨流水線，刃口不合格的指甲鉗體進(jìn)入不合格品箱，具體如圖7、圖8所示[8-9]，氣動(dòng)控制回路如圖9所示。

1.固定板 2.出料氣缸 3.刃口檢測位置定位座4.擺動(dòng)氣缸 5.夾臂 6.指甲鉗體 7.光電傳感器圖7 刃口檢測機(jī)構(gòu)位置結(jié)構(gòu)圖

1.步進(jìn)電機(jī) 2.同步滑臺(tái)直線模組 3.連接板 4.連接板5.夾料氣缸 6.手指氣缸 7.氣爪圖8 指甲鉗體移出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖9 指甲鉗體移出機(jī)構(gòu)氣動(dòng)控制回路

在圖7中，指甲鉗體進(jìn)入檢測線時(shí)鉗體面是不一致的，為保證后續(xù)刃口研磨加工的一致性，需要讓有商標(biāo)的鉗體面朝左，PLC根據(jù)檢測位置2圖像是否有商標(biāo)的判別結(jié)果，控制擺動(dòng)氣缸是否帶動(dòng)夾臂使指甲鉗體翻轉(zhuǎn)180°。當(dāng)刃口圖像采集完畢后，由于出料氣缸活塞桿固定，出料氣缸缸體帶動(dòng)其上的固定板向左運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)通過直線模組帶動(dòng)夾料氣缸向右運(yùn)動(dòng)，出料氣缸向左運(yùn)動(dòng)到位時(shí)，夾料氣缸向右到位，且剛好位于圖7中指甲鉗體上方，手指氣缸帶動(dòng)氣爪將指甲鉗體夾緊，夾料氣缸活塞縮回到位，步進(jìn)電機(jī)通過直線模組帶動(dòng)夾料氣缸向左運(yùn)動(dòng)，若是合格品，則直接送入研磨機(jī)流水線，若刃口不合格，則送到位于檢測設(shè)備和研磨機(jī)之間的不合格品收集箱。圖7中的光電傳感器將信號(hào)給PLC，使得出料氣缸向右運(yùn)動(dòng)，回到刃口檢測位置。

1.4 鉗體外觀缺陷檢測機(jī)構(gòu)

主要功能是機(jī)器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置)抓取指甲鉗體面、刃口的圖像數(shù)據(jù)，并由處理單元(圖像處理軟件)進(jìn)行判別，把判別結(jié)果送給PLC設(shè)備。在滿足生產(chǎn)效率，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，采用高速直線模組帶動(dòng)1個(gè)攝像頭對(duì)指甲鉗體的2個(gè)面進(jìn)行圖像采集，固定1個(gè)攝像頭對(duì)鉗體刃口進(jìn)行圖像采集，具體如圖10所示[10]。當(dāng)指甲鉗體在檢測位置1、2間移動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)攝像頭1進(jìn)行快速移動(dòng)，使得攝像頭1的移動(dòng)與鉗體的移動(dòng)保持同步[11]。

1.檢測位置1 2.不合格品推料氣缸1 3.檢測位置24.不合格品推料氣缸2 5.檢測位置3 6.光源 7.攝像頭28.步進(jìn)電機(jī) 9.高速直線模組 10.攝像頭1圖10 鉗體外觀缺陷圖像采集機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

指甲鉗體的銹斑、劃痕、刃口缺失等在外觀缺陷在采集的圖像上顯示為暗色，而其他區(qū)域?yàn)楣饬辽?。在圖像處理軟件中先設(shè)定3張標(biāo)準(zhǔn)的指甲鉗體圖像，對(duì)每張圖像劃定3個(gè)區(qū)域，對(duì)每個(gè)區(qū)域內(nèi)的暗色區(qū)域大小、面積、連續(xù)性、差異范圍等進(jìn)行設(shè)置，圖像采集軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)實(shí)際采集的鉗體圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行對(duì)比，若超過差異范圍，判定不合格，輸出信號(hào)0給PLC，若在差異范圍內(nèi)，判定合格，輸出信號(hào)1給PLC，同時(shí)將判定結(jié)構(gòu)顯示在液晶屏幕上[12]，如圖11所示。

圖11 指甲鉗體圖像處理判斷結(jié)果

2 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

PLC、HMI在生產(chǎn)過程自動(dòng)化方面發(fā)揮著越來越重要的特點(diǎn)。根據(jù)檢測系統(tǒng)對(duì)PLC輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的需求，選擇FX2N-64MT-D型PLC作為系統(tǒng)控制核心。

2.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

各傳感器、按鈕的輸出信號(hào)送入PLC，經(jīng)運(yùn)算判斷后，PLC控制各氣缸電磁閥、電機(jī)接觸器等，控制氣缸、電機(jī)完成相關(guān)動(dòng)作，具體流程如圖12～圖14所示[13-15]。

圖12 鉗體移動(dòng)機(jī)構(gòu)軟件流程圖

圖13 圖像采集機(jī)構(gòu)軟件流程圖

圖12中，啟動(dòng)信號(hào)由PLC根據(jù)伸縮氣缸和升降氣缸的活塞縮回到位磁性開關(guān)信號(hào)、導(dǎo)料槽末端光電傳感器信號(hào)、圖像處理軟件信號(hào)等綜合判斷后輸出的一個(gè)信號(hào)；圖13中，圖像采集完成信號(hào)由圖像處理裝置發(fā)給PLC。當(dāng)在HMI上點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕后，系統(tǒng)開始啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)按下“停止”按鈕后，系統(tǒng)完成相關(guān)動(dòng)作后停止運(yùn)行，點(diǎn)擊“急?！卑粹o后，系統(tǒng)馬上停止運(yùn)行。

圖14 鉗體移出機(jī)構(gòu)軟件流程圖

2.2 HMI軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品需求，采用威倫觸摸屏作為人機(jī)交互接口，并設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)的自動(dòng)運(yùn)行界面如圖15所示。

圖15 指甲鉗體外觀質(zhì)量檢測系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行界面

3 測試結(jié)果及分析

實(shí)際檢測系統(tǒng)實(shí)物如圖16所示。將編制好的PLC程序和HMI程序分別通過數(shù)據(jù)線下載到PLC控制器和觸摸屏中。點(diǎn)擊HMI界面的啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)進(jìn)自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)已應(yīng)用，設(shè)備與人工的對(duì)比情況如表1所示，設(shè)備屏幕顯示情況如圖11所示。

表1 設(shè)備檢測與人工檢測對(duì)比情況

圖16 指甲鉗體外觀缺陷檢測系統(tǒng)

可以看出，相比指甲鉗體的人工檢測而言，采用自動(dòng)化設(shè)備檢測在生產(chǎn)效率提升、品質(zhì)改善、人力節(jié)省、人身健康等方面具有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)通過更換振動(dòng)盤和修改圖像處理軟件判定標(biāo)準(zhǔn)的方式，可適用于不同規(guī)格、且用研磨機(jī)磨口的指甲鉗體外觀缺陷檢測，應(yīng)用效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

(1) 用人工的方式進(jìn)行指甲鉗體外觀缺陷進(jìn)行檢測，在生產(chǎn)效率、人力成本、人身健康、品質(zhì)管理等方面存在諸多缺陷，且不符合目前制造業(yè)向自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型的發(fā)展；

(2) 采用機(jī)器視覺進(jìn)行指甲鉗體外觀檢測，并用PLC控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，HMI進(jìn)行人工交互，自動(dòng)化程度高，操作方便簡單，產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)顯示直觀；

(3) 基于PLC、機(jī)器視覺、氣動(dòng)、高速模組等技術(shù)的指甲鉗體外觀缺陷檢測系統(tǒng)，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，降低成本，減少對(duì)人的身心健康危害方面具有積極的作用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。