基于PLC的焊縫視覺傳感與跟蹤定位系統(tǒng)設(shè)計

鄒昊 曾文瑜

摘要：馬口鐵罐身成形的生產(chǎn)工藝中，方罐焊縫定位難度大、技術(shù)要求高。目前，多數(shù)企業(yè)采用位置感應(yīng)裝置和顏色傳感器進行定位，其生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)焊縫定位響應(yīng)滯后、焊縫探測系統(tǒng)檢測靈敏度不高等問題，從而導(dǎo)致制造成本增加?；赑LC的焊縫視覺傳感與跟蹤定位系統(tǒng)設(shè)計方案，配合執(zhí)行機械裝置和電機接口電路，可以實現(xiàn)焊縫自動定位。

關(guān)鍵詞：視覺傳感;檢測定位;非接觸;焊縫

中圖分類號：TG409 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

在DR馬口鐵方罐成形的生產(chǎn)工藝中，考慮到焊縫定位的美觀性，需將方罐的焊縫準(zhǔn)確定位在罐邊對角的正中位置。通常采用位置感應(yīng)裝置和顏色傳感器定位，但實際生產(chǎn)過程中，受到探測系統(tǒng)檢測靈敏度影響，易出現(xiàn)焊縫定位響應(yīng)滯后的問題。為了保證焊接質(zhì)量，通常配備焊縫自動跟蹤系統(tǒng)[1]。視覺傳感方式由于其采集信息量大，避免了與工件直接接觸，易于實現(xiàn)焊接跟蹤智能化，在焊縫跟蹤領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。因此，如何提供一種焊縫追蹤方法，準(zhǔn)確捕捉焊縫位置，是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。本課題組研究了一種基于CCD視覺傳感器和可編程控制器（PLC）焊縫自動跟蹤執(zhí)行系統(tǒng)[2]，根據(jù)焊縫跟蹤系統(tǒng)的實現(xiàn)功能設(shè)計了執(zhí)行機械裝置，按照控制點數(shù)要求設(shè)計了PLC控制電路和與橫縱向電機的接口電路，并介紹了PLC與上位機的通信程序，采用適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)，最終滿足了焊縫自動跟蹤的要求[3]。

1 ?圖像采集與處理系統(tǒng)

圖像采集與處理系統(tǒng)包括機器視覺圖像獲取裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和執(zhí)行裝置，如圖1所示。機器視覺圖像獲取裝置和執(zhí)行裝置分別與數(shù)據(jù)處理裝置連接;機器視覺圖像獲取裝置用于獲取被檢測焊件的圖像信息，并將圖像信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理裝置;數(shù)據(jù)處理裝置用于根據(jù)圖像信息確定被檢測焊件的焊縫位置，并將焊縫位置與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)定位點進行對比，確定出被檢測焊件需要旋轉(zhuǎn)的角度，并根據(jù)角度向執(zhí)行裝置發(fā)送轉(zhuǎn)動指令;執(zhí)行裝置用于根據(jù)轉(zhuǎn)動指令控制被檢測焊件繞其中心軸旋轉(zhuǎn)，以使被檢測焊件的焊縫位置與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)定位點重合。從而實現(xiàn)定位焊縫位置時不受被檢測焊件表面的雜質(zhì)、凹陷等因素干擾，達到焊縫定位準(zhǔn)確的目標(biāo)[4]。

機器視覺檢測技術(shù)的焊縫定位裝置包括與數(shù)據(jù)處理裝置連接的視頻采集裝置，與機器視覺圖像獲取裝置分別位于同一流水線上的預(yù)設(shè)位置處，用于獲取被檢測焊件位于第一圖像采集區(qū)域時的第一圖像信息，并將第一圖像信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理裝置;數(shù)據(jù)處理裝置用于根據(jù)第一圖像信息和所述預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)定位點，通過運行旋轉(zhuǎn)子裝置來控制被檢測焊件進行初次定位操作。執(zhí)行裝置包括傳送子裝置和旋轉(zhuǎn)子裝置，用于傳送被檢測焊件，使被檢測焊件依次經(jīng)過視頻采集裝置對應(yīng)的第一圖像采集區(qū)域和機器視覺圖像獲取裝置對應(yīng)的第二圖像采集區(qū)域。旋轉(zhuǎn)子裝置用于控制被檢測焊件繞其中心軸旋轉(zhuǎn)。接下來，機器視覺圖像獲取裝置用于獲取所述被檢測焊件位于第二圖像采集區(qū)域時的第二圖像信息，并將第二圖像信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理裝置;數(shù)據(jù)處理裝置還用于根據(jù)所述第二圖像信息和預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)定位點，通過運行旋轉(zhuǎn)子裝置來控制所述被檢測焊件進行最終定位操作。

機器視覺圖像獲取裝置具有光譜范圍寬、分辨率高和響應(yīng)速度快的優(yōu)點，通過機器視覺圖像獲取裝置獲取被檢測焊件的圖像信息[5]，通過數(shù)據(jù)處理裝置分析圖像信息，以根據(jù)所述圖像信息確定被檢測焊件的位置，通過執(zhí)行裝置使被檢測焊件的焊縫位置與所述預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)定位點重合。當(dāng)被檢測焊件的表面具有雜質(zhì)、凹陷等干擾因素時，這些干擾因素與焊縫具有明顯區(qū)別，使得數(shù)據(jù)處理裝置容易在圖像中確定出焊縫區(qū)域。因此，實現(xiàn)了定位焊縫位置時不受被檢測焊件表面雜質(zhì)、凹陷等因素干擾，焊縫定位準(zhǔn)確的目標(biāo)?；跈C器視覺檢測技術(shù)的焊縫定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)的PLC硬件設(shè)計如圖3所示，選取西門子300型PLC，1號位是PLC電源模塊型號，2號位是CPU型號（包含16個點的輸入和16個點的輸出），4號位是通信模塊（可多機組，多條生產(chǎn)線通過上位機總監(jiān)控）。PLC硬件配置如圖4所示。

那么，如何得到最優(yōu)參數(shù)呢？可以通過試驗生產(chǎn)線來試驗參數(shù)，通過調(diào)節(jié)運行參數(shù)找到最高合格率。具體需要調(diào)節(jié)參數(shù)如表1所示。

以上5條參數(shù)調(diào)節(jié)可以使得流水線整體運行良好，保證生產(chǎn)過程中不堆集貨物，保證各環(huán)節(jié)緊密配合。經(jīng)測試，合格率最高可達99.98%。

3 控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的PLC程序說明，根據(jù)《機器視覺檢測定位與非接觸尋找焊縫實現(xiàn)》中工藝流程和運行方式，PLC程序內(nèi)容如下：送罐位程序如圖5所示，M0.0是PLC工作狀態(tài)位，I0.4是送罐開始位，I0.5阻擋桿工作位，DB1.DBX0.0是電動推桿上傳中間變量，Q124.0是電動推桿工作輸出位，DB1.DBX1.2是阻擋桿上傳中間變量。當(dāng)PLC開始工作，工作臺上第一步送罐位開始工作時，M0.0和I0.4點接通，第一條I0.5是閉點狀點，此時電動推桿就輸出了Q124.0位和上傳中間變量，此時送罐的電推桿就開始工作了，推動罐體向旋轉(zhuǎn)平臺移動。當(dāng)移動到阻檔桿位置時，第二條I0.5開始接通，阻擋桿中間變量上傳狀態(tài)，第一條的I0.5和I0.4斷開，電動推桿停止工作。

旋轉(zhuǎn)臺面工作位如圖6所示，I0.6是進線開關(guān)工作狀態(tài)點，T1和T3是延時器，DB1.DBX1.6是旋轉(zhuǎn)臺上升工作上傳中間變量，Q124.1是旋轉(zhuǎn)臺上升工作輸出量。DB1.DBX1.7是進給開關(guān)工作上傳中間變量，DB1.DBX2.0是PLC檢測啟動輸出量。

阻擋桿I0.5工作接通后，第一條進給開關(guān)I0.6是閉點狀態(tài)，此時T1和T3開始工作，延時2 s后開始接通DB1.DBX1.6和Q124.1，接通旋轉(zhuǎn)臺開始上升。當(dāng)上升到進給開關(guān)位置時，I0.6開始工作，第一條I0.6斷開，旋轉(zhuǎn)臺上升工作停止。第二條和第三條I0.6工作后，上傳進給開關(guān)工作狀態(tài)中間變量和PLC檢測焊縫位置開始啟動。