基于VisionPro和PLC的視覺測量定位系統(tǒng)

楊 鑫，羅付強，劉宏巖，楊 健，何鎧鋒

（重慶紅江機械有限責任公司，重慶 402162）

1 引言

近年來，機器視覺系統(tǒng)以其高效率、高可靠和低成本的特點在國內(nèi)外取得了廣泛的應用。機器視覺是一門涉及圖形圖像、計算機軟件、自動化、機械設計和人工智能等諸多領域的交叉學科。目前業(yè)內(nèi)關注較多的是機器視覺系統(tǒng)的硬件部分或軟件部分，然而，在視覺軟件得出數(shù)據(jù)后，往往需要將數(shù)據(jù)傳輸至 PLC 及上位機，PLC 根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果做出分析判定，并控制相關設備進行相應動作，上位機對數(shù)據(jù)進行整理存檔、集成展示等。例如工廠中常見的物料分揀視覺系統(tǒng)、立體倉庫視覺管理系統(tǒng)、零件質(zhì)量視覺檢測系統(tǒng)、以及本項目涉及的零件自動測量定位視覺系統(tǒng)等。

2 系統(tǒng)概況

通過視覺系統(tǒng)對零件進行直徑測量和位置矯正，零件隨機放置，其位置并不一致，通過視覺軟件獲取零件圖像并進行處理，得出直徑和零件位置數(shù)據(jù)，將位置數(shù)據(jù)傳至PLC，PLC 根據(jù)零件實際位置控制伺服電機將其矯正至固定位置，以供機器人等自動裝置夾持零件進行加工裝夾或裝配，保證零件順利裝入。項目采用的視覺軟件是 Cognex公司的 VisionPro，PLC 為 Siemens 公司的 S7-1200，電機為 Siemens 公司的 V90 伺服電機。通過 VisionPro 創(chuàng)建 QuickBuild 視覺項目，利用 C# 在 VS 環(huán)境下調(diào)用QuickBuild 項目開發(fā)上位機軟件，通過類庫 S7.NET 與 S7-1200 通信，實現(xiàn)上位機軟件與 PLC 的數(shù)據(jù)交互，PLC 獲取零件位置數(shù)據(jù)后，控制 V90 伺服電機動作，實現(xiàn)零件的矯向功能。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 視覺定位系統(tǒng)組成

3 VisionPro QuickBuild項目創(chuàng)建

項目選用 Basler acA1300-30gm 相機、Computar M2514-MP 鏡頭、日本 CCS LDR2-70RD 環(huán)形 LED 光源。通過軟件觸發(fā)拍照指令，通過 GigE 千兆以太網(wǎng)接口協(xié)議將圖像反饋至 VisionPro。VisionPro 提供了一個交互式的開發(fā)環(huán)境，可以利用 VisionPro 來獲取圖像，集成視覺工具來處理圖像，生成 QuickBuild 應用項目，在 QuickBuild 項目中，先后應用工具見下表。

表 QuickBuild 工具

?

視覺系統(tǒng)校準標定是補償相機的線性和非線性誤差必不可少的環(huán)節(jié)，另一方面，機器視覺系統(tǒng)的數(shù)字圖像處理是以像素為單位來表示的，而工程應用的長度單位采用的是毫米、厘米或英寸等作為物理尺寸單位。因此，要想獲得常規(guī)的測量結(jié)果數(shù)值，需要建立像素與實際尺寸的對應關系，標定實際上就是確定每個像素所表示的實際物理尺寸。標定的準確與否，將直接影響視覺測量系統(tǒng)的測量準確性，標定工作的頻密程度與具體測量項目的準確度要求相關，一般情況下視覺系統(tǒng)每次開機都應做一次標定，或每天做一次標定；準確度要求高的則應考慮標定工作做得頻密，QuickBuild 中采用 CogCalibCheckerboardTool 工具進行標定，在 CogCalibCheckerboardTool 標定工具中，輸入的參數(shù)包括校準點陣模板兩點之間在

X

方向和

Y

方向的實際距離，這是標定的依據(jù)。標定工具根據(jù)

X

和

Y

的值，用優(yōu)化的算法將復雜的標定信息與圖像信息結(jié)合，實現(xiàn)圖像像素坐標到實際坐標的轉(zhuǎn)換，值得注意的是，標定板一定要與零件特征平面等高，這樣標定的數(shù)據(jù)才能真實反映特征數(shù)據(jù)。項目采用9×9點陣式標定板，圓點直徑為 1 mm，圓心距為2 mm，在標定工具中設置如圖2所示。得到標定圖像后，需要在圖像中尋找模板特征來定位圖像，模板是圖像（或其子圖）的一種表達方式，其本身仍然是一幅圖像。一般情況下，模板在目標圖像中來回移動，直到找到使某個匹配函數(shù)值達到最大的位置為止，可以比較模板

T

和子圖

f

的內(nèi)容，若兩者一致，則

T

和子圖

f

之差為零，所以可以用下列的函數(shù)來衡量

T

和

f

的相似程度：

其中，模板尺寸是

K

×

K

，式 (1) 對模板

T

與子圖

f

在坐標處圖像之間匹配程度提供了度量。在模板匹配中，一個基本問題就是對模板尺寸大小的選擇問題，如果模板選擇過小，就難以估計圖像的變化，以至于無法做出準確的估計，如果模板太大，則窗口中覆蓋的面積太大，就無法實現(xiàn)匹配。

標定和模板匹配是項目關鍵工具，通過這兩個工具獲取并匹配到標準物理尺寸的目標圖像，然后通過尋圓擬合、構(gòu)建線、擬合線和求夾角等工具組合求出零件外徑及方位角。將 CogPMAlignTool 匹配的特征數(shù)量（定位結(jié)果）、CogFindCircleTool 擬合的外圓直徑值（測量直徑）、CogAngleLineLineTool 計算的角度（矯向角度）添加到 CogResultsAnalysisTool 進行處理運算，并添加到QuickBuild 發(fā)送項，通過高級語言調(diào)用 QuickBuild API 來獲取發(fā)送項，開發(fā)高級應用功能。

圖 2 CogCalibCheckerboardTool 工具和標定板

4 上位機軟件開發(fā)

上位機軟件采用 C# 在 Visual Studio 2019 環(huán)境中開發(fā)，主要是調(diào)用 QuickBuild 項目、獲取測量直徑及矯向角度、PLC 通信及控制、獲取 PLC 執(zhí)行狀態(tài)等。

4.1 調(diào)用 VisionPro QuickBuild 項目

VisionPro 可以為相機分配離散 IO，利用應用程序向?qū)Э梢詣?chuàng)建完善的 QuickBuild 應用程序，直接用于終端機。但是這種方式不方便與外界進行交互，而且要配備 Cognex 的離散 IO 硬件，限制了應用程序的靈活性。項目采用“QuickBuild+高級語言”開發(fā)模式，VisionPro與高級語言的聯(lián)合開發(fā)支持三種形式：高級語言調(diào)用VisionPro 控件、高級語言調(diào)用 VisionProToolGroup、高級語言調(diào)用 VisionProQuickBuild。第一種方式完全脫離VisionPro 開發(fā)環(huán)境，直接在高級語言環(huán)境中調(diào)用 VisionPro控件 dll 進行編譯，這種開發(fā)方式足夠靈活，但開發(fā)難度相對較大，且不利于后期調(diào)試維護；高級語言調(diào)用VisionProToolGroup 是在 QuickBuild 中將所有的視覺工具集成到一個 ToolGroup 中，然后將其單獨保存成 vpp 文件，高級語言調(diào)用這個 vpp 文件進行集成開發(fā)，其優(yōu)點是不必定義線程來檢測外部信號，可以采用外部 I/O 信號觸發(fā)的方式，適合用在一些高頻率取像的項目中；高級語言調(diào)用 VisionProQuickBuild 是將 QuickBuild 保存為一個完整的項目，高級語言直接調(diào)用該項目，其優(yōu)點是視覺項目與高級語言完全脫離，只需更改 QuickBuild 即可完成視覺的大多數(shù)修改工作，利于后期重新標定、維護修改。

項目采用 C# 調(diào)用 VisionProQuickBuild 的開發(fā)模式，在VS環(huán)境中創(chuàng)建窗體應用程序，調(diào)用 VisionPro 開發(fā)的QuickBuild 項目。VisionPro 程序集是針對 .NET Framework 4.0 開發(fā)的，因此開發(fā)環(huán)境 Framework 要配置為4.0以上版本。在窗體上添加一個 VisionPro 的 CogRecordDisplay 控件，用于顯示圖像，然后引用以下程序集：

隨后調(diào)用 QuickBuild 項目及運行結(jié)果，關鍵代碼如下：

4.2 PLC 通信控制

上位機與 S7-1200PLC 有多種通信方式，采用 S7.NET實現(xiàn) PLC 的通信，S7.NET 是一個 PLC 驅(qū)動程序，要求PLC 必須具有 Profinet 功能，上位機通過以太網(wǎng)連接西門子 PLC。S7.NET 是完全基于 C# 開發(fā)編寫的開源類庫，因此在 C# 項目開發(fā)中可以輕松地調(diào)用調(diào)試，實現(xiàn)上位機軟件與西門子 PLC 的通信控制功能。

在 C# 窗體應用程序中，引用“S7.Net”程序集，添加 Timer 控件定時掃描 PLC 并讀寫 PLC 狀態(tài)，關鍵代碼如下：

上位機軟件與 PLC 協(xié)同配合完成視覺定位矯向功能，上位機獲取零件位置數(shù)據(jù)，PLC 執(zhí)行位置矯正并反饋執(zhí)行結(jié)果，兩者必須配合得當。其控制過程是： PLC 首先發(fā)出視覺請求信號，上位機執(zhí)行視覺取像及處理，隨后向 PLC發(fā)送零件位置數(shù)據(jù)，PLC 得到數(shù)據(jù)后，執(zhí)行矯向動作，并反饋完成信號，上位機再次進行視覺處理，判定矯向結(jié)果是否正確，若不正確，重復上一過程直至正確，然后發(fā)出“OK”信號，結(jié)束視覺處理；另一種情況是如果獲取圖像模板匹配不成功，則直接輸出“NG”信號結(jié)束視覺處理。

由于 PLC 的信號采用脈沖輸出，上位機軟件是通過定時器的方式掃描 PLC 狀態(tài)，并非實時采集。對于上位機而言，PLC 輸出只有“0”或“1”兩種情況，無法檢測上升沿或下降沿。在實際應用中，如果定時器時間長度與PLC 信號脈沖設置不當，上位機有可能會重復讀取或漏掉一些 PLC 信號。比如，當 PLC 視覺請求信號脈沖寬度大于上位機軟件掃描周期時，上位機在連續(xù)兩個掃描周期內(nèi)獲取的信號是一樣的，就會作出兩次視覺處理；當 PLC 視覺請求脈沖寬度小于上位機掃描周期時，則上位機很有可能會錯過這個信號而不執(zhí)行任何動作，這種情況是絕對不允許的。因此，首先必須保證 PLC 信號脈沖長度大于上位機掃描周期，然后在上位機軟件通過程序?qū)?PLC 信號構(gòu)造為 “上升沿”信號，在上位機程序中，定義一個 Bool 變量，當?shù)谝淮螜z測到 PLC 矯向請求為“1”時，將該變量置為“1”，直到 PLC 矯向請求為“0”時，將該變量置為“0”。運行流程如圖3所示。

圖 3 視覺處理流程

5 PLC運動控制

S7-1200 在運動控制中使用了軸的概念，通過對軸的組態(tài)，包括硬件接口、位置定義、動態(tài)特征和機械特性等，與相關的指令塊組合使用，可以實現(xiàn)絕對位置、相對位置、點動、轉(zhuǎn)速控制和自動尋找參考點的功能。項目用1200PLC 通過 PROFINET 通信方式連接西門子的 V90 PN驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置用于控制軸的運動，通過 PROFIdrive報文3進行數(shù)據(jù)傳輸，使用 V90 PN 的 GSD 文件，將 V90 PN 組態(tài)為 S7-1200 的 IO device，作為從站集成到硬件組態(tài)中，在 S7-1200 中以工藝對象的方式來實現(xiàn)伺服電機的零件定位矯向控制功能。

V90 伺服驅(qū)動組態(tài)完成后，使用工藝中的“Motion control”指令塊進行運動控制編程，這里使用了“使能軸”和“點動軸”兩個指令塊，如圖4所示。

圖 4 PLC Motion control 控制程序

“PLC 矯向請求”由“機器人矯向請求”和“電機旋轉(zhuǎn)完成”共同觸發(fā)，PLC 接收到機器人矯向請求后，首次向上位機發(fā)出矯向請求，上位機執(zhí)行視覺處理并將零件旋轉(zhuǎn)角度傳輸至 PLC 的 MD94，隨后啟動伺服電機旋轉(zhuǎn)，電機旋轉(zhuǎn)完成后，PLC 再次發(fā)出矯向請求，上位機重新取像，驗證矯向結(jié)果是否正確，若正確則返回“OK”信號，若不正確則再次傳輸新的零件位置數(shù)據(jù)，直至零件矯向合格為止。

6 結(jié)束語

工業(yè)視覺項目往往涉及到視覺軟件、上位機和 PLC運動控制等多學科的交叉，作為機器視覺是否能得到有效應用，不僅在于圖像的識別處理，還在于得出數(shù)據(jù)后的系列操作，這種集成在工業(yè)應用項目中尤為突出，一個完善的工業(yè)視覺項目應該包括“視覺處理—執(zhí)行控制—結(jié)果驗證”，形成閉環(huán)控制。項目從 VisionPro 視覺處理、上位機集成展示及數(shù)據(jù)傳輸、PLC 運動控制和結(jié)果判定各方面進行集成，形成了一套較為完整的工業(yè)視覺測量定位系統(tǒng)，對工業(yè)視覺應用有一定推廣及借鑒意義。