物料視覺分揀系統(tǒng)的研究與開發(fā)

宮麗華

（承德應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河北 承德 067000）

物料分揀系統(tǒng)是從眾多物料中篩選出具有某一共同特征（顏色、形狀等）的部分物料的系統(tǒng)。該系統(tǒng)普遍應(yīng)用于物流行業(yè)、快遞行業(yè)、零件制造行業(yè)、交通運(yùn)輸行業(yè)等[1-2]，能夠在海量的物件當(dāng)中識別并分揀出相應(yīng)類別的物件，提高生產(chǎn)效率，并降低人工成本[3]。目前，很多物料分揀系統(tǒng)通過工業(yè)機(jī)器人或?qū)Ｓ玫姆謷b置實(shí)現(xiàn)。實(shí)際生產(chǎn)中很多物料不存在易碎、體積大、重量大等情況，無需用機(jī)器人來分揀，利用簡單的傳送帶、視覺裝置和產(chǎn)品盒即可完成分揀。文章針對這類物料設(shè)計(jì)了一套簡單、高效且低成本的自動分揀系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)以西門子S7-1200PLC為核心控制器，運(yùn)用變頻器和高速計(jì)數(shù)器控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制傳送帶運(yùn)動，使用工業(yè)視覺系統(tǒng)自動分揀出不同顏色的物料。

1 視覺分揀系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

視覺分揀控制系統(tǒng)[5-6]的功能是把待加工物料傳送到視覺檢測區(qū)域內(nèi)，完成物料的視覺檢測，然后對檢測完成后的物料進(jìn)行分類分揀。視覺分揀控制系統(tǒng)主要由皮帶傳送機(jī)構(gòu)、視覺系統(tǒng)、電磁閥組、變頻器、三相異步電機(jī)、光電傳感器、推料氣缸、接線端口、底板等組成，如圖1所示。

圖1 視覺分揀系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 皮帶傳送機(jī)構(gòu)

皮帶傳送機(jī)構(gòu)用于傳送物料，把物料傳送到視覺相機(jī)下方進(jìn)行視覺分揀，并傳送通過視覺檢測的物料。它主要由傳送帶、編碼器、三相異步電機(jī)等組成。皮帶傳送機(jī)構(gòu)的工作原理是三相異步電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動皮帶轉(zhuǎn)動，物料便可以在皮帶上水平移動。分揀模塊用來檢測入料口上有無物料的光電開關(guān)是一個(gè)圓柱形漫射式光電接近開關(guān)，工作時(shí)發(fā)出光線，檢測是否有物料存在，該光電開關(guān)選用SICK公司生產(chǎn)的GRTE18S-N1317型光電開關(guān)。傳送機(jī)構(gòu)末端安裝一個(gè)光纖傳感器，用于檢測物料是否到達(dá)皮帶末端位置。

1.2 變頻器與三相異步電機(jī)

變頻器是通過改變電動機(jī)工作電源的頻率來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。三相異步電動機(jī)用來拖動傳送帶運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物料的移動。變頻器專門用來控制三相異步電動機(jī)，通過對PLC編程與變頻器設(shè)置實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電動機(jī)工作電源的頻率來更好地控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備，以便改進(jìn)過程控制、節(jié)約能源、降低系統(tǒng)維護(hù)成本等[3]。變頻器接線圖如圖2所示。

本項(xiàng)目中使用VB5N-20P7變頻器來控制三相異步電機(jī)。變頻器的CI端接模擬量輸入信號，跳線選擇輸入電壓（0~10 V）和輸入電流（4 mA~20 mA），此信號由PLC的模擬量輸出端提供。通過變頻器面板可設(shè)置電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、點(diǎn)動等參數(shù)并監(jiān)控電動機(jī)狀態(tài)。

1.3 編碼器與高速計(jì)數(shù)器

高速計(jì)數(shù)器應(yīng)用在普通計(jì)數(shù)器達(dá)不到速度要求的場合，或者配合編碼器應(yīng)用在長度計(jì)算等場合。PLC的普通計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)速度與CPU掃描周期有關(guān)。每經(jīng)過一個(gè)掃描周期，CPU讀取一次被測信號，并捕捉被測信號的上升沿，被測信號頻率高于CPU掃描頻率時(shí)，會丟失計(jì)數(shù)脈沖，因此普通計(jì)數(shù)器的最高工作頻率一般僅有幾十赫茲。本次項(xiàng)目以西門子S7-1200PLC作為控制核心，使用的CPU是1215C，提供6個(gè)高速計(jì)數(shù)器HSC1至HSC6。HSC指令有4種工作模式：內(nèi)部方向控制的單相計(jì)數(shù)器、外部方向控制的單相計(jì)數(shù)器、兩路脈沖輸入的雙相計(jì)數(shù)器和AB相正交計(jì)數(shù)器[7]。使用前先組態(tài)高速計(jì)數(shù)器，啟用并設(shè)置HSC1的計(jì)數(shù)類型、工作模式、計(jì)數(shù)方向、初始計(jì)數(shù)器值等。

編碼器是通過光電轉(zhuǎn)換，將輸出至軸上的機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字信號的傳感器，主要用于位置、速度、角度等的測量。本項(xiàng)目需要定位物料的位置，使用相位差90°的具有A、B兩相的通用型旋轉(zhuǎn)編碼器，此編碼器安裝到傳送帶主動軸上。PLC通過高速計(jì)數(shù)器讀出編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)物料與傳送帶起點(diǎn)距離的測量，計(jì)算出物料在傳送帶上的位置，以便觸發(fā)視覺分揀。根據(jù)產(chǎn)生脈沖方式的不同，可將編碼器分為增量式、絕對式、復(fù)合式。本次使用的是增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出A、B、Z三組方波脈沖，其中A、B兩組脈沖的相位差是90°，用于辨別方向。當(dāng)A相超前B相時(shí)為正轉(zhuǎn)，當(dāng)B相超前A相時(shí)為反轉(zhuǎn)。Z相為編碼器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖，用于定位基準(zhǔn)點(diǎn)。編碼器的三相脈沖采用NPN型集電極開路輸出，分辨率為500 P/R（脈沖/旋轉(zhuǎn)），工作電源為DC 12 V~24 V。

1.4 視覺分揀機(jī)構(gòu)

視覺分揀機(jī)構(gòu)用于對物料進(jìn)行視覺分揀分類，它主要由推料氣缸、視覺檢測本體、安裝板等組成[8-9]。視覺分揀機(jī)構(gòu)的工作原理是當(dāng)物料到達(dá)視覺檢測區(qū)域后，在不停止皮帶轉(zhuǎn)動的情況下，對物料進(jìn)行顏色或者形狀的區(qū)分。當(dāng)檢測到目標(biāo)物料時(shí)，推料氣缸動作，將物料推入廢料槽中。

工業(yè)視覺系統(tǒng)包括控制器、光源、相機(jī)（CCD相機(jī)和COMS相機(jī)）、鏡頭（定焦鏡頭、變倍鏡頭、遠(yuǎn)心鏡頭、顯微鏡頭），如圖3所示。視覺分揀系統(tǒng)的工作原理是照相機(jī)將被檢測的物料拍照形成圖像信號，傳送給圖像處理單元，圖像處理單元根據(jù)物料的像素分布和亮度、顏色等信息，將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。圖像處理軟件對這些數(shù)字信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)特征，如數(shù)量、面積、位置等，再根據(jù)人為預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，實(shí)現(xiàn)自動識別。本次實(shí)訓(xùn)要求輸出結(jié)果是顏色信息，即紅色、綠色為合格品，黃色為不合格。

圖3 工業(yè)視覺系統(tǒng)硬件組成

2 視覺分揀控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 PLC資源分配

首先，對物料視覺分揀系統(tǒng)的微控制器PLC的I/O資源進(jìn)行分配，如表1所示，實(shí)現(xiàn)物料視覺分揀的功能。

表1 I/O資源分配表

2.2 程序流程設(shè)計(jì)與編寫

物料視覺分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化、視覺軟件編程、高速計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、設(shè)備通信設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。整個(gè)程序以高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器值（物料在傳送帶上的位置）為循環(huán)條件，執(zhí)行相應(yīng)動作。

圖4 PLC程序設(shè)計(jì)流程圖

2.3 視覺軟件編程

分揀模塊的視覺控制器包括圖像處理單元（圖像捕獲卡）、圖像處理軟件、監(jiān)視器、輸入/輸出單元等。相機(jī)選用的是彩色、130萬分辨率的工業(yè)相機(jī)，選用SL-DF12-C型號的鏡頭，相機(jī)拍照時(shí)可通過微調(diào)鏡頭上的焦距和光圈旋鈕提高圖片清晰度。

顏色及形狀識別的編程軟件使用X-SIGHT，通過選擇工業(yè)相機(jī)、設(shè)置白平衡、確定矩形區(qū)域、彩色閾值化等環(huán)節(jié)設(shè)置，對物料顏色及形狀進(jìn)行識別，詳細(xì)制作流程如圖5所示。

圖5 視覺識別制作流程

2.4 PLC網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信

2.4.1 PLC與變頻器的通信

變頻器與PLC的通信采用串口Modbus RTU協(xié)議，該協(xié)議使用RS232、RS422或RS485連接網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸。RTU運(yùn)用主/從站網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)通信由一個(gè)主站設(shè)備（PLC）觸發(fā)，從站（變頻器）只能響應(yīng)主站的請求。主站將請求發(fā)送到一個(gè)從站地址，并且只有該地址上的從站做出響應(yīng)，其他從站不響應(yīng)。首先運(yùn)行指令Modbus_Comm_Load來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)初始化設(shè)置，如數(shù)據(jù)傳輸速率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)流控制等。初始化設(shè)置完畢后，運(yùn)用Modbus_Master指令，讓主站對從站下達(dá)命令，PLC用作Modbus RTU主站設(shè)備，與從站（變頻器）進(jìn)行通信。程序中需要用兩個(gè)Modbus_Master指令，每個(gè)指令PLC都要先讀取從站（變頻器）地址，一個(gè)指令給變頻器頻率（電機(jī)轉(zhuǎn)速），另外一個(gè)指令給變頻器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等命令。PLC與變頻器通信程序如圖6所示。

圖6 PLC與變頻器通信程序

2.4.2 PLC與視覺控制器的通信

PLC與視覺控制器的通信采用以太網(wǎng)Modbus TCP。在這里PLC作為服務(wù)器等待客戶端視覺控制器的連接，因此使用指令MB_SERVER。MB_SERVER指令能夠處理Modbus TCP客戶端的連接請求、接收處理請求，并發(fā)送響應(yīng)。首先，建立一個(gè)PLC與視覺TCP通信的數(shù)據(jù)塊。其次，MB_SERVER指令的參數(shù)MB_HOLD_REG和CONNECT分別連接通信數(shù)據(jù)塊中的變量Server和RCV_TCP_SJ。變量Server的數(shù)據(jù)類型是TCON_IP_v4，需要手動輸入；變量RCV_TCP_SJ是視覺控制器識別出的顏色編碼。這樣客戶端識別出的顏色就傳遞給了服務(wù)器PLC，PLC根據(jù)顏色編碼的不同進(jìn)行下一步動作。

3 系統(tǒng)調(diào)試

視覺分揀系統(tǒng)運(yùn)用信捷TGM765S觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，人機(jī)界面如圖7所示，在此界面可進(jìn)行手動調(diào)試。首先，初始狀態(tài)下，入料檢測、伸出到位等指示燈處于熄滅狀態(tài)。其次，輸入電機(jī)運(yùn)行頻率，點(diǎn)擊電機(jī)正轉(zhuǎn)或電機(jī)反轉(zhuǎn)按鈕進(jìn)行測試。人機(jī)界面能實(shí)時(shí)監(jiān)視高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和視覺控制器識別出的顏色編號。

圖7 觸摸屏操作界面

4 總結(jié)

物料視覺分揀系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中常見的控制系統(tǒng)，它以西門子S7-1200PLC為控制器，由傳送和分揀兩大硬件機(jī)構(gòu)組成，包含視覺控制器、變頻器、編碼器、電磁閥組、觸摸屏等設(shè)備。分揀系統(tǒng)的軟件部分由主程序、通信程序、高速計(jì)數(shù)器程序、分揀控制程序等組成。本系統(tǒng)能夠識別物料顏色，通過簡單修改PLC程序或者視覺軟件程序，改變識別分揀的顏色；此外，通過修改視覺程序還能識別出物料形狀。應(yīng)用物料視覺分揀系統(tǒng)，有利于改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此，大規(guī)模的現(xiàn)代化自動化物料傳送與分揀，符合時(shí)代的發(fā)展趨勢，值得廣泛推廣[10]。