基于TwinCAT Vision的自動(dòng)插磁視覺(jué)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李慧敏，岳屹巒，朱翌杰

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201620;2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北, 武漢 430074)

永磁同步電機(jī)具有功率密度高、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[1]。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)軸、軸承等組成,其中永磁體在轉(zhuǎn)子鐵芯中的位置可以根據(jù)具體的需求設(shè)置其結(jié)構(gòu)和形狀,最常用的是內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[2]。在內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中,永磁體需要經(jīng)過(guò)沖壓工序插入到轉(zhuǎn)子的凹槽中[3]。目前內(nèi)置式轉(zhuǎn)子在安裝永磁體沖壓工序前,永磁體與凹槽的對(duì)齊存在差錯(cuò)率較高、效率低等問(wèn)題,不能持續(xù)穩(wěn)定工作[4-6]。

隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在自動(dòng)化生產(chǎn)流水線的應(yīng)用,采用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行轉(zhuǎn)子定位[7],通過(guò)實(shí)時(shí)抓取轉(zhuǎn)子圖像[8-10]分析計(jì)算其偏差角度,再結(jié)合PLC(programmable logic controller)對(duì)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行糾正,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)凹槽與永磁體的精準(zhǔn)配合,從而使永磁體順利插入凹槽。傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)在PLC和工業(yè)相機(jī)之外需要額外購(gòu)置控制器(如工控機(jī)等)來(lái)進(jìn)行機(jī)器視覺(jué)方面的處理,PLC發(fā)送信號(hào)到控制器,控制相機(jī)拍照采集圖像,在控制器上安裝并使用視覺(jué)軟件來(lái)進(jìn)行圖像處理得到檢測(cè)數(shù)據(jù),然后通過(guò)TCP/IP 或者RS232/RS485等通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至PLC,PLC根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的操作,因此,在通信環(huán)節(jié)會(huì)消耗一定的時(shí)間和資源[11]。德國(guó)倍福自動(dòng)化有限公司提供了一款將視覺(jué)直接整合到PLC中的解決方案,在TwinCAT平臺(tái)集成了PLC模塊和機(jī)器視覺(jué)模塊。本文基于TwinCAT Vision設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺(jué)的轉(zhuǎn)子定位系統(tǒng),將其應(yīng)用于生產(chǎn)流水線上的永磁體裝配工序,提高永磁同步電機(jī)生產(chǎn)效率。

1 轉(zhuǎn)子視覺(jué)定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在永磁體裝配工序中,PLC控制單元操縱機(jī)械手將轉(zhuǎn)子安放在操作臺(tái)上,在轉(zhuǎn)子插入定位軸并由轉(zhuǎn)子凹槽固定后將操作臺(tái)運(yùn)送至視覺(jué)定位工序處。視覺(jué)系統(tǒng)采集圖像,對(duì)轉(zhuǎn)子的永磁體槽口進(jìn)行邊緣檢測(cè),擬合出邊緣直線與設(shè)定的基準(zhǔn)比較情況,計(jì)算出偏離標(biāo)準(zhǔn)定位處的角度,并保證檢測(cè)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定,檢測(cè)誤差為-0.2°～0.2°。然后PLC控制單元根據(jù)偏移角度控制步進(jìn)電機(jī),使操作臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),調(diào)整轉(zhuǎn)子安裝凹槽位置至標(biāo)準(zhǔn)定位處,最后操作臺(tái)運(yùn)送轉(zhuǎn)子至下一工序(插磁片)。轉(zhuǎn)子視覺(jué)定位系統(tǒng)如圖1所示。由圖1可知,PLC控制單元與視覺(jué)定位需要非常緊密地結(jié)合,才能保證整個(gè)裝配工序的高效率。

圖1 轉(zhuǎn)子視覺(jué)定位系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotor visual location system

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)硬件部分由PLC、工業(yè)相機(jī)和工業(yè)PC機(jī)組成,PLC進(jìn)行工序中的功能控制,工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像采集功能,而工業(yè)PC機(jī)則負(fù)責(zé)圖像處理[12]。軟件安裝在PC機(jī)上,其主要通過(guò)圖像處理模塊、圖像數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)通信模塊分別進(jìn)行圖像處理、檢測(cè)結(jié)果顯示以及與PLC的數(shù)據(jù)交互。在生產(chǎn)過(guò)程中,工業(yè)PC機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊使用TCP/IP或者串口通信等與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互,接收采集信號(hào)并發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié)容易發(fā)生生產(chǎn)節(jié)拍減慢、停機(jī)等問(wèn)題。

根據(jù)轉(zhuǎn)子視覺(jué)定位系統(tǒng)要求,結(jié)合倍福公司TwinCAT Vision提供的機(jī)器視覺(jué)解決方案,將視覺(jué)定位集成在TwinCAT統(tǒng)一的通用化控制技術(shù)平臺(tái)上,作為PLC中的一個(gè)視覺(jué)任務(wù)。硬件設(shè)計(jì)由PLC和工業(yè)相機(jī)組成,PLC運(yùn)動(dòng)控制模塊使用I/O接口控制工業(yè)相機(jī)采集圖像。軟件部分則將圖像處理模塊集成在PLC中,直接控制視覺(jué)任務(wù)進(jìn)行圖像處理,并與PLC運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)通過(guò)切換相配合。利用任務(wù)內(nèi)存間共享數(shù)據(jù)代替數(shù)據(jù)通信模塊,可減去數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié),節(jié)省通信所耗費(fèi)的時(shí)間。與傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)相比,本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子視覺(jué)定位系統(tǒng)減少了視覺(jué)任務(wù)與PLC運(yùn)動(dòng)控制模塊之間的數(shù)據(jù)通信和硬件支出,運(yùn)行效率提高96.3%左右。

同時(shí),由于TwinCAT 平臺(tái)自帶的ADS Image Watch圖像顯示模塊的使用較為復(fù)雜,對(duì)于用戶不友好。因此本文視覺(jué)定位系統(tǒng)中的圖像顯示模塊由C#編程(即運(yùn)行在PLC控制模塊同一硬件平臺(tái)上),通過(guò)ADS通信[13-15]將采集的實(shí)時(shí)圖像信息及圖像分析的結(jié)果顯示出來(lái),并且計(jì)算角度數(shù)據(jù)均值、所有數(shù)據(jù)距離均值的聚集度(差值為-0.02°～0.02°)、最大偏差和方差數(shù)據(jù),以分析檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)子視覺(jué)定位系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架如圖2所示。由圖2可知,整個(gè)系統(tǒng)包括4個(gè)模塊,即圖像采集模塊、PLC運(yùn)動(dòng)控制模塊、TwinCAT圖像處理模塊和圖像數(shù)據(jù)顯示模塊。其中PLC運(yùn)動(dòng)控制模塊和TwinCAT圖像處理模塊集成在TwinCAT平臺(tái)。

圖2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)Fig.2 System overall scheme design

1.1 圖像采集模塊

圖像采集模塊包括光源、工業(yè)相機(jī)等,主要完成操作臺(tái)上轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)圖像采集。

為了更好地檢測(cè)出偏移角度,系統(tǒng)需要采集高質(zhì)量的圖像。由于本系統(tǒng)主要針對(duì)轉(zhuǎn)子的定位,可通過(guò)提取轉(zhuǎn)子的輪廓以及邊緣特征來(lái)進(jìn)行計(jì)算,故拍照時(shí)更應(yīng)關(guān)注轉(zhuǎn)子輪廓的清晰度。通過(guò)對(duì)流水線上不同照明方案的嘗試和分析,最終選擇藍(lán)色LED環(huán)形光為光源,采用康耐視公司的CAM-CIC-5000R-14-G型相機(jī)來(lái)完成圖像采集。轉(zhuǎn)子視覺(jué)定位系統(tǒng)的采集終端實(shí)物圖如圖3所示。

1.2 PLC運(yùn)動(dòng)控制模塊和TwinCAT圖像處理模塊

PLC運(yùn)動(dòng)控制模塊(簡(jiǎn)稱“PLC模塊”)主要完成轉(zhuǎn)子輸入、啟動(dòng)采集、轉(zhuǎn)子矯正等工作,通過(guò)在PLC中添加圖像處理任務(wù)來(lái)調(diào)用TwinCAT圖像處理模塊,以控制圖像采集、圖像處理和數(shù)據(jù)交互的進(jìn)行。TwinCAT圖像處理模塊主要負(fù)責(zé)圖像預(yù)處理、特征提取、邊緣提取和跟蹤等工作。

將相機(jī)采集的圖像通過(guò)TCP/IP連接到倍福CX5140-0155型控制器上,在該控制器上利用倍福的TwinCAT Vision進(jìn)行圖像處理。由于TwinCAT軟件包含TwinCAT圖像處理模塊和PLC模塊,可以將PLC和視覺(jué)進(jìn)行一體化處理,使得圖像處理環(huán)節(jié)就可以檢測(cè)出偏移角度,即不需要通信環(huán)節(jié)來(lái)將其送入PLC環(huán)節(jié)調(diào)整,利用PLC運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)和圖像處理任務(wù)的無(wú)縫切換以及任務(wù)間共享數(shù)據(jù),可以在一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)就能完成檢測(cè)和調(diào)整工作,實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)模塊和PLC模塊的銜接。

本文使用PLC設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言ST(structured text)編寫視覺(jué)處理程序,在相機(jī)采集圖像信息后,將信息送入TwinCAT圖像處理模塊進(jìn)行處理,PLC運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)可以直接讀取處理后的檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果,如圖4所示。由圖4可以看出,在TwinCAT軟件平臺(tái)中有PLC模塊和TwinCAT圖像處理模塊(Vision),PLC模塊可以編寫程序調(diào)用圖像處理模塊,直接獲取處理結(jié)果。工業(yè)PC機(jī)使用RS485與PLC通信所用時(shí)長(zhǎng)如表1所示。由表1可知,使用傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)方案需要工業(yè)PC機(jī)通過(guò)RS485與PLC通信,耗時(shí)約0.027 2 s,而由倍福硬件提供的資料可知,TwinCAT軟件任務(wù)間通信時(shí)間則小于1 ms。

表1 工業(yè)PC使用RS485與PLC通信的用時(shí)統(tǒng)計(jì)

圖4 PLC調(diào)用TwinCAT圖像處理模塊Fig.4 PLC calls TwinCAT image processing module

1.3 圖像數(shù)據(jù)顯示

圖像數(shù)據(jù)顯示模塊主要完成數(shù)據(jù)交互、顯示相關(guān)圖像信息以及算法參數(shù)。由于TwinCAT中的ADS顯示對(duì)普通用戶來(lái)說(shuō)使用不方便,故基于Visual Studio2019開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫圖像數(shù)據(jù)顯示模塊。采用C#作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,利用WinForm技術(shù)進(jìn)行窗口界面的設(shè)計(jì),用來(lái)顯示圖像處理任務(wù)的圖像和數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶需求,模塊還具有完成數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),并分析算法處理得到數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、生成數(shù)據(jù)分析表等功能。整個(gè)顯示界面的設(shè)計(jì)包含登錄界面、主界面、數(shù)據(jù)分析界面。圖5為顯示模塊的框架圖,圖6為轉(zhuǎn)子視覺(jué)定位系統(tǒng)主界面。

圖6 轉(zhuǎn)子視覺(jué)定位系統(tǒng)主界面Fig.6 Main interface of rotor vision location system

2 視覺(jué)算法

采用視覺(jué)定位系統(tǒng)精準(zhǔn)定位轉(zhuǎn)子凹槽,以保證永磁體精確地插入到轉(zhuǎn)子的凹槽中。不同現(xiàn)場(chǎng)的具體轉(zhuǎn)子圖像情況有所偏差,為提高本系統(tǒng)對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)圖像情況的適應(yīng)性,在圖像處理部分設(shè)計(jì)兩種圖像處理算法。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析后確定默認(rèn)使用的圖像處理算法,提高檢測(cè)結(jié)果精度和效率。圖像處理流程如圖7所示。

由圖7可知,選取ROI(region of interest)區(qū)域進(jìn)行圖像優(yōu)化處理。在研究圖像特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)轉(zhuǎn)子工件的兩種圖像特征來(lái)計(jì)算偏移角度:一種是最小外接矩陣擬合法,求解安裝槽口的最小外接矩形來(lái)計(jì)算偏移角度;另一種是尋邊定位,采用直線擬合槽口邊緣來(lái)計(jì)算偏移角度。

最小外接矩形擬合法主要通過(guò)求特征輪廓的最小外接矩形來(lái)定位,由于轉(zhuǎn)子的永磁體安裝槽口是關(guān)鍵的特征輪廓,該算法通過(guò)輪廓篩選將4個(gè)槽口提取出來(lái),選擇中心位置在最下面的槽口擬合最小外接矩形,測(cè)量該矩形與基準(zhǔn)線的夾角,即偏轉(zhuǎn)角度。最小外接矩陣擬合法主要包括矩陣擬合、輪廓提取、輪廓篩選和外接矩陣,最后獲取偏移角度,該算法圖像處理效果如圖8(a)所示。由圖8(a)可知,藍(lán)色框?yàn)樗阉鞯降腞OI區(qū)域,綠色矩形為擬合的最小外接矩形,左上角為計(jì)算出的偏移角度。

圖8 兩種算法圖像處理結(jié)果Fig.8 Image processing results of two algorithms

尋邊定位法,即在提取到特征輪廓后,先計(jì)算轉(zhuǎn)子外圓輪廓的圓心,再對(duì)轉(zhuǎn)子的永磁體槽口輪廓進(jìn)行邊緣檢測(cè),選擇中心位置在最下面的槽口,并計(jì)算得到最下面槽口的質(zhì)心位置。選擇轉(zhuǎn)子外圓輪廓圓心與質(zhì)心的連線方向作為直線擬合的搜索方向,擬合槽口的外側(cè)邊緣直線并計(jì)算直線與基準(zhǔn)線的夾角,即偏轉(zhuǎn)角度。尋邊定位法包括擬合曲線、輪廓提取、篩選輪廓、外圓跟蹤、槽口質(zhì)心和直線擬合,最后計(jì)算出偏移角度,該算法圖像處理效果如圖8(b)所示。由圖8(b)可知,藍(lán)色框?yàn)樗阉鞯降腞OI區(qū)域,綠色外圓為擬合的外圓輪廓,其中心位置的藍(lán)點(diǎn)為找到的圓心,綠色框?yàn)檫x取的槽口區(qū)域,槽口區(qū)域中心位置的紅點(diǎn)為槽口區(qū)域的質(zhì)心,紅色直線為擬合直線。

在系統(tǒng)調(diào)試階段通過(guò)定位試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行處理,通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比兩種算法的穩(wěn)定性和效率,選擇其中性能較好的算法作為系統(tǒng)正常使用時(shí)的默認(rèn)算法,以此提高檢測(cè)精度和流水線的生產(chǎn)效率。

3 定位試驗(yàn)

由系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求可知,系統(tǒng)對(duì)偏移角度的檢測(cè)需要快速、穩(wěn)定和準(zhǔn)確。流水線上設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子插磁的標(biāo)準(zhǔn)位置時(shí),可以利用一個(gè)常量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)矯正,因此用戶更加關(guān)注檢測(cè)角度的穩(wěn)定性,即理論角度來(lái)講,同一位置的轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)系統(tǒng)檢測(cè)出的角度應(yīng)當(dāng)相同。但在實(shí)際中,環(huán)境的輕微變化或者一些噪聲干擾會(huì)使檢測(cè)出的角度產(chǎn)生隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差可通過(guò)多次采集取平均消除,但由于流水線要求盡可能縮短該工序耗時(shí),且單張圖像數(shù)據(jù)較大,僅允許1次測(cè)量,所以期望檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得同一位置轉(zhuǎn)子的角度差異較小,即要求系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。

本文選取轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度為0°、35°、45°、60°的4個(gè)位置拍攝圖像進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。在不同固定轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度下,各連續(xù)拍攝100張相同位置的轉(zhuǎn)子圖像,得到4組偏移角度圖像共400張,然后以結(jié)果數(shù)據(jù)的聚集度(均值±0.02)°、最大偏差和方差來(lái)確定使用算法的穩(wěn)定性。測(cè)得的數(shù)據(jù)的最大偏差越小、方差越小、聚集度越高,則該算法穩(wěn)定性越好。同時(shí)根據(jù)用戶要求,算法用時(shí)長(zhǎng)短也是重要的衡量因素,算法耗費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響后續(xù)的調(diào)整工作。對(duì)比本文檢測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng),計(jì)算TwinCAT平臺(tái)的通信時(shí)間和傳統(tǒng)視覺(jué)方案RS485通信時(shí)間的差值,根據(jù)差值對(duì)比本文檢測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)的效率優(yōu)劣。

本文選取其中一組檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。圖9為其中一組檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析界面,圖中右側(cè)的圖表區(qū)主要功能是通過(guò)折線圖的方式實(shí)時(shí)顯示兩種算法計(jì)算的結(jié)果。圖9右側(cè)為尋邊定位算法的折線圖,外接矩形的折線圖在選項(xiàng)卡“method 2”一欄里。計(jì)算數(shù)據(jù)的均值并在圖中用紅色橫線標(biāo)出,均值上下的兩條紅線分別代表(均值±0.02)°的值。此外,圖中超出這個(gè)范圍的點(diǎn)標(biāo)為紅色,鼠標(biāo)點(diǎn)擊這些紅色點(diǎn),其下方會(huì)顯示該點(diǎn)的x、y坐標(biāo),從而得知這個(gè)點(diǎn)是第幾個(gè)點(diǎn),以及其超出的偏移量具體值,可以直觀地顯示角度數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖9 數(shù)據(jù)分析界面Fig.9 Data analysis interface

在圖表區(qū)顯示完100個(gè)偏移角度數(shù)據(jù)結(jié)果后,點(diǎn)擊界面左邊的計(jì)算數(shù)據(jù)按鈕,就會(huì)顯示出兩種不同算法計(jì)算出的結(jié)果。由圖9的數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出:在外部采集硬件和環(huán)境都固定在這個(gè)環(huán)境時(shí),尋邊定位算法的最大偏差只有0.046°,比外接矩陣擬合方法的最大偏差0.111°小,且偏差在-0.02°～0.02°的個(gè)數(shù)多達(dá)0.95×100=95個(gè),比外接矩陣擬合方法的偏差在-0.02°～0.02°的個(gè)數(shù)(81個(gè))多。這說(shuō)明尋邊定位算法的數(shù)據(jù)聚集度高,更符合用戶的穩(wěn)定性要求。并且兩種算法的運(yùn)行時(shí)間幾乎都是26.1 ms,均值的不同可以通過(guò)一常量消除。運(yùn)算時(shí)間幾乎相同且聚集度高更符合用戶需求,故本組數(shù)據(jù)分析應(yīng)優(yōu)先選擇尋邊定位。

除了對(duì)比兩種算法的結(jié)果外,還可以通過(guò)不斷試驗(yàn)調(diào)整算法中的參數(shù)(即以圖9界面上這5個(gè)值為依據(jù))找出最優(yōu)的算法參數(shù)。本文方案的通信在時(shí)長(zhǎng)設(shè)為1.0 ms(實(shí)際通信時(shí)間小于1.0 ms),而傳統(tǒng)視覺(jué)方案的通信時(shí)間為27.2 ms,相減得到差值為26.2 ms,故本文提出方案與傳統(tǒng)視覺(jué)方案相比效率提高約96.3%。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)傳統(tǒng)視覺(jué)系統(tǒng)圖像處理和流程控制的通信問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于TwinCAT Vison的轉(zhuǎn)子視覺(jué)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用最小外接矩形法和尋邊定位法來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)子定位,通過(guò)定位試驗(yàn)確定效果更好的算法,并將圖像處理和PLC集成在同一平臺(tái),通過(guò)PLC的任務(wù)切換進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。與傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)方案相比,減去了通信環(huán)節(jié),提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,節(jié)省時(shí)間約26.2 ms,效率提高96.3%左右,有效縮短了檢測(cè)環(huán)節(jié)的用時(shí)。