一種圖像識(shí)別技術(shù)在鉚釘觸頭挑選設(shè)備中的應(yīng)用研究

顏君波， 李亞南， 廖思遠(yuǎn)， 劉晗， 朱亞哲， 袁有明

（桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

0 引言

銀基鉚釘觸頭材料因其良好的電性能而廣泛應(yīng)用于低壓電器領(lǐng)域。在當(dāng)前的銀基鉚釘觸頭加工制造業(yè)中，從原材料到成品的過(guò)程中涉及的設(shè)備種類非常多。鉚釘觸頭挑選機(jī)就是其中之一，它通常應(yīng)用于鉚釘觸頭生產(chǎn)過(guò)程的挑選工序中，是提高生產(chǎn)效率及降低人工成本的必備生產(chǎn)設(shè)備之一。

目前，傳統(tǒng)的鉚釘挑選工作主要由人工完成，需要人工處理的缺陷主要存在以下方面：釘頭表面掉沫、銀面缺料、釘頭毛刺、釘頭開(kāi)裂、釘頭卷邊、釘頭漏銅、表面變色、釘頭粘銀粉、釘頭擦邊等外觀缺陷；尺寸缺陷，比如釘頭直徑、釘頭厚度、釘腳直徑、釘腳長(zhǎng)度等外形尺寸不合格。對(duì)于從事挑選工作的操作者而言，由于每批次的鉚釘產(chǎn)量較大，產(chǎn)品外形尺寸一般都按比例進(jìn)行抽檢，無(wú)法全檢，這種情況下存在尺寸缺陷漏檢的可能；而外觀缺陷方面，人工檢測(cè)的方法主要是把一批排列整齊的鉚釘平鋪在燈光下，以目測(cè)的方式從不同角度觀察每粒鉚釘?shù)耐庥^，將有瑕疵的鉚釘挑選出來(lái)，每次檢測(cè)約5 min，只能檢測(cè)500?！?000粒，每人每班挑選約80 000粒，檢測(cè)效率較低；在質(zhì)量把控上，因人而異，特別是較輕微的表面缺陷，難以準(zhǔn)確判斷；人工挑選存在誤判，導(dǎo)致不良品的異常增加，降低了產(chǎn)品效益。隨著客戶對(duì)銀基鉚釘觸頭產(chǎn)品質(zhì)量要求進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)人工挑選存在的問(wèn)題越來(lái)越凸現(xiàn)，已不能滿足市場(chǎng)的需求，這些問(wèn)題嚴(yán)重制約著鉚釘觸頭生產(chǎn)工藝的發(fā)展，也難以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率及降低人工成本。因此，研制鉚釘自動(dòng)化挑選設(shè)備取代人工挑選成為各相關(guān)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于基恩士圖像處理器的鉚釘自動(dòng)挑選設(shè)備。利用PLC的各種邏輯控制功能，通過(guò)CCD圖像處理器、硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)人工挑選中的系列問(wèn)題。

1 工作原理分析

CCD圖像處理器屬于機(jī)器視覺(jué)的一種具體的表現(xiàn)形式，而機(jī)器視覺(jué)是人工智能正在快速發(fā)展的一個(gè)分支。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，將像素分布和亮度、顏色等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。設(shè)備原理示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備原理示意圖

首先，鉚釘樣件通過(guò)振動(dòng)盤輔助自動(dòng)上料，把鉚釘樣件運(yùn)送到圓形玻璃盤上；其次，玻璃盤在設(shè)備的伺服控制系統(tǒng)下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由玻璃盤上的光纖檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)是否來(lái)料，當(dāng)光纖檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)到鉚釘樣件后，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的每個(gè)CCD工位具體編碼器位置，PLC在相應(yīng)的位置上輸出信號(hào)對(duì)圖像處理器進(jìn)行觸發(fā)拍照；圖像處理器快速進(jìn)行機(jī)器視覺(jué)識(shí)別、判斷及輸出反饋信號(hào)給PLC，PLC根據(jù)圖像處理器反饋結(jié)果對(duì)吹氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行OK或者NG信號(hào)輸出。PLC在設(shè)備中對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行各種邏輯控制，控制管理各個(gè)工業(yè)相機(jī)、電氣部件、氣動(dòng)電磁閥等機(jī)構(gòu)。CCD圖像處理器是鉚釘挑選設(shè)備的核心配件，用于分析、計(jì)算圖像。鉚釘?shù)挠跋駲z測(cè)軟件直接運(yùn)行在圖像處理器上，把數(shù)據(jù)傳送給PLC控制器及工控機(jī)。工控機(jī)在設(shè)備中主要用于統(tǒng)計(jì)各種瑕疵占比，方便技術(shù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。伺服控制系統(tǒng)用于帶動(dòng)玻璃盤穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)送鉚釘樣件進(jìn)行拍照或剔除。CCD工業(yè)相機(jī)、鏡頭以及光源在設(shè)備系統(tǒng)中有一組或多組拍攝站點(diǎn)，每一臺(tái)工業(yè)相機(jī)配一個(gè)相機(jī)鏡頭及光源，用于對(duì)待測(cè)樣件拍照以供分析。吹氣機(jī)構(gòu)使用工業(yè)高速電磁閥，在PLC輸出控制下用于剔除不良待測(cè)樣件。此外，CCD圖像處理器提供各種外觀檢測(cè)功能及尺寸檢測(cè)功能，通過(guò)設(shè)置不同規(guī)格產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)，可以方便靈活地更換多種不同規(guī)格的鉚釘產(chǎn)品，提高設(shè)備的通用性。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

鉚釘挑選設(shè)備控制系統(tǒng)的硬件部分主要由PLC、觸摸屏、工控機(jī)、高透明度玻璃轉(zhuǎn)盤、高速振動(dòng)盤、伺服控制系統(tǒng)、CCD圖像處理器、對(duì)射漫反射型光電傳感器、鋁合金整體式機(jī)架及工業(yè)高速電磁閥等部件組成。PLC選用信捷XD5系列，CPU型號(hào)為XD5-32T4-E，此模塊自帶18入/14出的NPN信號(hào)接口，AB兩路RS485通訊接口，支持X-NET現(xiàn)場(chǎng)總線功能，支持高速計(jì)數(shù)（高達(dá)80 kHz），具有2～4軸脈沖輸出（高達(dá)100 kHz）、頻率測(cè)量等特殊功能，支持1～16個(gè)擴(kuò)展模塊?？紤]到PLC需要與轉(zhuǎn)盤伺服控制系統(tǒng)及CCD圖像處理器通訊，本設(shè)備采用modbus RTU通訊，以PLC為主站，其他功能系統(tǒng)為從站的通訊方式。該通訊方式通常可連接31個(gè)從站同步運(yùn)行。玻璃轉(zhuǎn)盤伺服控制系統(tǒng)采用脈沖型伺服驅(qū)動(dòng)器，它分為三種控制方式：位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制。其輸入形態(tài)可分為：脈沖+方向、AB相脈沖、CW/CCW信號(hào)三種電信號(hào)；對(duì)射漫反射型光電傳感器使用0～24 VDC直流NPN信號(hào)輸出，其功能主要是檢測(cè)鉚釘是否上料正常，是否缺料停機(jī)等。觸摸屏使用信捷TGM465系列，通過(guò)RS232通訊接口與PLC通訊。其總控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 軟件功能設(shè)計(jì)

鉚釘挑選設(shè)備控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是PLC程序設(shè)計(jì)、工控機(jī)統(tǒng)計(jì)軟件設(shè)計(jì)、觸摸屏頁(yè)面組態(tài)設(shè)計(jì)。PLC主程序主要包括系統(tǒng)參數(shù)初始化，鉚釘來(lái)料檢測(cè)設(shè)計(jì)、缺料停機(jī)設(shè)計(jì)、CCD圖像處理器檢測(cè)設(shè)計(jì)、OK與NG產(chǎn)品吹氣控制設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)盤伺服電機(jī)設(shè)計(jì)及接受觸摸屏參數(shù)設(shè)置設(shè)計(jì)。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

工控機(jī)統(tǒng)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要應(yīng)用C#在.net平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用微軟SQL Server 2017版。當(dāng)設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，通過(guò)串口通信硬件及軟件讀取CCD圖像處理器及PLC上數(shù)據(jù)塊的相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備的啟停時(shí)間及當(dāng)前鉚釘檢測(cè)數(shù)、瑕疵類型數(shù)量、每種瑕疵數(shù)量、圖像處理器二值化數(shù)值等信息，設(shè)計(jì)出公差范圍、合格率、過(guò)小不良率、過(guò)大不良率等統(tǒng)計(jì)分析表，同時(shí)顯示其圖像信息。

觸摸屏的組態(tài)設(shè)計(jì)主要是面向人機(jī)交互的界面。設(shè)計(jì)顯示當(dāng)前鉚釘檢測(cè)數(shù)、鉚釘最大檢測(cè)數(shù)量、轉(zhuǎn)盤伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、當(dāng)前運(yùn)行檢測(cè)速度等信息。此外，需要設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)觸摸屏控制鉚釘挑選設(shè)備的運(yùn)行及停止，根據(jù)不同的鉚釘規(guī)格設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)轉(zhuǎn)速，形成檢測(cè)工藝參數(shù)配方庫(kù)。在使用設(shè)備前調(diào)取所需的檢測(cè)工藝配方，即可進(jìn)行相關(guān)鉚釘規(guī)格產(chǎn)品的自動(dòng)化檢測(cè)，降低操作人員的操作難度及技術(shù)要求，確保了挑選工藝的穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，結(jié)合振動(dòng)盤的上料速度及鉚釘?shù)男螤钐匦?，設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行速度達(dá)到600粒/min，效率遠(yuǎn)大于人工挑選，且實(shí)現(xiàn)了鉚釘挑選的全選。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)一種圖像識(shí)別技術(shù)在鉚釘觸頭挑選設(shè)備中的設(shè)計(jì)研究，運(yùn)用PLC、工控機(jī)、CCD圖像處理器、對(duì)射型光電傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)銀基鉚釘觸頭的自動(dòng)控制挑選，基本滿足了鉚釘觸頭挑選工藝需求。該設(shè)備的運(yùn)用取代了人工挑選，有效提高了銀基鉚釘觸頭挑選的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，減少了人力資源消耗，降低了生產(chǎn)成本。