黃誠(chéng)壬

（廣東省機(jī)械技師學(xué)院，廣東廣州，510450）

0 引言

全自動(dòng)激光切管機(jī)，是實(shí)現(xiàn)上料、送料、切割、開(kāi)孔到最后分裝高自動(dòng)化的專(zhuān)業(yè)激光切管機(jī)，市場(chǎng)上常用的機(jī)型可對(duì)材料為標(biāo)準(zhǔn)6米長(zhǎng)的邊長(zhǎng)為20～200mm方管和直徑20～200mm的圓管或波紋管進(jìn)行切割或開(kāi)孔。

本文針對(duì)自動(dòng)化激光切管機(jī)在切割方管和波紋管時(shí)，出現(xiàn)定位偏差，需要人工較對(duì)的問(wèn)題，采用以樹(shù)莓派為控制主體的視覺(jué)識(shí)別進(jìn)行切割定位，實(shí)現(xiàn)全程無(wú)需要人工校對(duì)自動(dòng)切割大口徑方管和波紋管功能?，F(xiàn)從設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、調(diào)試方面作介紹。

1 設(shè)計(jì)方案

■1.1 全自動(dòng)切管機(jī)切割定位采用視覺(jué)識(shí)別的必要性

全自動(dòng)切管機(jī)實(shí)現(xiàn)了從上料到切割或打孔全過(guò)程自動(dòng)化，自動(dòng)化高，減少了人工成本，大大提高了生產(chǎn)效率，滿(mǎn)足大部分切管客戶(hù)的需求。但是在切割方管時(shí)，自動(dòng)上料會(huì)出現(xiàn)方管被傾斜抓取的情況。特別是大口徑方管在重力作用下出現(xiàn)傾斜抓取的概率大大增加。始切割如果落在直角邊緣，由于激光切割系統(tǒng)Z軸的跟隨系統(tǒng)檢測(cè)誤差和響應(yīng)時(shí)間的綜合作用，原點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)較大的首切割毛刺。

全自動(dòng)切管機(jī)不適合切割像波紋管之類(lèi)的特殊管材。因?yàn)榇祟?lèi)特殊管材為特殊面，凸凹無(wú)規(guī)律性，始切割如果落在凸凹邊緣，由于激光切割系統(tǒng)Z軸的跟隨系統(tǒng)檢測(cè)誤差和響應(yīng)時(shí)間的綜合作用，原點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)較大的首切割毛刺。

這些首切割毛刺，在一些切割要求不高的情況下，是可以接受的，但在切割要求較高的情況下，客戶(hù)是無(wú)法接受的。特別是精密打孔或精密拼裝原材料加工應(yīng)用方面，是無(wú)法接受的。所以在這個(gè)環(huán)節(jié)必須采用人工較對(duì)。也就是自動(dòng)送料到激光頭處準(zhǔn)備切割前，需要人工檢查，是否出現(xiàn)方管被傾斜抓取的情況，波紋管類(lèi)特殊管材就要避免原點(diǎn)落在凸凹邊緣處。所以說(shuō)全自動(dòng)切管機(jī)實(shí)現(xiàn)了從上料到簡(jiǎn)單分裝自動(dòng)化，但中間環(huán)節(jié)還需要人工檢查，并不是真正的全自動(dòng)化設(shè)備。誤切割率和工作效率都需要進(jìn)一步提升。

所以很多公司目前的做法是減少全自動(dòng)切管機(jī)切割對(duì)象適用范圍，如方管的邊長(zhǎng)控制在6米長(zhǎng)的邊長(zhǎng)為20—200mm。波紋管類(lèi)特殊管材因?yàn)槿斯z查，校對(duì)次數(shù)多，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，取消波紋管類(lèi)特殊管材切割或打孔功能。但隨著市場(chǎng)的發(fā)展，客戶(hù)提出更高的要求，要求設(shè)備切割效果更佳，切割范圍更廣。其中是對(duì)擴(kuò)大方形管切割邊長(zhǎng)，以及對(duì)特殊形狀管形的切割的需求呼聲最高。

■1.2 樹(shù)莓派視覺(jué)識(shí)別設(shè)計(jì)方案的確定

經(jīng)過(guò)多方面改進(jìn)方案的嘗試，都無(wú)法解決大口徑方管和波紋管特殊管材的切割或打孔問(wèn)題。實(shí)際上，無(wú)論是改變機(jī)械結(jié)構(gòu)或加入各種測(cè)量線路，都比較難解決無(wú)規(guī)律管形的切割或打孔問(wèn)題。所以公司決定采用視覺(jué)識(shí)別方案。

視覺(jué)識(shí)別方案，采用視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控切割管形，通過(guò)視覺(jué)對(duì)比，反饋調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。無(wú)論是被傾斜抓取的方管，還是無(wú)規(guī)律的特殊管材，都可以通過(guò)視覺(jué)識(shí)別找到最合適的切割原點(diǎn)，從而避免定位誤差造成的切割毛刺。全程無(wú)需人工較正，滿(mǎn)足客戶(hù)高精度切割要求。

目前的視覺(jué)識(shí)別實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，有二維的，有三維的，有集成度很高的工業(yè)視覺(jué)識(shí)別相機(jī)，有基于工業(yè)電腦運(yùn)算速度極快的動(dòng)態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，更有可以定制的軟件和硬件識(shí)別組件。不同的識(shí)別對(duì)象，不同的識(shí)別對(duì)象數(shù)量，不同的速度要求，不同的精度要求，對(duì)應(yīng)著不同的價(jià)格，從幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)不等。

這里的識(shí)別對(duì)象只需要在切割前根據(jù)切割要求進(jìn)行原點(diǎn)二次校正，也就是無(wú)需要全程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)視覺(jué)識(shí)別，只需要進(jìn)行若干組或若干次圖片比較。速度由于識(shí)別對(duì)象單一，只需要達(dá)到毫秒級(jí)，甚至幾秒級(jí)都可以接受。識(shí)別精度方面，只需進(jìn)行大口徑管材的定位，也就是大物件的形狀識(shí)別級(jí)別。綜合考慮識(shí)別對(duì)象、速度、精度和價(jià)格，我們決定采用基于樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)來(lái)解決全自動(dòng)切管機(jī)方管和波紋管智能定位問(wèn)題。樹(shù)莓派，Raspberry Pi系統(tǒng)基于Linux，為開(kāi)源系統(tǒng)。比較單片機(jī)，樹(shù)莓派具有更友好的識(shí)別模塊開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)周期短，運(yùn)行速度快，運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。比較基于工業(yè)電腦的識(shí)別系統(tǒng)，樹(shù)莓派具有超低的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，超方便的安裝優(yōu)勢(shì)，無(wú)需額外增加電腦，更方便跟激光切割系統(tǒng)進(jìn)行通信。所以基于樹(shù)莓派的識(shí)別系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短，硬件成本低，安裝方便，運(yùn)行穩(wěn)定，后期維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。圖1為樹(shù)莓派視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)方框圖。

圖1 樹(shù)莓派視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)方框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 樹(shù)莓派硬件資源

根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行速度以及識(shí)別要求，只要采用市場(chǎng)上樹(shù)莓派2B+以上型號(hào)就可以滿(mǎn)足。硬件的設(shè)計(jì)主要落在接口外圍線路上。

■2.2 外圍、通信線路設(shè)計(jì)

圖1是樹(shù)莓派視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)方框圖所示，需要根據(jù)樹(shù)莓派的接口、激光切割系統(tǒng)以及自動(dòng)上料系統(tǒng)進(jìn)行外圍線路、通信端口線路硬件設(shè)計(jì)以及原理圖和PCB圖繪制，如圖2是制作好的外圍通信板和樹(shù)莓派實(shí)物圖。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制流程圖，如圖3所示。

■3.1 樹(shù)莓派視覺(jué)識(shí)別程序

在樹(shù)莓派上安裝Open CV,通過(guò)調(diào)用識(shí)別模塊進(jìn)行組合、優(yōu)化以及閥值的設(shè)置是樹(shù)莓派視覺(jué)識(shí)別程序的主要內(nèi)容。

■3.2 上位機(jī)軟件識(shí)別采樣

上位機(jī)軟件是在開(kāi)源樹(shù)莓派通信測(cè)試軟件基礎(chǔ)上通過(guò)更改通信端口和設(shè)置參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？梢赃M(jìn)行32組視覺(jué)識(shí)別設(shè)置以及采樣。這里主要對(duì)傾斜被抓取方放和像波紋類(lèi)特殊管材進(jìn)行多次圖片采樣，以及設(shè)置閥值。組成了兩組比對(duì)圖片。分別是第1組，專(zhuān)門(mén)對(duì)比方管是否被傾斜抓取;第二組，原點(diǎn)是否落在凸凹面。這里借用了激光切割機(jī)器上激光頭用于數(shù)控系統(tǒng)原點(diǎn)校對(duì)的紅光，用于輔助識(shí)別，大大減少了視覺(jué)識(shí)別的對(duì)校次數(shù)。

圖2 識(shí)圖 外圍、通信線路實(shí)物板（左）和樹(shù)莓派板

如圖4所示，采樣為激光頭落在邊緣或凸凹面上，則拍攝圖片，如圖4左圖所示，樹(shù)莓派輸出Pass。其它情況都輸出Fail.如圖4右圖所示。

4 安裝調(diào)試

■4.1 單機(jī)調(diào)試

首先是獨(dú)立給任意管料進(jìn)行識(shí)別測(cè)試，然后直接給人工送料，并按照傾斜放料，對(duì)準(zhǔn)凸凹面放料。用按鈕來(lái)代替通信信號(hào)。先在上位機(jī)上參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行單機(jī)調(diào)試。調(diào)試結(jié)束后，無(wú)論是精度、速度還有識(shí)別正確率都達(dá)到滿(mǎn)意效果。特別要提醒，識(shí)別區(qū)域的設(shè)置尤為重要，設(shè)置過(guò)大，Pass率低，設(shè)置小，又受到識(shí)別精度的制約，需要反反復(fù)復(fù)調(diào)試，才能達(dá)到滿(mǎn)意效果。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

圖4 與采樣圖形比較界面圖

■4.2 運(yùn)行測(cè)試

運(yùn)行測(cè)試，主要測(cè)試整機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。主要分三種情況，一種是普通管材切割運(yùn)行測(cè)試；一種是大混合口徑方形管材切割，一種是波紋管類(lèi)特殊管材切割。為了讓方形管材高頻出現(xiàn)傾斜抓取的情況，需要對(duì)自動(dòng)送料系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)作人為改變。經(jīng)過(guò)各種形狀和不同尺寸材料的測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，誤差在接受范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)全自動(dòng)切管機(jī)方管和波紋管智能定位改造,達(dá)到從送料到切割結(jié)束全程自動(dòng)化，無(wú)需人工校對(duì)的效果。特別是擴(kuò)大了切割管材的適用范圍：材料為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為6米，邊長(zhǎng)為20—200mm方管和直徑20—200mm的圓管提升為材料為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為6米，邊長(zhǎng)為20—800mm方管和直徑20—200mm的圓管和波紋管。甚至對(duì)無(wú)規(guī)則大角度凸凹面的直徑20—200mm特殊圓管材的切割也達(dá)到了無(wú)表面毛刺，低誤切割的要求。