沈正華,黃金梭,仇文奎

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325035)

0 引言

微動開關(guān)是具有速動機構(gòu)及微小觸點間隙的精密機械電氣開關(guān)[1]。在過去，通常使用自動化設(shè)備實現(xiàn)對微動開關(guān)正反兩面、按鈕及引腳側(cè)面等最多四面的外觀質(zhì)量進行檢測，或通過人工作業(yè)方式檢測其余表面外觀。現(xiàn)在，激烈的市場競爭不斷對產(chǎn)品質(zhì)量、特別是對外觀提出了更高的要求，加之人工檢測作業(yè)的缺點較多，尤其是人工主觀不一致性、效率低等問題，給企業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)，企業(yè)急需要實現(xiàn)產(chǎn)品六面外觀檢測作業(yè)的自動化技術(shù)。

機器視覺技術(shù)的應(yīng)用為制造業(yè)自動化注入了新的生命力，解決了不同行業(yè)、各種外觀檢測問題。例如，應(yīng)用機器視覺技術(shù)引導(dǎo)機器人裝配[2]、檢測微動開關(guān)兩面外觀[3]、測量堅果尺寸[4]、在線檢測產(chǎn)品位置[5]、提高變電站環(huán)境中儀表指針的檢測精度與速度[6]、檢測鋰電池正負極冗余度缺陷[7]、智能分級金絲皇菊[8]、檢測激光清洗后的鋼材銹蝕表面質(zhì)量[9]、檢測發(fā)動機轉(zhuǎn)子缺陷[10]

為了解決微動開關(guān)六面外觀檢測與篩選的自動化作業(yè)問題，通過集成應(yīng)用機器視覺、機械設(shè)計、自動化控制等多學(xué)科交叉技術(shù)，該文設(shè)計了一種基于機器視覺的微動開關(guān)六面外觀檢測與分揀系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全方位地檢測微動開關(guān)等產(chǎn)品的六面外觀質(zhì)量，并剔除不合格品，全過程無需人為干預(yù)，自動化程度高。

1 系統(tǒng)整體方案與高速機械臂設(shè)計

為了便于檢測產(chǎn)品6個表面的外觀及實現(xiàn)分揀自動化，設(shè)計出如圖1所示的整體方案，工藝流程如下：首先，待檢產(chǎn)品從振動盤送入1號帶，到達末端后，由1號搬運機械手往一檢平臺搬運。途中，通過1號相機檢測產(chǎn)品的后視圖外觀，不合格品被扔入第1不良品收集區(qū)，合格品被放置在一檢平臺上；在1號搬運機械手返回途中，通過2號相機檢測一檢平臺上產(chǎn)品的俯視圖外觀；從第2個產(chǎn)品開始，2號與1號搬運機械手同步動作，將一檢平臺上的產(chǎn)品往2號輸送帶入口搬運，也在途中通過3號相機檢測產(chǎn)品的主視圖外觀，若被2號、3號相機判定為不合格，則被扔入第2不良品收集區(qū)；否則，合格品被放置在2號帶入口，隨帶到達末端，由3號搬運機械手往二檢平臺搬運，途中通過4號和5號相機分別檢測產(chǎn)品的右視圖和仰視圖外觀，二檢平臺上的產(chǎn)品再由4號搬運機械手往3號帶入口搬運，途中，通過6號相機檢測產(chǎn)品的后視圖外觀，若4#、5#、6#相機中有不合格判定，則直接扔入第3不良品收集區(qū)。否則，六面外觀都合格的產(chǎn)品被放入3號帶入口，送出至下一工位。

在上述自動化檢測方案中，各個部位效率測算如下：

(1)產(chǎn)品尺寸約為(20*19*7)mm(如圖2所示)，振動盤實測供料速度約為130個/分；

(2)輸送帶額定設(shè)計線速度約為200個/分；

(3)實測六面中最慢的視覺檢測速度約為200 ms/次；

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

由此可見，整套方案的檢測效率取決于振動盤和搬運機械臂中的最慢速度。為了最大限度提升機械臂動作速度，設(shè)計了如圖2所示的高速單驅(qū)動XY耦合平移機械臂。4套機械臂結(jié)構(gòu)相同。

圖2 高速平移機械臂設(shè)計原理圖

該機械臂由伺服電機、擺動曲柄、移動垂臂、十字滑塊、導(dǎo)軌、氣動抓手等零部件構(gòu)成。首先，伺服電機帶動擺動曲柄左右高速擺動，擺動曲柄末端與移動垂臂頂端通過轉(zhuǎn)動副鏈接，垂臂通過移動副與十字滑塊鏈接，十字滑塊通過移動副與導(dǎo)軌鏈接，導(dǎo)軌固定不動。氣動抓手固定地鏈接在移動垂臂末端，用以抓放產(chǎn)品。

機械臂運動周期T計算如下：

T=t1+t2+t3

(1)

其中，伺服電機以100 ms 加速到50轉(zhuǎn)/秒的轉(zhuǎn)速、經(jīng)3:1減速后驅(qū)動擺動曲柄，電機的速度-時間曲線圖如圖3所示。曲柄從抓取位到拍照位，電機位移為270°，所需時間為t1ms，約為27.4 ms；從拍照位到放置位，電機位移為270°，所需時間為t2ms，約為27.4 ms；從放置位回到抓取位，電機位移為540°，所需時間為t3，約為38.7 ms；數(shù)值全部代入式2，得到機械臂一個運動周期T約93.5 ms。

圖3 伺服電機速度-時間周期曲線圖

綜上所述，以亞德客HFK平行氣爪3次/秒的動作頻率計算，每完成一個產(chǎn)品的搬運、外觀檢測所需總周期約為726.5 ms。即，本方案的理論檢測效率約為95個/分鐘。

2 視覺檢測單元設(shè)計

2.1 視覺參數(shù)計算與選型

2號相機檢測面尺寸為20*19 mm，為左右區(qū)域留取適當(dāng)檢測空間，故設(shè)計相機視野大小為46*25 mm(15:8)。該視野大小同樣可兼顧剩余5個方向視圖檢測要求。相機分辨率Rv計算如下：

Rv=22.5/Pymm/Pixel

(2)

其中，Py表示相機y方向的像素。

若將圖像輪廓的清晰度調(diào)為4 Pixel，則相機檢測精度Pr計算如下：

Pr=Rv*4

(3)

綜上所述，為了實現(xiàn)0.1 mm的檢測精度，相機y方向的像素Py至少為900以上。因此，選擇200萬像素的相機(即2040*1088 Pixel)，為了能識別彩色圖像信息以及高速讀取圖像信息，最終選擇歐姆龍FH-SC02型號的全局快門高速相機[11-12]。

為了能獲得至少25 mm的成像視野，需要為相機安裝適當(dāng)焦距及成像距離的鏡頭，如圖4所示。根據(jù)光學(xué)圖表可知[11-12]，安裝距離為200 mm、焦距為35 mm，配套5 mm延伸管，能夠滿足以上視野大小的要求，所選鏡頭型號為歐姆龍VS3514H1。

為了能夠檢測微動開關(guān)的6個表面外觀及考慮性價比，最終選擇具有1托6功能的高速圖像處理控制器，型號為歐姆龍FH2050-20[11-12]。

由于需要檢測微動開關(guān)的彩色圖像，根據(jù)最后的測試效果，選擇30°照射角度、白色環(huán)形光源，型號為東莞奧普特RI9030-W。

圖4 光學(xué)參數(shù)關(guān)系示意圖

2.2 視覺相機與光源安裝設(shè)計

圖5 1～3號相機安裝三維設(shè)計圖

圖6 4～6號相機安裝三維設(shè)計圖

為了實現(xiàn)圖1所示的視覺檢測總體布局，設(shè)計了圖5和圖6所示的六面視圖外觀檢測相機與光源的安裝機構(gòu)。圖中，每套視覺檢測裝置都有1套環(huán)形光源位于相機與檢測物之間。每套視覺安裝機構(gòu)均有XYZ平移調(diào)整與角度調(diào)整裝置。XYZ平移調(diào)整裝置用于調(diào)整相機拍攝視野位置以及安裝距離，由3根鋁型材及連接塊構(gòu)成；角度調(diào)整裝置用于補償安裝時的角度誤差，減少圖像拍攝時的梯形失真，主要由基礎(chǔ)框架、外框架、里框架及連接件構(gòu)成，如圖7所示。通過旋轉(zhuǎn)上下兩個螺釘，使得外框架帶著里框架與相機繞基礎(chǔ)框架作X軸旋轉(zhuǎn)，以及里框架帶著相機繞外框架作Y軸旋轉(zhuǎn)。

圖7 相機角度調(diào)整裝置三維設(shè)計圖

2.3 視覺檢測程序設(shè)計

通過上述6套視覺檢測單元，采集到了微動開關(guān)的6個表面外觀圖像，如圖8所示。六面外觀圖像檢測的主要內(nèi)容有：盒蓋縫隙大小檢測、引腳寬度檢測、引腳歪斜與漏裝檢測、孔邊緣破損檢測、按鈕子漏裝與高度檢測等。

圖8 微動開關(guān)六面圖像采集原圖

(1)視覺檢測工作流程的設(shè)計。

為了實現(xiàn)上述檢測目的，設(shè)計了視覺檢測的基本工作流程，如圖9所示。該流程主要由三大部分組成，分別為圖像采集與處理、圖像檢測與判斷、結(jié)果輸出。具體工作如下：當(dāng)外部信號觸發(fā)視覺圖像處理控制器后，開始采集檢測圖像，對檢測圖像進行預(yù)處理，在檢測圖像中搜索模型圖像的登入形狀(形狀搜索)，平移及旋轉(zhuǎn)檢測圖像(位置修正)，使檢測圖像中搜到的形狀輪廓與模型圖像中登入的形狀輪廓重合，檢測邊緣點位置(掃描邊緣位置)，檢測區(qū)域顏色(面積重心)，計算目標(biāo)部位幾何尺寸(圓、直線檢測與計算)，判斷幾何尺寸、顏色、破損等檢測值是否合格(單元宏計算)，通過并行口輸出合格/不合格信息(并行判斷輸出)。

圖9 視覺檢測工作流程

(2)圖像背景處理

為了凸顯在白色背景下產(chǎn)品邊緣的輪廓，消除背景中的局部噪點圖像，為后續(xù)邊緣點提取處理減少無關(guān)數(shù)據(jù)干擾，因此需要對采集到的圖像進行背景消除預(yù)處理。

由于采集到的產(chǎn)品圖像為暗色，亮度較低，背景為鋁合金白色，亮度較高，背景中局部噪點圖像亮度略顯暗淡，因此，背景消除處理的基本方法是通過設(shè)定亮度閾值，將范圍外的部分作為背景去除；同時，保留圖像的色調(diào)和飽和度，提高圖像的對比度，背景消除的效果如圖10所示。

圖10 背景消除處理效果圖

(3)邊緣搜索

圖11 邊緣搜索結(jié)果

按照上述方法，搜索按鈕最高邊緣點和塑料盒任意y位置上的兩個邊緣點位置，便可求得按鈕有無以及高度數(shù)值，如圖12所示。

圖12 按鈕高度測量

按照上述方法，能夠檢測出微動開關(guān)的其他諸多幾何尺寸，并判斷是否合格。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

考慮到穩(wěn)定性和性價比，選用臺達DVP-ES2-T型號的PLC作為下位機中央控制器，對3條輸送帶、4套機械臂和6套相機的IO信號實施邏輯控制。鑒于篇幅所限，本文僅對1、2號機械臂與1、2、3號視覺相機配合工作(即一檢單元)的控制流程作詳細介紹，控制流程圖如圖13所示，二檢單元的控制流程與一檢單元類似。

系統(tǒng)進入自動運行模式以后，首先執(zhí)行初始化程序，包括信號初始化、張開抓手即機械臂動作初始化。1、2號機械臂同時到達拍照位，在這個過程中，如果一檢平臺檢測有料，啟動1號機械臂伺服驅(qū)動器中的位置觸發(fā)功能，即：當(dāng)1號機械臂離開一檢平臺上空時，PLC觸發(fā)2號相機拍照檢測。等待1#輸送帶末端或一檢平臺的傳感器檢測有料時，啟動1號或2號或2個機械臂到達抓取位，閉合抓手，啟動1號或2號或兩個機械臂到達拍照位。對于1號機械臂，觸發(fā)1號相機拍照后；若不合格，則1號抓手張開；若合格，而一檢平臺有料，1號機械臂無法放置當(dāng)前抓手上的合格產(chǎn)品，則報警。對于2號機械臂，若2號相機不合格，或觸發(fā)3號相機后檢測不合格，則2號抓手張開；若合格，而2號帶入口有料，2號機械臂無法放置當(dāng)前抓手上的合格品，則報警。檢驗合格后，1、2號機械臂中凡是抓手閉合的，就到達放置位，張開對應(yīng)抓手。

到此，一個工作循環(huán)結(jié)束，控制流程返回至初始化的下一步，如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)進行。

4 系統(tǒng)測試

在上述系統(tǒng)性設(shè)計過程中，機械臂結(jié)構(gòu)的運動性能、自動化控制邏輯的容錯能力、視覺檢測程序的準(zhǔn)確率都需要在實際應(yīng)用中經(jīng)歷不斷測試與改進。為了驗證上述機械、控制與視覺設(shè)計方法的科學(xué)性，設(shè)計并制作了如圖14所示的六面外觀檢測分揀機。

該樣機先后在研發(fā)實驗室和溫州樂清某微動開關(guān)制造企業(yè)合計實際運行1年多時間，應(yīng)用結(jié)果顯示出了很好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，極大地提高了企業(yè)出廠產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。

5 結(jié)語

該文集成應(yīng)用了機械設(shè)計、機器視覺和電氣自動化控制等多學(xué)科交叉技術(shù)，設(shè)計并研制出了一套外觀檢測自動化系統(tǒng)，可直接用于檢測微動開關(guān)產(chǎn)品的六面外觀質(zhì)量，并篩選出不合格品，全過程無需人為干預(yù)，自動化程度高?；谠撐牡脑O(shè)計方法，經(jīng)過簡單改造輸送帶和抓手夾具，也能夠用來檢測篩選其他產(chǎn)品的外觀。該系統(tǒng)解決了原來人工檢測作業(yè)的諸多痛點問題，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

圖13 一檢單元控制流程圖

圖14 外觀分揀機的設(shè)備實物