貫流風(fēng)葉焊接機(jī)視覺定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

劉 薇

(佛山市順德工業(yè)與信息技術(shù)研究中心有限公司，順德 528300)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)扇葉焊接企業(yè)基本采用人工操作超聲波焊接機(jī)，需要通過人眼識(shí)別定位缺口來將風(fēng)葉固定到位，然后啟動(dòng)焊接機(jī)進(jìn)行焊接。這些工作靠人工完成存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、定位精度低、產(chǎn)品合格率低等問題。焊接機(jī)數(shù)字化是現(xiàn)代焊接發(fā)展的必由之路[1]，但在如何實(shí)現(xiàn)貫流風(fēng)葉超聲波焊接自動(dòng)化上，國(guó)內(nèi)仍處于空白，被視為難以攻破的關(guān)鍵技術(shù)難題。為了滿足焊接機(jī)自動(dòng)檢測(cè)的需求，視覺檢測(cè)作為一種非接觸式的檢測(cè)技術(shù)被應(yīng)用于貫流風(fēng)葉焊接機(jī)中。

1 系統(tǒng)組成與功能

貫流風(fēng)葉焊接機(jī)主要由超聲波發(fā)生器、模具、電氣系統(tǒng)組成。電氣系統(tǒng)是開環(huán)控制，由PLC輸出脈沖串，控制電機(jī)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。

視覺系統(tǒng)硬件主要包括相機(jī)組、光源、光源控制器、工控機(jī)等。相機(jī)組由相機(jī)和鏡頭組成，主要完成采集圖像功能。根據(jù)焊機(jī)工藝要求，本系統(tǒng)采用兩套相機(jī)組，中節(jié)和產(chǎn)品分別對(duì)應(yīng)一組。本系統(tǒng)中被檢測(cè)風(fēng)葉半徑47mm，運(yùn)動(dòng)速度8圈/分鐘，精度要求為0.5mm，視場(chǎng)大小為400mm×300mm，選用130萬像素相機(jī)，采用8mm的鏡頭，光源采用白色環(huán)形光源，通過GIGE千兆網(wǎng)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸，在VC6.0環(huán)境中基于MIL9視覺軟件開發(fā)庫(kù)進(jìn)行軟件開發(fā)。系統(tǒng)組成如圖1所示。該系統(tǒng)用戶操作界面如圖2所示，主要功能模塊包括操作功能模塊、模板操作功能模塊及顯示功能模塊。

圖1 系統(tǒng)組成

圖2 用戶操作界面

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 工作流程

焊接機(jī)分為上下兩個(gè)工位，端蓋、產(chǎn)品、中節(jié)三種不同的被檢測(cè)對(duì)象。兩組相機(jī)工作流程完全相同，以單個(gè)相機(jī)組工作流程為例其流程圖如圖3所示。

2.2 雙相機(jī)實(shí)時(shí)圖像采集

2.2.1 圖像采集實(shí)現(xiàn)

1)利用Pylon相機(jī)提供的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像采集功能，系統(tǒng)中兩個(gè)相機(jī)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)圖像采集線程，在系統(tǒng)初始化時(shí)將兩個(gè)線程掛起

m_pImageProcessThread0->ResumeThread();

m_pImageProcessThread1->ResumeThread();

圖3 流程圖

2）當(dāng)啟動(dòng)連續(xù)采集功能時(shí)則注冊(cè)線程并啟動(dòng)線程

SetEvent(m_hLiveDispThreadOn0);SetEvent(m_hLiveDispThreadOn1);

3）在GrabImag0()和函數(shù)GrabImage1()中分別調(diào)用Pylon的采集函數(shù)PylonStreamGrabberQueueBuffer（），實(shí)現(xiàn)圖像采集。

2.2.2 多線程同步

為解決圖像采集與處理之間同步的問題，本文采用多線程同步技術(shù)，軟件中設(shè)置四個(gè)變量IfFind、IfGrab和IfFind2、IfGrab2，分別用于上相機(jī)和下相機(jī)線程同步。以上相機(jī)系統(tǒng)為例闡述同步原理：在圖像采集函數(shù)中只有當(dāng)IfFind=true時(shí)才將顯示緩存區(qū)中的圖像數(shù)據(jù)拷入處理緩存區(qū)中，如果IfFind=flase則只采集圖像并不處理圖像。在模板匹配函數(shù)中，只有當(dāng)IfGrab =true即圖像已經(jīng)采集完畢了，才進(jìn)行模板匹配。

2.3 多模板匹配

2.3.1 參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行模板匹配之前，需要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置來優(yōu)化模板匹配算法，主要參數(shù)如下[3]：

1)MIL顯示設(shè)置

MdispControl(MilDisplay1,M_OVERLAY_CLEAR, M_DEFAULT);

2)設(shè)置尋找模板的區(qū)域，提高效率

MpatSetPosition(ModelUp[i],0,110,710,100);3)設(shè)置模板匹配的匹配率

MpatSetAcceptance(ModelUp[i], 58);

4)設(shè)置模板匹配精度

MpatSetAccuracy(ModelUp[i],M_MEDIUM );5)設(shè)置模板匹配速度MpatSetSpeed(ModelUp[i],M_VERY_HIGH);6)用于模板匹配函數(shù)前和參數(shù)設(shè)置后，可整體優(yōu)化模板匹配函數(shù)

MpatPreprocModel(MilImage1,ModelUp[i], M_DEFAULT);

2.3.2 多模板匹配

由于被檢測(cè)物體是圓柱體的側(cè)面，因此在視場(chǎng)范圍內(nèi)會(huì)有光照不均勻現(xiàn)象，不能用一個(gè)模板來匹配整個(gè)區(qū)域，因此需要采用多模板匹配技術(shù)，MIL9提供了多模板匹配函數(shù)，但是此函數(shù)具有局限性，其要求每個(gè)模板的大小必須一致，在實(shí)際建模中很難做到這點(diǎn)，因此本文采用了另外一種多模板匹配實(shí)現(xiàn)方法。從第一個(gè)模板到第N個(gè)模板，進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，遇到第一個(gè)匹配成功的模板則終止匹配，并顯示模板匹配結(jié)果。這樣不但解決了多模板匹配的問題，也能提高模板匹配的整體效率。

2.3.3 效率提升和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

采用Pylon提供的函數(shù)，利用摳圖技術(shù)，將采集圖像的大小設(shè)置為640×480，這種方法既不損失精度又能提高圖像處理的速度。在相同條件下，模版匹配速度由130ms～150ms縮短到50ms～ 70ms。

模板匹配后獲得的數(shù)據(jù)是以像素為單位，需要經(jīng)過標(biāo)定轉(zhuǎn)化為以毫米為單位的實(shí)際長(zhǎng)度；標(biāo)定后的數(shù)據(jù)為十進(jìn)制，通過調(diào)用DecToHex()函數(shù)將其轉(zhuǎn)化為串口通訊所需的十六進(jìn)制。

2.4 與下位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互

本系統(tǒng)利用微軟提供的串口編程控件MSComm實(shí)現(xiàn)串口通信[4]。

2.4.1 串口初始化

在串口初始化函數(shù)中，對(duì)MSComm控件的屬性進(jìn)行設(shè)置[5]

1)選擇COM2：SetCommPort(2);

2)接收緩沖區(qū)：SetInBufferSize(1024);

3)發(fā)送緩沖區(qū)： SetOutBufferSize(1024);

4)設(shè)置當(dāng)前接收區(qū)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0,表示全部讀取：SetInputLen(0);

5)接收緩沖區(qū)有10個(gè)及10個(gè)以上字符時(shí)，將引發(fā)接收數(shù)據(jù)的OnComm事件： SetRThreshold(9);

6)波特率115200無檢驗(yàn)位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，偶校驗(yàn)，1個(gè)停止位：

SetSettings("115200,o,8,1");2.4.2 串口讀寫數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)

通過OnComm事件來捕捉并檢查通信事件，但是這種機(jī)制存在缺點(diǎn)，不論讀還是寫信號(hào)都會(huì)做出響應(yīng)，為區(qū)分讀與寫的信號(hào)，在軟件中設(shè)定如果檢測(cè)到第4位字符為“R”，則判定是讀信號(hào)的反饋數(shù)據(jù)；如果檢測(cè)到第4位字符為“W”，則判定是寫信號(hào)的反饋數(shù)據(jù)。設(shè)定信號(hào)中的6，7，8，9位分別對(duì)應(yīng)上相機(jī)的連拍，上相機(jī)重拍，下相機(jī)連拍，下相機(jī)重拍四個(gè)信號(hào)，當(dāng)判定為讀信號(hào)的反饋數(shù)據(jù)后才對(duì)6到9位數(shù)據(jù)進(jìn)行分解。系統(tǒng)通過判斷這四位的狀態(tài)來控制整個(gè)圖像處理流程。

本系統(tǒng)采用松下FP系列PLC,所有的數(shù)據(jù)必須按照松下專用通訊協(xié)議MEWTOCOL來實(shí)現(xiàn)，主要用到的命令格式有：讀取多觸點(diǎn)狀態(tài)RCP、寫入多觸點(diǎn)狀態(tài)WCP、寫入單觸點(diǎn)狀態(tài)WCS、數(shù)據(jù)寫入PLC控制器WD[6]。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)被測(cè)缺口在不同位置出現(xiàn)時(shí)，本系統(tǒng)都能夠快速精確的在可視區(qū)域內(nèi)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別并返回角度偏差值，定位結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 上相機(jī)檢測(cè)結(jié)果

圖5 下相機(jī)檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

視覺系統(tǒng)應(yīng)用于焊接機(jī)后，檢測(cè)精度小于0.5mm，產(chǎn)能提高5%，產(chǎn)品合格率提高了1.5%，每6秒焊接一個(gè)中節(jié)，合格率超過99%，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，最大程度上降低對(duì)人員身體健康的損害，項(xiàng)目技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值和生產(chǎn)推廣價(jià)值。

[1] 劉皓春, 黃偉, 楊敏, 等. 單片機(jī)控制的超聲波焊接機(jī)研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006(7): 121-124.

[2] 鐘雪盼. 貫流風(fēng)葉超聲波焊接機(jī)伺服定位系統(tǒng)改造[J].機(jī)電信息, 2010(6): 106-108.

[3] 徐珂, 朱煜. 一種在線檢測(cè)實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用2009, 18(4): 7-10.

[4] 龔建偉, 熊光明. Visual C+/Turbo C 串口通信編程實(shí)踐[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.

[5] 章輝, 葉建芳, 葉建威. 基于MSComm 控件串口通信的實(shí)現(xiàn)[J]. 電子測(cè)量技術(shù), 2011, 34(8): 126-129.

[6] 姚健, 宋志兵, 等. 計(jì)算機(jī)與松下PLC之間通訊接口軟件設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2002, 18(3): 47-48.