一種門把手外觀無損檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

張 森

（西南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，重慶 400715）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)已經(jīng)步入了一個(gè)高度機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化的新時(shí)代，工廠車間對(duì)于人的依賴性正在逐步地減少，先進(jìn)的工業(yè)系統(tǒng)正在逐漸取代工廠中的工人。例如，以圖像處理為核心的機(jī)器視覺技術(shù)在產(chǎn)品的外觀檢測(cè)中扮演中十分重要的角色，機(jī)器視覺因其檢測(cè)速度快、精度高、噪聲低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用方便靈活且能夠長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作等特點(diǎn)，逐漸取代了人在產(chǎn)品外觀檢測(cè)中的位置。工業(yè)應(yīng)用［1-2］：基于機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)相關(guān)的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，有效地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

本文研制的是一種門把手外觀無損檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于檢測(cè)門把手表面的劃痕、污點(diǎn)、凹槽。然而由于光在物件表面的漫反射使得攝像頭在某些角度下采集到的圖像中并沒有劃痕、污點(diǎn)、凹槽等，這一現(xiàn)象對(duì)于細(xì)微的劃痕而言尤為明顯。因此，在固定攝像頭和光源的情況下，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)門把手的全方位檢測(cè)，門把手必須能夠?qū)崿F(xiàn)自轉(zhuǎn)，通過自轉(zhuǎn)改變物件表面同一點(diǎn)的光的反射角度，使得攝像頭最終能夠接收到來自于物件表面同一點(diǎn)的反射光［3］。機(jī)器視覺在自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用［4］，依據(jù)這一思想我們完成了能夠?qū)崿F(xiàn)流水線作業(yè)外觀無損檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由1條導(dǎo)軌、3個(gè)可移動(dòng)機(jī)械手、3個(gè)行程開關(guān)組、4個(gè)工業(yè)攝像頭以及2臺(tái)24V同軸光源、3條傳送帶、3個(gè)電機(jī)組、2個(gè)物件檢測(cè)平臺(tái)以及若干支架等組成。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

系統(tǒng)對(duì)于物件的檢測(cè)流程是從最右邊開始的，通過機(jī)械手1將被檢物件夾住，經(jīng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)使得機(jī)械手1在導(dǎo)軌上從左向右運(yùn)動(dòng)，待其到達(dá)指定位置后便停止運(yùn)動(dòng)；同時(shí)檢測(cè)平臺(tái)1的夾手將被檢物件夾住，之后機(jī)械手1釋放被檢物件并返回到右側(cè)傳送帶處等待下一個(gè)被檢物件。當(dāng)檢測(cè)平臺(tái)1夾住被檢物件之后，通過其底座內(nèi)部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)底盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使得被夾住的物件能夠自轉(zhuǎn)360°，與之同時(shí)，頂部和旁邊的攝像頭則對(duì)被檢物件進(jìn)行圖像采集并將采集數(shù)據(jù)送入上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，從而完成對(duì)被檢物件上半部分的檢測(cè)［5］。

待到物件的上半部分檢測(cè)結(jié)束之后，機(jī)械手2則從檢測(cè)平臺(tái)1將被檢物件取走，并將其送至檢測(cè)平臺(tái)2。檢測(cè)平臺(tái)2主要完成物件的下半部分檢測(cè)，其檢測(cè)過程以及系統(tǒng)硬件設(shè)備的運(yùn)行狀況與物件的上半部分檢測(cè)過程基本一致，因此將不再進(jìn)行贅述。當(dāng)檢測(cè)平臺(tái)2結(jié)束對(duì)物件的下半部分檢測(cè)之后，機(jī)械手3則從檢測(cè)平臺(tái)2上將被檢物件移走，同時(shí)根據(jù)上位機(jī)所發(fā)出的信號(hào)完成對(duì)物件的分揀，待到分揀結(jié)束之后，機(jī)械手3則移回到初始位置等待下一個(gè)物件。整個(gè)系統(tǒng)以這種方式運(yùn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)物件的流水線檢測(cè)。

圖2 系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制單元主要由圖像采集模塊、圖像處理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)微處理器、通信模塊、行程開關(guān)等構(gòu)成。

2.1 圖像采集模塊

其作用是對(duì)被檢物件進(jìn)行全方位、全角度的圖像采集，并將采集到的圖像信息存儲(chǔ)到硬盤中以待PC機(jī)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算處理。其主要是由4個(gè)PHC500H的工業(yè)相機(jī)和4個(gè)3MP0614C的工業(yè)鏡頭組合而成，和普通的攝像頭相比，其在分辨率、幀率、對(duì)光線的要求、曝光方式等都有高可比性，其中主要部件為CCD感光芯片，采集到的圖像清晰，無誤能夠很好地滿足系統(tǒng)的性能要求。

2.2 圖像處理模塊

其作用是處理采集到的圖像信息，并根據(jù)相關(guān)算法判斷出被檢物件是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢物件的檢測(cè)識(shí)別；同時(shí)根據(jù)物件的檢測(cè)識(shí)別信號(hào)向下位機(jī)發(fā)出指令，對(duì)被檢物件進(jìn)行分揀。圖像處理模塊工作流程：首先通過圖像的A/D轉(zhuǎn)換將攝像頭采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)送入可編程陣列（CPLD），最終將CPLD處理后的信號(hào)送入CPU進(jìn)行運(yùn)算處理［6-7］。待到CPU運(yùn)算處理結(jié)束之后，輸出信號(hào)則通過USB通信口送出至下位機(jī)，再經(jīng)過下位機(jī)的運(yùn)算處理，驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備工作完成對(duì)物件的分揀。

2.3 單片機(jī)微處理器

其作用為對(duì)整個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)，對(duì)采集的信號(hào)以及單片機(jī)之間傳送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行運(yùn)算處理。選用以ARM Cortex-M0為內(nèi)核32位微控制器。其內(nèi)核運(yùn)行頻率可達(dá)50MHZ，具有一個(gè)24位系統(tǒng)定時(shí)器，支持低功耗睡眠模式，同時(shí)嵌入向量中斷控制器NVIC支持32個(gè)中斷輸入，每一個(gè)中斷輸入有4個(gè)優(yōu)先級(jí)。硬件實(shí)現(xiàn)I2C，SPI接口，方便接存儲(chǔ)器；它具12位逐次逼近式模式轉(zhuǎn)換器ADC；由此可見，其功能強(qiáng)大、價(jià)格便宜，能夠很好地滿足控制要求。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

其作用為對(duì)微控制器的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。L298N芯片具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、發(fā)熱量低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此本系統(tǒng)采用以L298N作為主驅(qū)動(dòng)芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊不僅能夠驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，同時(shí)其使用的大容量電容、續(xù)流保護(hù)二極管很好地提高了系統(tǒng)的可靠性，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求［8］。

2.5 通信模塊

其作用主要體現(xiàn)在單片機(jī)與單片機(jī)之間或者單片機(jī)與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳送。通信模塊有兩組UART設(shè)備，具有可編程的波特率發(fā)生器，接收器和發(fā)生器都支持緩沖，均帶有15bytes的FIFO緩沖，通信協(xié)議采用RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)［9］。

2.6 行程開關(guān)

其主要作用為改變電路狀態(tài)、控制電機(jī)運(yùn)行，同時(shí)在本系統(tǒng)中其還起到了位置參考點(diǎn)的作用，用于確認(rèn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)位置。對(duì)于限位開關(guān)而言，當(dāng)物體接近它時(shí)，開關(guān)的連桿驅(qū)動(dòng)開關(guān)的節(jié)點(diǎn)引起閉合的節(jié)點(diǎn)分?jǐn)嗷蛘邤嚅_的節(jié)點(diǎn)閉合，通過開關(guān)節(jié)點(diǎn)的開合狀態(tài)控制電路和電機(jī)［10］。本系統(tǒng)使用的是型號(hào)為L(zhǎng)XJM1-8108的行程開關(guān)，其良好的機(jī)械性能和上百萬次的機(jī)械壽命能夠滿足系統(tǒng)的需求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究的是一種門把手外觀無損檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，事實(shí)上它也是一個(gè)自動(dòng)化的外觀檢測(cè)線。其有效解決了光在物件表面因發(fā)生漫反射而產(chǎn)生的漏檢問題，同時(shí)精巧的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得本系統(tǒng)真正做到了對(duì)門把手的全方位、全角度、高效率的檢測(cè)。

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