基于PLC與機(jī)器視覺的自動(dòng)物料分揀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

惠州城市職業(yè)學(xué)院 吳仁君

基于PLC與機(jī)器視覺的自動(dòng)物料分揀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

惠州城市職業(yè)學(xué)院 吳仁君

本文介紹了以三菱FX3U系列PLC為基礎(chǔ),研究并構(gòu)建了一套基于機(jī)器視覺的自動(dòng)物料分揀系統(tǒng).本系統(tǒng)由機(jī)械本體、控制器、變頻器、伺服與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、光電傳感裝置、視覺系統(tǒng)、氣動(dòng)機(jī)械手、立體倉(cāng)庫(kù)、人機(jī)界面以及軟件組成.實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、可在三維空間完成各類動(dòng)作的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備.該系統(tǒng)通過電感傳感器先檢測(cè)金屬,通過光電傳感器檢測(cè)顏色,最后通過機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測(cè)是否加工合格,得出目標(biāo)數(shù)據(jù),最終控制機(jī)器手實(shí)現(xiàn)分揀動(dòng)作,完成立體倉(cāng)庫(kù)的入庫(kù)動(dòng)作.

PLC;機(jī)器視覺;自動(dòng)分揀

視覺傳感器是整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)信息的來源,主要由相機(jī)、光源、控制器組成.在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中,很多企業(yè)為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的效率,對(duì)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造升級(jí).傳統(tǒng)的檢測(cè)線主要是由人工來完成.這種類型控制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單,實(shí)用,但是其缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí),費(fèi)力,且容易發(fā)生安全事故[1].特別是在一些特殊的環(huán)境,可能對(duì)人體健康帶來危害,用機(jī)器代替人工,不但省力省時(shí),而且能達(dá)到更高的精度.PLC與機(jī)器視覺的結(jié)合,讓檢測(cè)變得更加簡(jiǎn)單.本文將機(jī)器視覺等傳感器應(yīng)用于PLC控制系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)檢測(cè),對(duì)工業(yè)應(yīng)用有一定的借鑒作用.

1.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由六個(gè)單元組成:PLC控制總站、供料單元站、傳送單元站、檢測(cè)單元站、機(jī)械手搬運(yùn)單元站、立體倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)單元站,是一個(gè)柔性的檢測(cè)分揀系統(tǒng).所有的工作站均安裝在合金導(dǎo)軌式臺(tái)面上,本設(shè)計(jì)中,執(zhí)行單元采用氣源、步進(jìn)、伺服驅(qū)動(dòng),運(yùn)用各類傳感器實(shí)現(xiàn)工件的檢測(cè),利用變頻器驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)行等,利用步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械手的左右擺動(dòng),利用氣缸控制機(jī)械手的伸縮和抓取,利用伺服、步進(jìn)電機(jī)和氣缸控制物料的立體入庫(kù),組建一個(gè)材料分揀平臺(tái).本設(shè)計(jì)應(yīng)用1臺(tái) PLC 作為其程序控制單元.同時(shí),為了顯示和改寫皮帶的即時(shí)運(yùn)行頻率,PLC 與變頻器之間還應(yīng)進(jìn)行通信.

圖1 PLC輸入輸出分配

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)主要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)系統(tǒng)組成.

(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

包括了供單元、傳送單元、3個(gè)具有兩個(gè)自由度的機(jī)械手搬運(yùn)單元、立體倉(cāng)庫(kù)單元.,該機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng),升降以及吸附與釋放動(dòng)作.變頻器控制電機(jī),用于控制傳送帶的運(yùn)動(dòng).步進(jìn)、伺服電機(jī)及氣缸控制立體倉(cāng)庫(kù)入庫(kù).

(2)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

物料傳送帶電機(jī)由變頻器根據(jù)物料重量進(jìn)行變速驅(qū)動(dòng).抓取機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),旋轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng).立體倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)由步進(jìn)、伺服驅(qū)動(dòng)控制移動(dòng)到倉(cāng)庫(kù)位置,由氣缸推進(jìn)倉(cāng)庫(kù).本系統(tǒng)主要采用PLC控制的氣缸來組成氣動(dòng)機(jī)械手,實(shí)現(xiàn)工件供料、送料、自動(dòng)抓取、分揀、自動(dòng)入庫(kù).系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分主要由氣源及氣源過濾裝置、水平移動(dòng)氣缸、垂直升降氣缸、手爪夾緊氣缸及各種控制閥組成,由步進(jìn)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確定位.

(3)檢測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)的檢測(cè)平臺(tái)分為3個(gè)部分:①通過電感傳感器檢測(cè)金屬和非金屬;②通過光電傳感器檢測(cè)顏色;③通過機(jī)器視覺傳感器檢測(cè)產(chǎn)品是否加工合格.

2.視覺檢測(cè)設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品檢測(cè)要求,對(duì)工件上加工的圖形進(jìn)行判斷,選用歐姆龍F(tuán)H-L550視覺傳感器.歐姆龍F(tuán)H-L550視覺傳感器由相機(jī)、光源、控制器組成,與FH-Simulation tools視覺軟件共同完成視覺檢測(cè)工作,具體配置如下:

(1)打開FH-Simulation tools視覺控制軟件,選擇"場(chǎng)景切換"任意新建一個(gè)場(chǎng)景.

(2)點(diǎn)擊左上角綠色矩形,圖像模式選擇"相機(jī)圖像動(dòng)態(tài)".之后就可以看到相機(jī)拍攝場(chǎng)景.

(3)調(diào)節(jié)光源亮度.

(4)調(diào)節(jié)相機(jī)焦距和光圈.

(5)點(diǎn)擊"流程編輯"進(jìn)入編輯頁面.

(6)在功能區(qū)選擇"形狀搜索III",然后點(diǎn)擊"插入",同理選擇"結(jié)果輸出"中的"并行數(shù)據(jù)輸出".

(7)然后選中"形狀搜索III",點(diǎn)擊"設(shè)定",在模型登陸欄下,點(diǎn)擊編輯,然后在圖片區(qū)調(diào)整方框大小,剛好框住識(shí)別的圖像"Rob",點(diǎn)擊"適用",再確認(rèn).

圖2 合格圖像

(8)點(diǎn)擊區(qū)域設(shè)定,進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域設(shè)置,點(diǎn)擊"編輯",設(shè)定好檢測(cè)區(qū)域.

(9)點(diǎn)擊"參數(shù)設(shè)置",設(shè)置相似度為80%,確定,形狀搜索設(shè)置完畢.

根據(jù)檢測(cè)的形狀相似度,超過80%,檢測(cè)為合格產(chǎn)品,低于80%為不合格產(chǎn)品.

視覺系統(tǒng)需要用到相機(jī)觸發(fā)線路,與PLC的輸出點(diǎn)Y25連接,當(dāng)PLC的輸出點(diǎn)給一個(gè)上升沿脈沖時(shí),就觸發(fā)相機(jī)拍照一次,而視覺系統(tǒng)需要用到兩條輸出線,合格品和不合格品的輸出信號(hào),其中合格品輸出信號(hào)與PLC的 X30連接;不合格品輸出信號(hào)與PLC的 X31連接.

3.系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制要求為先對(duì)工件的材質(zhì)、顏色進(jìn)行檢測(cè),再對(duì)工件的加工圖形進(jìn)行檢測(cè).程序設(shè)計(jì)的主要流程為:供料單元檢測(cè)有物料時(shí)進(jìn)行供料,氣缸動(dòng)作,把物料推到傳送帶上,由變頻器控制傳送電機(jī)的速度,先進(jìn)行材質(zhì)檢測(cè),再進(jìn)行顏色檢測(cè),最后進(jìn)行視覺檢測(cè)是否合格,合格的依次放入立體倉(cāng)庫(kù),不合格的將工件放到次品位,工作流程圖如圖3所示:

圖3 系統(tǒng)程序流程

4.結(jié)束語

本系統(tǒng)采用PLC作為控制平臺(tái)的核心,用視覺傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè),檢測(cè)完成后機(jī)械手實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分揀再放入立體倉(cāng)庫(kù)等控制功能,采用軟件編程,使其動(dòng)作運(yùn)行可根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整,可以進(jìn)行手動(dòng)單步調(diào)節(jié)和分段運(yùn)行功能,提高了運(yùn)行的效率和安全性.具有集成度高、靈活性好抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),而且簡(jiǎn)化了硬件接線線路,節(jié)省了空間,降低了設(shè)備的故障率,使控制具有較強(qiáng)的柔性和功能的可擴(kuò)展性[4].

[1]王偉,鄭永果.基于機(jī)器視覺的在線電池檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18,(1):425-426

[2]賈薪.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的視覺檢測(cè)與控制技術(shù)研究[D].山東大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.

[3]原通文,曹慧云.基于PLC的真空斷路器生產(chǎn)線控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011,(6):132-135.

[4]李燦燦,譚宗柒.氣動(dòng)機(jī)械手PLC控制部分設(shè)計(jì)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,4,(32):74-76.