微小零件機器視覺檢測實驗平臺系統設計與開發

梁智深

（桂林電子科技大學 廣西 桂林 541004）

1 引言

自現代化工業步入二十一世紀，高新技術產業琳瑯滿目。在電子、機械領域中，任何一個小尺寸部件都能影響到整個產品的性能。然而，這些部件本身具備尺寸小、結構復雜、表面高精度等屬性，使得在生產過程存在不少技術難題，并且容易產生缺陷。為了保證裝配后產品的工作性能，這些小尺寸部件必須要經過嚴格的檢測。人工檢測的精度達不到要求，測量結果受主觀因素的影響，花費大量勞動力的同時，效率低而不能保證工作量的進展，使得企業生產成本提高卻得不到經濟效益。機器視覺檢測結合了計算機、光學、機電以及圖像處理等技術，在眾多自動化、智能化的檢測方式中，具有非常好的精度，同時做到在線實時檢測，將生產和檢測過程一體化。機器視覺檢測滿足了各個領域生產檢測的要求，彌補了眾多檢測方式的技術盲點。

2 系統總體設計

本次設計的系統主要由機械結構設計部分與電路設計控制部分組成。系統設計框架如圖1所示。整個系統設計可以細分為實驗平臺底座以及箱體結構設計、上料結構方案設計、光學鏡頭升降結構方案以及鏡頭支架設計、上料部分的控制電路設計、鏡頭升降調節部分的控制電路設計以及按鍵輸入功能與系統液晶顯示功能等的設計。

圖1 系統總體結構

機械結構設計如圖1所示，包括以下幾個部分組成：

（1）設計經濟、實用的實驗平臺底座及箱體結構，滿足實驗平臺正常工作狀態下所需的強度和硬度等需求。

底座與箱體只是為實驗平臺的其余部件提供一個平穩的工作環境，因此對于底座與箱體的設計，選用的是全開放的結構設計。開放的結構不僅使整個實驗平臺看起來更加簡單，而且更加經濟、環保。本次結構設計統一采用了三維軟件Solidworks進行三維建模。利用Solidworks技術，可以對實物進行建模仿真，對產品的裝配可行性具有很大的參考價值。同樣作為機械設計中的常用軟件，Solidworks的靈活性要大大強于AutoCAD。參數化的設計使得Solidworks在設計當中柔性更好，尺寸等參數易于更改。

（2）對所需檢測的物品設計合理的上料結構.

實驗平臺目的是用于輔助日常教學，上料結構的設計要充分考慮系統整體組建方案的尺寸大小，以及結合所要檢測零件的類型以及外形尺寸進行設計。由于系統組建方案設定了被檢測物的X方向上的位置（即正對實驗臺橫向方向），上料結構的活動方向只需要在Y方向和Z方向。因此，最終采用的上料結構方案設計是用二維運動結構帶動夾持裝置，從而使被測物件放到指定位置。

（3）根據光學鏡頭的尺寸以及實驗平臺的工作需求，完成鏡頭升降結構方案選型以及鏡頭支架設計。根據實驗平臺的工作需求，鏡頭支架需要將幾個光學鏡頭固定。為了使鏡頭能夠正對待測物，鏡頭的固定應具有優良的垂直度。由光學鏡頭的尺寸參數得到所要固定的圓柱面大小分別為41mm、40mm、50mm。結合滾珠絲桿滑臺的尺寸參數以及滑臺在實驗平臺的定位尺寸等參數，完成支架的尺寸設計。利用Solidworks進行參數化設計，建立三維模型。

控制系統設計采用的是51系列單片機作為核心部件，設計實驗平臺的控制系統。系統的電路設計包含了單片機控制核心電路、外部舵機控制電路、三個步進電機控制電路、液晶顯示輸出電路設計、鍵盤輸入電路設計等。控制系統要完成的工作內容是實現待測物的上料，以及完成光學鏡頭升降調節，使PC機能夠得到較為清晰的圖像。

3 硬件電路設計

實驗平臺系統的組建方案中涉及待測物件的上料和光學鏡頭攝取物件圖片時的升降調節工作。分析實驗平臺所需完成的工作，結合機械結構部分的設計，得出控制系統的基本設計方案。本文的方案是設計使用51微控制器的控制系統，使用按鍵輸入功能，對步進電機和舵機實行開環控制。單片機控制系統的電路設計中包括獨立按鍵設計、外部中斷電路設計、5110LCD液晶顯示設計等?？刂葡到y整體框架如圖2所示。

圖2 控制系統框圖

4 程序設計流程圖

在本文中，實驗平臺的控制系統采用按鍵點動控制上料部件以及光學鏡頭調焦部件。里用定時器0的工作模式2中斷做步進電機運轉時所需的脈沖信號發生器，采用定時器1工作模式1輸出舵機運行所需的脈沖信號，通過外部中斷1控制舵機在夾緊和張開所需的不同脈寬，外部中斷0控制在調焦過程步進電機運轉所需的不同頻率的脈沖信號，即粗調和微調，同時使用5110液晶顯示輸出的行程。

5 結語

根據目前現代化工業“中國制造2025”以及“工業4.0”的發展趨勢，高新技術產業將在未來的工業現代化中占據著極其重要的位置。眾所周知，機器人技術在新世紀得到了快速發展，并且在許多領域已經應用于各種自動化生產。智能制造依然是未來的自動化生產的主導方向。都說人的眼睛是人心靈的窗戶，那么機器視覺同樣是智能制造的靈魂。從物品缺陷檢測、外觀尺寸測量到條碼識別等，都是機器視覺檢測發揮其作用的舞臺。