基于運動控制卡和工業視覺的綜合實訓平臺設計

周俊宇，夏琳燕，周全，黃俊

（1.湖南工業職業技術學院機械工程學院，湖南 長沙 410208；2.長沙學院機電工程學院，湖南 長沙 410022）

視覺系統是與工業應用結合最緊密的人工智能技術。學者對視覺系統的研究由20世紀60年代初期開始，從最初的二維圖像模式識別發展到后來的三維工業視覺系統，再到現在全球性的視覺系統研究。視覺系統的功效、性能以及覆蓋領域隨著智能制造行業的興盛而逐步發展，為更多設施設備提供了可以探測物理世界的“眼睛”。同時，系統的可靠性也越來越得到保障，為無人化車間和智能化工廠的實現提供有力的技術支撐。因此，視覺系統被廣泛應用于智能制造、智慧農業、智慧交通和智慧安防等諸多領域［1-4］。

目前各高校的綜合實訓平臺主要有以下類型：（1）基于PLC的工業機器人實訓平臺［5-6］，可利用該平臺PLC控制機器人模擬產線的一些簡單功能，來開展實訓教學；（2）基于智能制造虛擬仿真實驗的實訓平臺［7］，是通過計算機和強大的功能軟件系統搭建的實訓平臺，可以有效解決智能制造工程實踐教學環節中出現的問題；（3）基于NX11.0 MCD自動線的仿真實訓平臺［8］，通過計算機和強大的功能軟件來實現智能化產線的調試和生產的演示；（4）基于組合機器人及視覺檢測搬運控制系統的實訓平臺［9］，通過機械手和視覺系統的組合來模擬產線上視覺系統的簡單功能，以開展實訓教學和視覺系統搭建。文章設計了一種全新的基于運動控制卡和工業視覺的綜合實訓平臺，可提供更高精度的軌跡規劃、更優的控制方案，以實現更多生產線的自動化功能，也可以讓更多的學生走進工業視覺的實訓課堂，培養大學生在工業視覺方面的專業知識和實踐動手能力，為今后步入社會、走向工作崗位夯實基礎。

1 平臺架構

基于運動控制卡和工業視覺的綜合實訓平臺整體架構如圖1所示，總體分為設備層、控制層和應用層。設備層由物料臺、機械模組、工業相機及其組件、傳感器、伺服系統等組成；控制層由運動控制卡和工控機組成，同時由視覺系統進行圖像處理和Visual Studio 2015編程軟件實現邏輯控制；應用層是工業視覺控制系統的應用體現，能夠實現識別、測量、分揀、搬運和碼垛等生產線上的自動化功能。

圖1 綜合實訓平臺架構

使用該平臺時，首先是設備層反饋各種信號到控制層，然后經控制層的控制系統處理后對設備層發送各種指令，并操縱相應的設備執行相應的動作，以完成應用層的自動化功能。

文章根據上面所描述的平臺架構，采用模塊化設計的方法來設計該綜合實訓平臺，可以分為如下六個功能模塊。

（1）工控機模塊：采用研華品牌。作為視覺系統軟件、人機交互界面和運動控制卡編程軟件的載體，擁有強大的計算和處理能力，可以用來培訓操作人員的計算機操作和軟件處理能力。

（2）傳感器檢測模塊：采用歐姆龍的凹槽型光電開關和接近開關。安裝于物料臺的工件檢測位置，可以用來檢測工件或者機械模組是否到達相應位置，并反饋給控制系統。此模塊可以用來培訓操作人員的傳感檢測技術的應用能力。

（3）人機交互界面模塊：人機交互界面的整體頁面設計采用Visual Studio 2015軟件中的Windows窗體控件，增強了系統整體的靈活性，可進行位置、速度等參數設定，使操作更加簡捷便利。此模塊可以用來培訓操作人員的人機交互界面的整體設計和編程能力。

（4）工業視覺系統模塊：采用OPT品牌。包括相機、鏡頭、光源、光源控制器和Cognex視覺軟件等。其中，光源和光源控制器可以通過照明光亮度的調節，提高采集到的圖片的質量；相機和鏡頭可以通過調節光圈和焦距等來采集高質量圖像，以便后續的圖像分析處理；Cognex視覺軟件主要是用來進行圖像采集和處理，得到想要的工件位置和特征，以便控制系統執行相應命令，達到自動化功能。此模塊可以用來培訓操作人員的工業視覺專業知識學習能力、器件選型能力和視覺動手調試能力。

（5）運動控制系統模塊：硬件采用凌華的運動控制卡和松下伺服系統，軟件采用Visual Studio 2015。其中，運動控制卡在Visual Studio 2015上采用C#語言進行編程，以實現高級邏輯控制和網絡通信等功能；松下伺服系統主要用來進行精確位置移動。此模塊可以用來培訓操作人員的運動控制系統的編程能力和動手調試能力。

（6）搬運碼垛模塊：采用機械模組和物料臺。實質上類似于一個4自由度的機器人，軸X、軸Y、軸Z和軸R都配備有伺服電機和伺服驅動器，由運動控制卡編程控制機械模組進行軸X、軸Y、軸Z和軸R這4個方向的自由移動，通過抽真空抓取工件以實現搬運、碼垛等自動化功能。此模塊可以用來培訓操作人員的安裝調試能力。

圖2 功能結構

2 工作原理

基于運動控制卡和工業視覺的綜合實訓平臺具體工作流程如圖3所示。首先使用工業相機拍照進行圖像采集，并使用Cognex視覺軟件將采集到的圖像進行一系列圖像處理，得到每個工件的具體位置和特征；然后經過手眼標定，得到工件的像素點坐標和實際位置的坐標；最后根據得到的工件位置、特征以及項目需要達成的目標功能，進行編程來產生控制指令，并且使用運動控制卡操控的伺服系統來驅動機械模組，實現應用層的多種自動化功能。

圖3 工作流程

2.1 工業視覺系統單元

工業視覺系統單元由工控機、相機、鏡頭、光源、光源控制器和Cognex視覺軟件等構成。

首先，工業視覺系統收到控制系統給出的拍照信號后，會打開光源，并根據光源控制器設計的參數進行亮度調節，提高圖片的對比度和亮度，從而提高圖片質量。

然后，通過Cognex視覺軟件對拍照得到的圖片進行手眼標定、色彩轉換、圖像二值化、斑點分析、橢圓擬合等一系列的圖像處理，有效判別工件，避免無效處理。

最后，把處理后的圖像與開始設計時的圖像進行位置和特征匹配。如匹配失敗，表示沒有檢測到物體或者檢測到異常物體，機械模組回到原點。如匹配成功，則工業視覺系統會進一步對拍照圖像的標簽、劃痕、特征判斷、條形碼或者二維碼等進行識別和測量；如識別成功，則運動控制系統將執行下一步動作；如識別失敗，則表示特征識別錯誤，機械模組回到原點。工業視覺系統的部分腳本代碼如圖4所示。

圖4 工業視覺系統的部分腳本代碼

2.2 運動控制系統單元

運動控制系統單元由運動控制卡、人機交互界面、伺服系統、機械模組、傳感器檢測系統等構成。

首先，按下啟動按鈕，運動控制卡控制伺服電機驅動機械模組運動到拍照位，運動控制卡輸出一個拍照的觸發信號給工業視覺系統。此信號可以是硬件觸發，也可以是軟件觸發。

然后，根據工業視覺系統在經過圖像處理后發送的數據信息，運動控制卡控制伺服系統驅動機械模組的軸X、軸Y、軸Z、軸R運動到取料位或者放料位，通過抽真空抓取工件，然后根據編程得到的預設動作軌跡將工件搬運到OK或者NG區域，并進行碼垛，碼垛完畢后循環進行下一個工件的檢測、識別、搬運和碼垛。

伺服系統主要靠脈沖來定位，伺服電機在接收到控制系統發送的一個脈沖信號后，就會產生一個對應的旋轉角度，從而實現位移。而伺服電機本身攜帶有編碼器，根據其產生的位移可以形成對應的脈沖信號反饋給控制系統，這樣就和控制系統發出的脈沖形成一個閉環，可以很精確地控制伺服電機的轉動，實現精確定位，且精度可以達到0.001mm。這里的伺服參數設置中，軸X、軸Y、軸Z每移動1mm都設置為1 000個脈沖，軸R每旋轉1度設置為3 600個脈沖。其中部分參數設置情況如圖5所示。

圖5 伺服軸部分參數設置

依據控制系統的項目方案要求，對運動控制系統進行預設動作軌跡編程。其中部分控制系統的代碼如圖6所示。

圖6 控制系統的部分代碼

2.3 調試中出現的問題

在機械模組的運動過程中，軸X、軸Y、軸Z、軸R可以同時運行，因此軸X和軸Z、軸Y和軸Z之間存在干涉問題。如在水平X或者豎直Y方向運行時，若軸Z沒有上升到一定高度，會碰撞到工件擺放的凹槽壁上。故機械模組需設置一個安全區域，在自動運行的取料過程中，先保證軸Z抬升到一定高度，再允許軸X和軸Y運行；在自動運行的放料過程中，先保證軸Z的高度在安全區域，再允許軸X和軸Y運行。這樣即可解決此干涉問題。

在機械模組的運動過程中，軸R可以進行360°旋轉，在回原點的過程中，如果軸R一直沿順時針方向旋轉，將會導致其連接線路擰成一團。故給軸R設置一個零點，即在原點位置安裝一個接近開關。當軸R沿逆時針方向旋轉時，其伺服電機中的編碼器為減計數；沿順時針方向旋轉時，其伺服電機中的編碼器為增計數。這樣即可解決軸R的連接線路擰成一團的問題。

3 結論

文章設計的基于運動控制卡和工業視覺的綜合實訓平臺涉及了運動控制卡的高級邏輯控制，工業相機的識別、定位、測量和檢測，以及伺服系統的精確驅動等技術，可提供更高精度的軌跡規劃、更優的控制方案，實現更多生產線的自動化功能，因此既能夠很好地滿足教學要求，也能為企業提供一系列的技術和條件支持。