基于工業(yè)攝像機(jī)的機(jī)床安全識別研究

蔣文祥，倪振興，賈明明，蔣華年

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）

1 緒論

機(jī)械設(shè)備的出現(xiàn)促進(jìn)了人類社會的發(fā)展，社會的進(jìn)步離不開制造業(yè)的供血輸出。金屬成型機(jī)床行業(yè)是如今絕大多數(shù)工程的基礎(chǔ)，電梯行業(yè)，交通行業(yè)，幕墻行業(yè)，家電行業(yè)等等都離不開金屬成型的支持。

在激光切割行業(yè)發(fā)展的如火如荼情況下，人們多機(jī)床的安全功能需求日益增加。在效率、精度逐漸滿足使用需求的時候，安全以及成為了一個不可忽視的隱因素。

視覺檢測就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD 兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。是用于生產(chǎn)、裝配或包裝的有價值的機(jī)制。它在安全檢測方面功具有不可估量的價值。

本文采用視覺人形識別攝像頭，通過攝像頭檢測到機(jī)床內(nèi)部有人員進(jìn)入活動，將視覺信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，發(fā)送給設(shè)備，設(shè)備在100ms 內(nèi)響應(yīng)并緊急停止一切軸動作，需人員出來后手動復(fù)位方可恢復(fù)。

2 視覺安全檢測方案

2.1 控制方案

采用激光切割機(jī)常用數(shù)控系統(tǒng)84ODsl、攝像頭，由攝像頭進(jìn)行視覺檢測，傳輸信號到控制系統(tǒng)，機(jī)床做出響應(yīng)。其硬件組成如圖1 所示。

圖1 硬件組成

2.2 840Dsl 系統(tǒng)簡介

采用的是一種開放式的設(shè)計結(jié)構(gòu)，不僅僅可以應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，也可以應(yīng)用于運(yùn)動控制領(lǐng)域，通過系統(tǒng)本身強(qiáng)大的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)，可以設(shè)計成開環(huán)或閉環(huán)，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)[1]。

840Dsl 系統(tǒng)主要分成三個部分:

（1）HMI，人機(jī)交互。主要由人機(jī)單元PCU，機(jī)床控制面板MCP，以及鍵盤鼠標(biāo)，選配的觸摸屏等等組成，實現(xiàn)加工與仿真，數(shù)據(jù)管理，上位機(jī)通訊等；

（2）控制、通訊系統(tǒng)。主要有數(shù)控單元NCU，可編程控制器PLC，以及外圍通訊模塊，輸入輸出模塊等等，實現(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算，運(yùn)動控制，數(shù)字量模擬量控制等；

（3）S120 驅(qū)動系統(tǒng)。主要由S120 驅(qū)動系統(tǒng)，1FK系列伺服電機(jī)。具有節(jié)能，高動態(tài)，穩(wěn)定可靠的進(jìn)行軸向運(yùn)動、插補(bǔ)等優(yōu)點(diǎn)。

本文采用系統(tǒng)為840Dsl，配NCU+S120+MCP 等組成，具有較高的響應(yīng)速度，系統(tǒng)時鐘周期1ms，PLC響應(yīng)周期10ms，能快速準(zhǔn)確的響應(yīng)視覺設(shè)備反饋回來的信息并及時作出響應(yīng)。

2.3 視覺攝像頭檢測原理

（1）工件定位檢測器探測到物體已經(jīng)運(yùn)動至接近攝像系統(tǒng)的視野中心，向圖像采集部分發(fā)送觸發(fā)脈 沖，可分為連續(xù)觸發(fā)和外部觸發(fā)。

（2）圖像采集部分按照事先設(shè)定的程序和延時，分別向攝像機(jī)和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動脈沖。

（3）攝像機(jī)停止目前的掃描，重新開始新的一幀掃描，或者攝像機(jī)在啟動脈沖來到之前處于等待狀態(tài)，啟動脈沖到來后啟動一幀掃描。

（4）攝像機(jī)開始新的一幀掃描之前打開曝光機(jī)構(gòu)，曝光時間可以事先設(shè)定。

（5）另一個啟動脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時間應(yīng)該與攝像機(jī)的曝光時間匹配。

（6）攝像機(jī)曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出。

（7）圖像采集部分接收模擬視頻信號通過A/D將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機(jī)數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。

（8）圖像采集部分將數(shù)字圖像存放在處理器或計算機(jī)的內(nèi)存中。

（9）處理器對圖像進(jìn)行處理、分析、識別，獲得測量結(jié)果或邏輯控制值，輸出所需信號

（10）處理結(jié)果對機(jī)床造成的影響，840Dsl 系統(tǒng)響應(yīng)輸出，機(jī)床做出對應(yīng)響應(yīng)動作[2]。

3 視覺安全檢測方案

3.1 應(yīng)用測試

亞威本次研發(fā)的攝像頭安全識別功能針對于HLF 840Dsl 系統(tǒng)進(jìn)行實際的應(yīng)用測試。

3.1.1 攝像頭參數(shù)設(shè)置

通過網(wǎng)頁進(jìn)入攝像頭監(jiān)控及參數(shù)界面，設(shè)置相機(jī)參數(shù)，關(guān)于圖像采集、焦點(diǎn)、曝光、報警設(shè)置等，如圖2 所示。選擇合適的相機(jī)參數(shù)，達(dá)到想要的效果。

圖2 參數(shù)設(shè)置

3.1.2 報警處理

在攝像頭檢測到有人形進(jìn)去到監(jiān)測范圍后，輸出報警信號。本次使用攝像頭為NPN 輸出，西門子PLC 為高電平有效，需要通過繼電器中轉(zhuǎn)至西門子PLC，機(jī)床做出相關(guān)響應(yīng)，停止設(shè)備，保護(hù)相關(guān)人員。

圖3 視角范圍

圖4 視覺檢測

4 總結(jié)

在工業(yè)自動化原來越注重安全的大勢下，攝像頭安全識別已成為機(jī)床行業(yè)的必然趨勢，受到更多客戶的關(guān)注與青睞。亞威將不斷進(jìn)取，提升產(chǎn)品的安全性能，助力客戶加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量提升。

當(dāng)視覺檢測應(yīng)用到機(jī)床上之后，整體機(jī)床安全甚至操作性能都必將再次上升一個新的臺階。