基于機器視覺的筆記本電腦殼體間隙調整系統設計

史以唐，劉 超

（江蘇大學 電氣信息工程學院，鎮江 212000）

在筆記本電腦生產工廠的生產過程中，筆記本電腦A 殼轉軸蓋與C 殼之間的間隙通常通過人工方式調整， 由于作業員熟練度與夾治具的差異，最終導致產品的一致性不被客戶與消費者認可。 本項目中該型號的筆記本電腦A 殼轉軸蓋與C 殼之間的間隙標準為max-min≤0.2 mm，需要經過間隙校正夾治具手動將左右間隙調整到合格范圍內。 由于間隙距離小，左右精度要求高，以及殼體塑膠件存在形變公差的影響，僅采用夾治具的方式進行機械式的統一調整，很難保證調整精度。 在這樣情況下，需要設計出一種可以根據實際間隙動態調整的裝置來取代人工方式。 近年來，隨著計算機技術與圖像處理技術的不斷發展，機器視覺技術也迎來了蓬勃發展[1]。 出于對時間成本的考慮，以及裝置在復雜工業環境中的穩定性和可靠性，本項目將采用美國康耐視公司開發的VisionPro 機器視覺軟件，該軟件封裝了大量可靠的算法工具，完全滿足本項目的圖像處理需求[2-3]。為了實現筆記本電腦A 殼轉軸蓋與C 殼之間的間隙自動化調整， 下文將設計一種基于機器視覺的筆記本電腦殼體間隙調整系統。

1 系統總體方案設計

1.1 系統硬件部分設計

1.1.1 機器視覺部分硬件設計

如圖1 相機測量示意圖所示，字母M 標識的是筆記本電腦左右兩側需要測量調整的間隙，CCD1與CCD2 分別為1#工業相機與2#工業相機。

圖1 相機測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of camera measurement

其中1# 工業相機用于測量筆記本電腦左側間隙，2# 工業相機用于測量筆記本電腦右側間隙。 一套完整的機器視覺測量裝置，其硬件部分由光源、鏡頭、工業相機和連接工控機線纜組成[4-7]。 在本項目中筆記本電腦外觀為銀白色， 而AC 殼間隙在圖像中為黑色，具有較高的對比度，所以鏡頭選擇了廣東奧普特公司生產的白色環形光源，型號為OPTRI5030-W，環形光源由高密度LED 組成，亮度高且結構緊湊，可以節省安裝空間[8]。 工業相機選擇海康MV-CA050-20GM 黑白相機， 配備廣東奧普特公司型號為OPT-C7528-10M 的鏡頭，鏡頭與相機均為C型接口[9]。 工控機加裝研華科技型號為PCIE-1674E的4 端口PCI Express GigE Vision 影像采集卡，為了適應工廠不確定環境，選擇海康威視高柔性相機網線連接工業相機與工控機[10-11]。

1.1.2 系統整體硬件設計

如圖2 機構示意圖所示，設計兩軸機構，使整個調整平臺同時具有前后左右調整的4 個方向自由度，以確保控制精度。 本項目的兩根控制軸選擇信捷DS5C 系列伺服，根據負載的大小，最終選擇驅動器型號為DS5C-20P1-PTA-H 的信捷伺服放大器并配備100 W 的伺服電機，選擇導程為10 mm 的滾珠絲杠將伺服電機的旋轉運動轉化為直線運動。 設計兩層筆記本電腦產品載臺，上層載臺直接固定在機臺上，運用氣缸與其他機械定位裝置固定筆記本電腦的C 殼，使C 殼在整個調整過程中處于靜止狀態。 下層載臺固定在兩軸平臺上，在載臺上設置真空吸盤，使載臺與筆記本電腦A 殼可靠地吸附在一起，這樣就可以實現通過移動兩軸平臺使得筆記本電腦A 殼跟隨移動，從而達到調整筆記本電腦A 殼轉軸蓋與C 殼間隙的目的。

圖2 核心機構示意圖Fig.2 Institutional diagram

在本項目中，氣缸電磁閥與伺服電機是由PLC控制的，即使在復雜的工業環境中，PLC 也具有很高的可靠性[12-13]。 本項目選擇信捷XLH-24A16 PLC 進行電氣控制，PLC IO 點位分配如圖3 所示。

圖3 PLC IO 圖Fig.3 PLC IO diagram

1.2 系統軟件部分設計

1.2.1 機器視覺軟件部分設計

1）相機IP 地址設置

本項目使用的工業相機支持Gigabit Ethernet通信，硬件連接完成后，可以通過VisionPro 軟件包中的GigE Vision Configuration Tool 工具配置相機IP 地址，IP 地址須與工控機千兆網卡處于同一網段。

2）圖像采集

打開VisionPro QuickBuild 軟件，配置完CogAcqFifoTool 工具即可進行相機實時圖像采集。

3）相機標定

相機標定在機器視覺測量系統中非常關鍵，經過標定的工業相機， 可以通過數學模型在三維實體與二維圖像間建立起聯系， 標定結果的準確性與標定算法的穩定性將直接影響機器視覺系統工作結果的準確性。 在機器視覺快速發展的今天，在眾多科研人員的努力下，對于相機標定這個問題，已經有了很多優秀的解決方案。 在面對復雜的工業現場環境，如何選擇合適的標定方式是更應該被關注的問題，本項目采用VisionPro 軟件提供的N 點標定方法，該方法已經過大量工程實踐驗證， 具有較高的穩定性與精確度。確定筆記本電腦擺放在下層載臺后AC 殼間隙所在位置，并將標定塊準確安裝在相同位置，移動XY 軸使平臺位于適當位置， 打開相機實時圖像，調整相機相關參數，使視野中的圖像成像清晰。 如圖4所示，從VisionPro QuickBuild 工具箱中向程序中添加4 個CogFindCircleTool 找點工具，再添加1 個Cog CalibNPointToNPointTool 標定工具， 配置CogFind CircleTool 工具，使4 個找點工具可以準確識別4 個黑點，通過CogFindCircleTool 工具將黑點圓心坐標輸出給CogCalibNPointToNPointTool 標定工具，通過抓取校正圖像即可以將4 個黑點對應的像素坐標自動輸入到未校正XY 表格中，再依次將4 個黑點實際物理坐標手動輸入到原始的已校正XY 表格中，在表格下方可以選擇要校正的自由度，最后計算校正參數。 通過觀察結果選項卡中的RMS 誤差，如圖5 所示，此參數越小表明標定效果越好。

圖4 標定示意圖Fig.4 Schematic diagram of the calibration

圖5 RMS 誤差圖Fig.5 RMS error map

4）模板制作與定位測量

從VisionPro QuickBuild 工具箱中向程序中依次添加CogPMAlignTool，CogFixtureTool，CogFindLine Tool，CogDistanceSegmentSegmentTool，利用CogPMAlignTool 與CogFixtureTool 工具對工件圖像定位，利用CogFindLineTool 工具查找間隙兩側邊緣，利用Cog DistanceSegmentSegmentTool 工具計算間隙距離。

1.2.2 上位機與PLC 部分軟件設計

PLC 控制流程如圖6 所示。

圖6 PLC 控制流程Fig.6 PLC flow chart

在自動運行模式下，產品放置到位后，驅動定位氣缸與真空吸盤對產品位置定位，通過數據寄存器與上位機交互，當數據寄存器值為1 時呼叫相機拍照，PLC 對數據寄存器的數值判斷，當數值為2后，表明相機已完成拍照，并已將校正數值寫入數據寄存器中，此時PLC 繼續執行自動流程，若數據寄存器數值為3，則表示此產品間隙已在標準范圍之內，無需校正[14]。

本項目中通過工業相機與鏡頭相關參數可以推算出視覺系統理論測量精度，推算過程如式（1）所示。

式中：SS 為工業相機靶面面積；FL 為工業相機焦距；D 為最小物距；工業相機傳感器長邊像素數量為2592。本項目要求精度為0.1 mm，可見完全滿足需求。

為了PLC 控制系統與機器視覺測量系統能夠準確地進行配合校正，還需配置伺服放大器相關參數，項目選用的絲桿導程為10 mm，伺服電機旋轉一圈載臺移動10 mm， 將伺服放大器中電機每圈脈沖數設置為1000 Pulse，那么通過計算可得1 Pulse 的移動量為0.01 mm[15]。 利用人機交互系統對伺服各點位進行準確示教，人機交互系統界面如圖7 所示。

圖7 伺服人機交互系統圖Fig.7 Schematic diagram of HMI

上位機軟件由C#聯合VisionPro 二次開發形成，上位機程序將2 個工業相機中CogDistanceSegment SegmentTool 工具測量結果經過運算，計算出筆記本電腦左右間隙差值，獲得校正量，通過TCP/IP 通信方式將需要校正量傳輸給PLC 指定寄存器，PLC 根據寄存器內的值控制X 軸伺服電機左右移動，下層載臺也會跟隨X 軸左右移動，從而達到動態調整筆記本電腦A 殼與C 殼相對位置的目的。

2 實驗結果分析

系統調試流程：

（1）將待校正筆記本電腦A 面向下放在裝置載臺上，松開已經鎖附在轉軸上的螺絲。

（2）打開相機調試軟件，手動點動伺服電機，使筆記本電腦左右間隙清晰地在工業相機中成像，同步調整相機相關參數。 記錄伺服電機位置信息，制作相機測量模板并驗證測量精度是否符合預期。

（3）設置完成后，啟動自動程序，自動校正多臺筆記本電腦A 殼轉軸蓋與C 殼之間的間隙，最后將校正完成的筆記本電腦交給質檢人員確認校正效果，記錄實驗數據。 如表1 所示，其中前兩項數值為相機測量得到的間隙數值，校正值為經過運算后PLC應輸出給伺服放大器的脈沖數量。

表1 間隙校正實驗數據Tab.1 Gap correction test data

當1# 相機測量的間隙值大于2# 相機測量值時，表示筆記本電腦左間隙大于右側間隙，X 軸需右移，以減小左側間隙增大右側間隙，反之，X 軸需左移。 通過式（2）可以計算出PLC 需要發送給伺服系統的脈沖數：

式中：A 表示左右間隙值中較大者；B 表示左右間隙值中較小者。

3 結語

本文設計的基于機器視覺的筆記本電腦殼體間隙調整系統，首先經過機器視覺系統獲得筆記本電腦指定位置間隙數據，通過上位機軟件獲取視覺測量結果，與客戶要求的標準間隙值比較， 計算出與標準值的差值，通過TCP/IP 的通信方式將校正值寫入PLC 指定數據寄存器中，PLC 根據數據寄存器中的數值控制伺服電機移動， 調整筆記本電腦A 殼與C 殼相對位置。 本裝置大大提升了工廠在生產筆記本電腦過程中的一致性，具有較高的實用與經濟價值。 由于該系統還處于實驗階段，面對復雜工業現場還需要進一步優化，使系統更加穩定。