基于PLC的焊縫視覺傳感與跟蹤定位系統設計

鄒昊 曾文瑜

摘要：馬口鐵罐身成形的生產工藝中，方罐焊縫定位難度大、技術要求高。目前，多數企業采用位置感應裝置和顏色傳感器進行定位，其生產過程中易出現焊縫定位響應滯后、焊縫探測系統檢測靈敏度不高等問題，從而導致制造成本增加。基于PLC的焊縫視覺傳感與跟蹤定位系統設計方案，配合執行機械裝置和電機接口電路，可以實現焊縫自動定位。

關鍵詞：視覺傳感;檢測定位;非接觸;焊縫

中圖分類號：TG409 ? ? ? ?文獻標識碼：A

在DR馬口鐵方罐成形的生產工藝中，考慮到焊縫定位的美觀性，需將方罐的焊縫準確定位在罐邊對角的正中位置。通常采用位置感應裝置和顏色傳感器定位，但實際生產過程中，受到探測系統檢測靈敏度影響，易出現焊縫定位響應滯后的問題。為了保證焊接質量，通常配備焊縫自動跟蹤系統[1]。視覺傳感方式由于其采集信息量大，避免了與工件直接接觸，易于實現焊接跟蹤智能化，在焊縫跟蹤領域得到廣泛的應用。因此，如何提供一種焊縫追蹤方法，準確捕捉焊縫位置，是目前本領域技術人員亟待解決的問題。本課題組研究了一種基于CCD視覺傳感器和可編程控制器（PLC）焊縫自動跟蹤執行系統[2]，根據焊縫跟蹤系統的實現功能設計了執行機械裝置，按照控制點數要求設計了PLC控制電路和與橫縱向電機的接口電路，并介紹了PLC與上位機的通信程序，采用適當的PID參數，最終滿足了焊縫自動跟蹤的要求[3]。

1 ?圖像采集與處理系統

圖像采集與處理系統包括機器視覺圖像獲取裝置、數據處理裝置和執行裝置，如圖1所示。機器視覺圖像獲取裝置和執行裝置分別與數據處理裝置連接;機器視覺圖像獲取裝置用于獲取被檢測焊件的圖像信息，并將圖像信息發送給數據處理裝置;數據處理裝置用于根據圖像信息確定被檢測焊件的焊縫位置，并將焊縫位置與預設標準定位點進行對比，確定出被檢測焊件需要旋轉的角度，并根據角度向執行裝置發送轉動指令;執行裝置用于根據轉動指令控制被檢測焊件繞其中心軸旋轉，以使被檢測焊件的焊縫位置與預設標準定位點重合。從而實現定位焊縫位置時不受被檢測焊件表面的雜質、凹陷等因素干擾，達到焊縫定位準確的目標[4]。

機器視覺檢測技術的焊縫定位裝置包括與數據處理裝置連接的視頻采集裝置，與機器視覺圖像獲取裝置分別位于同一流水線上的預設位置處，用于獲取被檢測焊件位于第一圖像采集區域時的第一圖像信息，并將第一圖像信息發送給數據處理裝置;數據處理裝置用于根據第一圖像信息和所述預設標準定位點，通過運行旋轉子裝置來控制被檢測焊件進行初次定位操作。執行裝置包括傳送子裝置和旋轉子裝置，用于傳送被檢測焊件，使被檢測焊件依次經過視頻采集裝置對應的第一圖像采集區域和機器視覺圖像獲取裝置對應的第二圖像采集區域。旋轉子裝置用于控制被檢測焊件繞其中心軸旋轉。接下來，機器視覺圖像獲取裝置用于獲取所述被檢測焊件位于第二圖像采集區域時的第二圖像信息，并將第二圖像信息發送給數據處理裝置;數據處理裝置還用于根據所述第二圖像信息和預設標準定位點，通過運行旋轉子裝置來控制所述被檢測焊件進行最終定位操作。

機器視覺圖像獲取裝置具有光譜范圍寬、分辨率高和響應速度快的優點，通過機器視覺圖像獲取裝置獲取被檢測焊件的圖像信息[5]，通過數據處理裝置分析圖像信息，以根據所述圖像信息確定被檢測焊件的位置，通過執行裝置使被檢測焊件的焊縫位置與所述預設標準定位點重合。當被檢測焊件的表面具有雜質、凹陷等干擾因素時，這些干擾因素與焊縫具有明顯區別，使得數據處理裝置容易在圖像中確定出焊縫區域。因此，實現了定位焊縫位置時不受被檢測焊件表面雜質、凹陷等因素干擾，焊縫定位準確的目標。基于機器視覺檢測技術的焊縫定位裝置的結構示意圖如圖2所示。

2 控制系統的硬件設計

控制系統的PLC硬件設計如圖3所示，選取西門子300型PLC，1號位是PLC電源模塊型號，2號位是CPU型號（包含16個點的輸入和16個點的輸出），4號位是通信模塊（可多機組，多條生產線通過上位機總監控）。PLC硬件配置如圖4所示。

那么，如何得到最優參數呢？可以通過試驗生產線來試驗參數，通過調節運行參數找到最高合格率。具體需要調節參數如表1所示。

以上5條參數調節可以使得流水線整體運行良好，保證生產過程中不堆集貨物，保證各環節緊密配合。經測試，合格率最高可達99.98%。

3 控制系統的軟件結構

控制系統的PLC程序說明，根據《機器視覺檢測定位與非接觸尋找焊縫實現》中工藝流程和運行方式，PLC程序內容如下：送罐位程序如圖5所示，M0.0是PLC工作狀態位，I0.4是送罐開始位，I0.5阻擋桿工作位，DB1.DBX0.0是電動推桿上傳中間變量，Q124.0是電動推桿工作輸出位，DB1.DBX1.2是阻擋桿上傳中間變量。當PLC開始工作，工作臺上第一步送罐位開始工作時，M0.0和I0.4點接通，第一條I0.5是閉點狀點，此時電動推桿就輸出了Q124.0位和上傳中間變量，此時送罐的電推桿就開始工作了，推動罐體向旋轉平臺移動。當移動到阻檔桿位置時，第二條I0.5開始接通，阻擋桿中間變量上傳狀態，第一條的I0.5和I0.4斷開，電動推桿停止工作。

旋轉臺面工作位如圖6所示，I0.6是進線開關工作狀態點，T1和T3是延時器，DB1.DBX1.6是旋轉臺上升工作上傳中間變量，Q124.1是旋轉臺上升工作輸出量。DB1.DBX1.7是進給開關工作上傳中間變量，DB1.DBX2.0是PLC檢測啟動輸出量。

阻擋桿I0.5工作接通后，第一條進給開關I0.6是閉點狀態，此時T1和T3開始工作，延時2 s后開始接通DB1.DBX1.6和Q124.1，接通旋轉臺開始上升。當上升到進給開關位置時，I0.6開始工作，第一條I0.6斷開，旋轉臺上升工作停止。第二條和第三條I0.6工作后，上傳進給開關工作狀態中間變量和PLC檢測焊縫位置開始啟動。