基于LabView的機器視覺定位系統在汽車板簧生產中的應用

王愷 張磊

摘 要：汽車板簧生產過程中，采用基于LabView虛擬儀器平臺的機器視覺技術與現場數據采集技術，研制板簧雙攝像頭圖像識別控制系統，設計了系統的軟硬件部分，并介紹了檢測與定位系統的關鍵技術，可實現生產過程中對板簧中心孔的精準定位與檢測。文章提出的汽車板簧中心孔機器視覺識別定位控制系統改變了人工手動來完成長度和角度測量現狀。

關鍵詞：板簧；雙攝像頭；機器視覺；定位

0 引言

汽車板簧在軋制過程中，由原來的人工搬運已經升級到人工操作機械手按照順序一步一步進行操作。而隨著人工智能的發展，機械視覺識別技術應用在機械手上進行視覺識別、定位，從而提高設備的智能化水平，減少工人勞動強度，增加安全性，提高生產效率[1]。

當前，板簧加工設備的限位銷軸雖然位置可調，但是，對于同一個批次的板簧，銷軸位置調整好后，其位置是相對不變的。板簧從板簧框里或者傳送帶放置到板簧加工設備銷軸的過程中，如果板簧重量低于25 kg，1個人搬運比較輕松；如果大約25 kg，一般需要2個人及以上搬運，也有很多汽車零部件生產廠會選擇使用機械手臂搬運，以降低人工成本，減少勞動傷害率。如果是人工搬運，在放下板簧的過程中，通過人眼看，順便就能夠較快把板簧放置到銷軸上了，如果是機械手搬運，一般先以較快速度達到銷軸附近，然后通過精確定位，需要較長時間微調機械手坐標，方能將中心孔正好對正銷軸[2]。

為了解決現有技術中存在的汽車板簧中心孔定位裝置采用人工操作機械手造成較大的技術難題，本文主要介紹了一套適用于汽車板簧生產中針對板簧中心孔檢測和定位控制系統，稱為板簧雙攝像頭圖像識別系統[3]，如圖1所示。該系統采用基于LabView的機器視覺技術與現場實時數據采集技術，通過圖像采集模塊、圖像處理模塊、識別與執行模塊等的開發，實現對板簧的中心孔以及銷軸的精確定位檢測。機器視覺檢測方法具有非接觸、速度快、精度高、抗干擾、可控制等優點，為此提出了的汽車板簧中心孔的機器視覺檢測定位系統。

1 系統使用軟件與硬件

（1）主要軟件。虛擬儀器軟件：LabView2018；NI視覺助手：Vision Builder Assistant；機器視覺與圖像處理開發模塊：Vision Development Module；機器視覺實時運行模塊：Vision RTE；西門子PLC TIA V15.1編程軟件：KEPWare OPC軟件。

利用LabView平臺軟件，進行項目化程序設計，主要分為：攝像頭視頻采集子程序；采集板簧、中心孔事件子程序；添加板簧、中心孔事件子程序；學習事件子程序；查找定位事件子程序；PLC及伺服電機控制子程序，最終實現該識別、控制功能。采用該控制程序可以有效地通過雙攝像頭采集模塊采集到的現場圖像與事先存儲的板簧樣品圖片進行關鍵信息點的比對，快速靈敏準確地尋找到板簧存在的位置并進行板簧中心孔的定位。

（2）主要硬件。汽車板簧中心孔的雙攝像頭機器視覺檢測圖像識別控制系統的硬件構成如表1所示。

2 主要問題及處理方法

（1）LabView添加USB攝像頭采集方法[4]。在LabView實驗平臺中需要調用攝像頭采集的畫面信息，具體做法是通過LabView2014視覺與運動函數選項板中，選擇相關IMAQdx中的函數，對相關參數進行設置。

（2）LabView添加視頻采集卡驅動。在系統安裝視頻采集卡驅動以后需要在LabView里調用該驅動的數據，做法是調用mv8lab.ocx組件以及DSStream.dll。

（3）圖像處理[5]。針對視覺采集的干擾，首先將彩色圖像轉換為不同灰度的黑白圖像，再對圖像采用亮度、對比度等調節，并對圖案像素進行線性、平方、指數、對數等方式來過濾干擾，增大目標像素和干擾像素的對比。

（4）跟PLC通信。采用KepWare軟件配置跟西門子S7-1200 系列PLC進行OPC通信的變量通道，將中心孔目標值數據傳送給PLC中，并執行相關動作指令。

（5）世界坐標跟像素坐標的標定。該機器視覺定位與檢測系統要求進行簡單的線性標定。具體如下：第一，調整攝像頭到適當的位置，并固定攝像頭。第二，橫向放置一個長度L元件在USB攝像頭下，在上位機中，計算橫向的像素差M，兩者相除，得到比例系數。第三，移動機械手到板簧中心孔最上方，根據機械手編碼器傳過來的距離Y，減去中心孔在上位機中世界坐標的偏移值（像素坐標N×L/M），得到偏移量Z。實際中心孔坐標Y=N×L/M+Z，Y就是計算結果傳給PLC控制變頻器到達的位置值。

（6）機械慣性。由于運動慣性，為準確到達中心孔位置，變頻器必須提前一小段距離停止，通過多次測量，修正提前停止的偏移值。

3 控制系統工作流程與系統組成

3.1 控制系統工作流程

控制系統流程如圖2所示。系統開始后，系統初始化，打開光源，雙攝像頭1初始化，雙攝像頭1實時采集圖片，雙攝像頭1進行圖片像素處理，數據采集卡6導入匹配圖片（板簧、中心孔），上位機工控機2利用LabVeiw虛擬儀器視覺系統查找匹配板簧，獲得板簧中心平面坐標，計算板簧中心邊界坐標，通過通信線發出信號到下位機PLC處理器3，下位機PLC處理器3進行運算后控制伺服驅動器4運動，進一步控制機械手的氣缸抓手5到達板簧中心正上方抓取板簧，查找匹配中心孔，獲取平面坐標位置，上位機工控機2計算中心孔邊界坐標，機械手的氣缸抓手5放下板簧。

該控制系統結構如圖3所示，具體包括上位機工控機2、下位機PLC處理器3、伺服驅動器4、雙攝像頭1、機械手的氣缸抓手5、數據采集卡6，上位機和下位機之間通過網線進行連接實現OPC通信，進行數據讀寫交換。所述雙攝像頭1提取板簧中心孔圖像，通過所述的上位機工控機2運行LabView虛擬儀器視覺軟件，進行數據采集與圖像比對，發出控制信號到所述下位機PLC處理器3，設備所述的下位機PLC處理器3通過對板簧類型、長度尺寸、銷軸位置進行比較，從而進行所述的伺服驅動器4的3個方向位置控制，進而對所述機械手的氣缸抓手5進行控制，達到預設的位置精度后自動切換正常工作模式，達到控制板簧自動加工定位，提高板簧生產效率和質量。

設計的基于LabVeiw的機器視覺汽車板簧雙攝像頭圖像識別控制系統，其特征是：控制系統包括上位機工控機、下位機PLC處理器、伺服驅動器、雙攝像頭、機械手的氣缸抓手、數據采集卡，六者之間通過網線進行連接，實現OPC通信，雙攝像頭提取板簧中心孔圖像，通過上位機運行LabView虛擬儀器視覺軟件，進行數據采集與圖像比對，發出控制信號到PLC，設備端PLC處理器通過對板簧類型、長度尺寸、銷軸位置進行比較，從而進行伺服驅動器的3個方向位置控制，進而對機械手的氣缸抓手進行控制，達到預設的位置精度后自動切換正常工作模式，達到控制板簧自動加工定位。

4 結語

該系統具有結構合理、對環境要求低以及測量精度高的特點，并已經實際應用在了山東淄博某自動化設備有限公司生產的板簧軋機設備上，服務于多家汽車零部件板簧汽車生產廠家。板簧生產操作人員普遍反映使用該系統后板簧定位精度較高，有效降低了操作人員的勞動強度，提高了板簧生產效率和自動化水平，測量速度更快，板簧中心孔輪廓信息提取效率更高，進一步降低下料誤差、鉆孔誤差及板簧一半加工完成后的誤差。

待提高項：攝像頭的識別效果受光線影響較大，同時汽車零部件公司生產環境灰塵較多。在使用該系統時，其工作車間需要單獨搭建一個光照均勻、比較防塵的小板房，否則需要定期清理攝像頭灰塵、照明燈灰塵。

[參考文獻]

[1]謝邦晉.基于機器視覺的工業機器人定位抓取技術[J].內燃機與配件，2018（21）：216-218.

[2]李易健，張浩楠，黃金龍.基于計算機視覺的零件缺陷檢測系統[J].電子技術與軟件工程，2019（15）：111-112.

[3]程前，聶卓赟，方浩澄，等.單目視覺定位實現機器人跟蹤的實驗系統和控制方法[J].華僑大學學報（自然科學版），2019（4）：542-548.

[4]王建偉，張宗先，李輝.全自動焊牌機器人在棒材軋制生產線的應用[J].冶金自動化，2019（6）：34-38.

[5]王愛艾.基于機器視覺技術檢測印刷品質量的應用[J].今日印刷，2019（10）：79-81.

（編輯 王雪芬）

Research on machine vision location system based on LabView in automotive leaf spring production

Wang Kai1， Zhang Lei2

（1. Technical Research Institute of Yantai Jerry Petroleum Equipment Technology Co.， Ltd.， Yantai 264005， China； 2. Department of Electrical and New Energy Engineering， Yantai Engineering & Technical College， Yantai 264006， China）

Abstract：The machine vision technology based on LabView virtual instrument platform and field data acquisition technology are used to develop the image recognition control system of leaf spring dual cameras in the automobile leaf spring production process. The hardware and software parts of the system are designed， and the key technologies of the detection and location system are introduced. The camera image recognition control system can realize the accurate positioning and detection of the center hole of leaf spring in the production process. The machine vision recognition and positioning control system of center hole of automobile leaf spring has changed the situation that length and angle measurement methods are manually completed.

Key words：leaf spring；dual camera；machine vision；positioning