基于PLC和機器視覺技術的瓶坯絲印加工系統的研究*

彭一航，陳 思，歐幸福

（佛山職業技術學院 機電工程學院，廣東 佛山528137）

隨著制造業的快速發展，各行各業的競爭日趨激烈，生產商在追求產品質量的同時，為吸引客戶的眼球不斷追求外觀造型的美觀設計。這就要求企業在不同型面準確地將公司LOGO及產品信息印制在產品表面的同時，能夠代替傳統人工肉眼檢測方式，快速準確地篩揀出缺陷產品[1]。本文針對中空瓶坯智能絲印加工系統的關鍵技術進行研究，設計完成后能夠實現配合自動上料裝置完成產品的視覺定位、針對多種異型面（橢圓形、方形、六角形等）容器上的LOGO進行仿形絲印和針對產品表面缺陷進行快速檢測等功能。通過在現有絲印設備上，搭建視覺檢測系統平臺，實現生產流程的全自動化絲印加工，使產品絲印精度更高，絲印過程可控和高精準缺陷檢測。同時通過本課題的研究，激發企業的自主創新能力，提高企業整體生產的自動化加工水平，進而提高企業在同類行業中的競爭力。

1 絲印加工系統結構設計

絲印加工系統的基本裝置主要有：自動上料結構、視覺定位結構、全伺服絲網印刷結構、自動下料結構以及表面缺陷視覺檢測系統。其中表面缺陷視覺檢測系統的應用作為本文的重點研究內容。本文的研究是建立在現有絲印加工設備的基礎上搭建視覺檢測系統平臺，針對絲印機的控制系統進行優化設計，配合針對瓶坯不同型面的絲印，實現絲網印刷板、刮刀和瓶坯旋轉之間的聯動運行控制，如圖1所示。

圖1 絲印加工系統結構設計框架圖

1.1 自動上料結構

對于不同瓶形上料機構的設計，采用開合度較大的夾緊氣缸，氣缸臂上采用瓶子的仿形夾具，針對不同瓶型做相應的夾具，確保夾緊而且不刮花產品。對于不同瓶子放置的姿態上料機構配合使用旋轉氣缸和升降氣缸，來實現瓶子姿態的改變，確保在進入印刷前瓶子的姿態準確。

1.2 視覺定位結構

對于需要印刷的瓶子，設計視覺定位系統和伺服驅動系統，確保瓶子在印刷時的起始位置是正確的位置，利用相機視覺來獲取瓶子圖像，然后用計算機將圖像與已存取的圖像進行對比，當伺服電機帶動產品旋轉到已存取圖像的位置時，伺服電機停止，從而實現對瓶坯的視覺定位。

1.3 網印刷結構設計

采用伺服驅動技術，對不規則瓶子進行仿形印刷，包括瓶子旋轉、絲網左右移動、刮刀左右移動、刮刀和絲網同步升降聯動來完成對瓶坯LOGO或圖案的印制。

1.4 瓶坯精確自動下料機構

絲網印制結束后，需對印刷質量進行視覺檢測，這就需要設計一定位較高的自動下料機構，同樣采用開合度較高的夾緊氣缸，利用仿形夾具，配合旋轉、夾緊和升降氣缸來抓取瓶坯并放置在視覺檢測裝置中的輸送平臺中。

1.5 視覺檢測裝置

視覺檢測裝置主要包括移動送料機構，夾緊旋轉機構、視覺檢測機構和產品輸出分揀機構四部分。其中移動送料機構負責將印刷完成的瓶坯輸送到檢測區的待檢測位，通過步進電機驅動傳送帶達到指定位置；使用旋轉、夾緊、升降氣缸和仿形夾具將產品送到夾緊旋轉機構中，即視覺檢測區；夾緊并旋轉瓶坯完成表面印刷圖案或LOGO的缺陷檢測；檢測完成后，同樣通過旋轉、夾緊、升降氣缸和仿形夾具將產品仿制到檢測區外，通過異步電機驅動的傳送帶輸出，輸出過程中可針對合格和不合格產品進行分揀，最終使合格產品流入下一工位。

2 視覺檢測系統關鍵技術

2.1 表面缺陷檢測算法

針對人工肉眼檢測中空瓶表面缺陷效果差、效率低下等問題，設計了一種基于機器視覺的表面缺陷檢測算法，采用OpenCV計算機視覺框架將其用于工業生產，該算法主要包含圖像預處理和缺陷檢測兩部分，圖像預處理包括邊緣遍歷、條紋檢測和Gamma變換等處理；缺陷檢測主要包括水平與垂直投影、快速區域生長法連通域標記和分塊處理等步驟。該算法對Gamma變換以及區域生長法作加速處理，同時能夠最大限度地檢測出中空瓶表面缺陷并避免誤檢，具體缺陷檢測算法如圖2所示。視覺檢測系統采用鑫平望科技KPV-GH0135GA嵌入式視覺檢測工控機、朗歌斯觸摸屏顯示器、德國映精美的200萬CCD工業相機DMK 42BUC、Computer 12mm工業鏡頭和環形防水LED光源。

圖2 缺陷檢測算法

2.2 機器視覺系統組成

系統主要由照明部分、圖像獲取部分、圖像顯示部分和圖像處理部分組成。一般采用CCD攝像頭攝取檢測圖像并轉化為數字信號，再對圖像數字信號進行處理，從而得到所需要的各種目標圖像特征值，并由此實現模式識別、坐標計算、灰度分布圖等多種功能。然后再根據其結果顯示圖像，輸出數據，發出指令，配合執行機構完成位置調整，好壞篩選，數據統計等自動化流程如圖3所示。

圖3 機器視覺系統構成

2.3 智能控制系統的設計

結合設備的結構動作要求，采用PLC和觸摸屏技術實現生產的智能運行控制，智能控制系統主要包括控制單元的選擇、外圍電路的設計以及傳感器件的選擇等；依靠智能監控和控制系統，實現高效印刷。

絲印加工系統中的控制單元模塊選用西門子CPU314C-2PN/DP作為控制器。人機界面選用TP177B系列觸摸屏。PLC與上位機之間采用的是以太網通信協議，伺服電機采用AS1系列交流伺服電機，采取以太網與PLC通信[2]。

3 系統硬件結構設計

主控單元通過PLC基本單元和定位模塊協同組成。根據絲印加工的電氣控制要求和生產工藝要求，本文設計的絲網印刷和檢測電氣控制系統結構框圖如圖4所示。在本電氣控制系統中，PLC能夠接收按鈕、傳感器、行程開關、觸摸屏等的開關量信號，并根據接收到的信號進行程序運算處理后生成輸出控制信號，控制繼電器、接觸器、變頻器等電器元件的運行，同時可以輸出相應的運行信號和警示信號等[3-4]。為保證絲網印刷位置的精度，采用定位模塊來控制伺服電機的運轉。通過人機界面（HMI）可進行運行模式的選擇、印刷參數的修改、工作狀態的在線監視、視覺缺陷檢測產品的合格數量和缺陷檢測狀態等。PLC輸入端信號接收各種輸入信號。輸出單元相連各變頻器、異步電機、伺服驅動器和指示燈等。

圖4 絲網印刷和檢測電氣控制系統結構框圖

視覺定位系統包括CCD、光源和視覺系統等。首先手動調試采集標準圖像，然后經過視覺系統計算采集圖像與標準圖像之間的偏差。偏差數據經計算轉換后，通過PLC控制伺服驅動器驅動伺服電機實現精確定位瓶坯待印刷位置[5]。

4 系統人機界面設計

本系統選用的觸摸屏是西門子TP177B系列。人機界面設計包括主界面、自動控制界面、參數設置界面和監視界面。

主界面包括項目名稱、用于手動調節的各部分控制按鈕、運行狀態顯示指示燈。

自動控制界面包括自動運行控制按鈕、視覺檢測狀態和參數IO域；控制按鈕：啟動、停止、復位和界面切換按鈕；根據現場生產需求，界面上添加了生產狀態、合格產品數量、視覺定位偏差等參數；視覺檢測狀態用于指示能否對照標準圖像采集成功。自動控制界面如圖5所示。

圖5 自動控制界面

參數界面是生產的關鍵界面，主要功能是主要參數的設定。參數IO變量與PLC程序中的對應變量相同，可根據運行工藝要求，通過人機界面輸入參數給PLC，經PLC運行處理后，輸出到執行機構。參數界面主要體現設備運行時的狀態、速度、印刷次數和偏差允許值等。

監視界面用于顯示各工位的工作狀態。同時，設置報警視圖，當工作出現異常報警時，可根據報警視圖查找故障原因，便于工作人員的快速維護修理。

5 結束語

本系統采用西門子PLC技術和高效穩定的機器視覺技術，配合使用觸摸屏實現瓶坯的智能加工，實現產品的自動印刷和缺陷檢測。本文詳細介紹了絲網印刷加工系統的總體系統結構設計、系統硬件構成和視覺檢測關鍵技術。實踐表明，該瓶坯智能絲印加工系統能夠使設備可靠運行，針對異型面瓶坯進行絲網印刷和表面缺陷檢測，由于實現了自動化，降低了工人勞動強度，節約了生產成本和提高了生產效率，具有一定的實際應用參考價值。