基于機器視覺的插座尺寸測量系統設計研究

周 恩 黃志炳 吳 霞

（浙江方圓檢測集團股份有限公司 杭州 310018）

引言

本研究中涉及的測量系統產品對象為固定式插座，主要面向86×86 型的單相兩極帶接地暗裝插座和單相兩極暗裝插座[1]。國內檢測機構測量插座尺寸以游標卡尺和通規止規等量規測量為主，測試過程通常如下：通過游標卡尺測量插孔的長寬等各個尺寸，并手動記錄測量數值；通過對應的量規查看開檔距離尺寸，間接檢驗是否符合要求；通過通規插入插座檢驗插座是否出現了尺寸偏小的問題；通過止規插入插座檢驗插座是否出現尺寸偏大的問題。

目前采用的測量方案存在以下不足：①測量數據有限，無法測得全部尺寸；②標準要求的結果無法直接測出，需要經過換算容易出錯；③測量耗時長，影響檢測效率；④人為因素影響和誤差大。與傳統的人工檢測相比，基于機器視覺的尺寸測量系統具有檢測效率高，檢測準確率高，系統集成化程度高和可擴展性強等優勢。將視覺測量系統相關技術和PLC 相結合實現被測產品檢測的自動化設計[2]。

1 總體方案

為了方便用戶操作和完成檢測任務，我們設計了如圖1 所示的一套帶有機器視覺的插座尺寸測量系統。其中PLC 是整個系統的控制核心，它承擔了電機、氣源的控制和對視覺系統觸發的控制，并且與HMI 設備進行連接，方便用戶控制。工業相機拍攝到的圖像通過配準算法將圖像中的被測對象與模板中的被測對象對齊作為初定位，其次通過找邊計算出物體的邊界線，得到插孔的邊界線后，軟件即可通過幾何知識計算出所需要的測量數據。系統的軟件還涉及到電機驅動軟件設計、工業相機機器視覺模塊、各種傳感器輸出信號和PLC輸入信號之間的連接軟件、PLC 控制程序、自動打印原始記錄等。

圖1 測量系統框圖

2 視覺部分設計

本項目涉及的插孔面板尺寸設定為90*90 mm，但是我們觀察了大量插座面板需要檢測的孔的位置都在中間65 mm 內，且由于現代機器視覺算法可以做到1/4亞像素精度測量，因此，想要達到0.01 mm 的精度只需要像素x，y 方向像素值不少于1 625 即可滿足要求，因此我們旋轉了華睿科技的A3504CG100 相機，該相機具有2 592*1 944 像素，傳感器為1/2.5”CMOS 可以滿足項目需求。該相機具有該相機我們選擇相機的工作視野（FOV）為65*65 mm 以內足夠[3]，相機工作距離為450 mm。如圖2 所示，D 為65 mm，H 為450 mm 由三角函數公式即可計算出視場角á 為16 °左右，目前市場上常用的鏡頭有視場角為17.48 °的35 mm 的1/1.8”的鏡頭可以滿足我們需求。由于本方案需要竟可能通用所以我們采用了白光照明。每個檢測位置裝配一個相機，并且使用同一個面光源進行檢測。

圖2 鏡頭選型計算圖

由于相機所得到的距離和尺寸都是相機坐標系下的距離和尺寸，因此需要通過標定將相機坐標系下的尺寸投射到物理控件坐標系下。為得到投射矩陣我們使用了一個GP150 12*9-10 的標定板。該標定板共有12*9 個棋盤格，每個棋盤格是10 mm*10 mm 的正方形。

3 機械設計

為了滿足視覺檢測的要求和操作者我們設計了一個檢測工作臺，主要構成是以一套絲桿滑臺機構為核心機械結構，如圖3 所示，插座面板固定在絲桿滑臺上，滑臺由電機驅動帶著檢測工件移動。需要檢測時，將插座放置在手指氣缸中間，讓PLC 通過電磁閥控制手指氣缸動作即可完成夾持。完成夾持后PLC 控制電機將被測對象移動到相機之下即可完成拍攝。拍攝處理完成后在通過電磁閥控制手指氣缸松開插座完成檢測。

圖3 系統機械結構示意圖

4 控制系統設計

PLC 控制電路設計S71214C IO 口屬于NPN 結構，因此其控制系統主要承擔用戶操作，電機控制，氣路控制的功能。西門子S71214C 系列PLC 是西門子公司推出的一款小型PLC,具有高速脈沖輸出功能的漏型輸出功能。西門子PLC 進行編程前需要進行設備組態，我們使用了兩個西門子設備分別是西門子S71214CPLC 和KTP400 觸摸屏，進行如圖4 所示的組態。

圖4 西門子設備組態

對于氣源的控制我們將空氣壓縮機連接到一個分流器上，將壓縮空氣一分為三，每路壓縮空氣通過一個電磁閥控制后通往對應的手指氣缸。手指氣缸初始狀態為張開狀態，電磁閥動作后手指氣缸的氣流通路發生改變成為了閉合狀態，此時加緊插座，完成動作。同樣的夾持動作也適用于標定過程。

5 電機控制

對于電機控制西門子PLC 提供了電機控制模塊。首先將電機驅動器類型選擇PTO(脈沖+方向)，并指定PLC 的脈沖輸出口和方向輸出口。出于安全考慮，我們設置了電機的限位開關如圖5 所示。當限位開關觸發動作時，PLC 會立刻將電機停下，防止撞擊機械結構。

圖5 旋轉驅動器類型

同時為了保證每次的精度需要進行回原點操作，進行如圖6 所示的配置。

圖6 回原點配置

上述電機控制的配置完成后還應該進行HMI 的配置，首先繪制HMI 界面如圖7 所示。將操作界面的控件與PLC中的DB 塊進行綁定，完成后即可完成對PLC的控制。其中向前，向后綁定的是PLC 控制電機的前進和后退，歸零綁定的是回原點操作，停止綁定的是即可停止電機操作。松開綁定的是手指氣缸的控制，檢測綁定的是觸發相機控制。

圖7 HMI 操作界面

完成界面綁定后還需要進行程序編寫才能實現電機和其他設備的控制。電機控制可以使用Motion_Control。

6 測試

設計完成后我們對實際的插孔面板進行了測量。首先通過傳統方法將測量插座的T，B 值并用通規止規測試是否合格[4]。測量結果如表1 所示。

表1 傳統方法測量結果

然后采用視覺方法測量同一個產品的同一個位置得到數據如表2 所示。

表2 視覺測量結果

對比兩個表格發現，檢驗結果一致。測量誤差小于5 %。

對比兩次測量耗時，從裝夾到測試完成并記錄傳統方法耗時將近7 min，而采用視覺方法耗時僅有5 s。并且傳統方法還需要將數據寫到記錄中而本文所描述的方法則可以立刻生成記錄，大幅度提升了檢測效率。

最后我們可以直接導出記錄表格，由于目前國家標準中還不能直接使用視覺方法進行測量，因此還保留了通規止規的測量項目。且新國家表中的K 值目前視覺方法無法測量。在測試報告中必須體現，此測量方案還需要進一步改進。

7 結束語

基于以上需求設計研發出一種可以直接用于檢驗機構使用的能快速檢測插座面板所有尺寸并且具有良好的可溯源性、可重復性、高效的專機實現插座尺寸的快速檢測。本文所提及的方案利用機器視覺自動定位到測量孔位，自動提取插座的輪廓線得到插座孔的位置和尺寸這樣我們就獲取了測量標準中的T 值和B 值，然后通過幾何計算的方法得到F 值和A 值，完成了國家標準中面板所有尺寸的測量。與二次元設備相比我們去除了人工因素并且檢測效率有了很大的提高。讓檢測方法具備了應用到實際生產線上實現全檢自動剔除不合格產品的潛力。同時配備數據庫技術后對產品適當的改造可以使每一個產品質量溯源。但是由于K 值的限制我們的設備還可以進一步升級改造。以適應新的國家標準要求。