一種圖像識別技術在鉚釘觸頭挑選設備中的應用研究

顏君波， 李亞南， 廖思遠， 劉晗， 朱亞哲， 袁有明

（桂林金格電工電子材料科技有限公司，廣西桂林 541004）

0 引言

銀基鉚釘觸頭材料因其良好的電性能而廣泛應用于低壓電器領域。在當前的銀基鉚釘觸頭加工制造業中，從原材料到成品的過程中涉及的設備種類非常多。鉚釘觸頭挑選機就是其中之一，它通常應用于鉚釘觸頭生產過程的挑選工序中，是提高生產效率及降低人工成本的必備生產設備之一。

目前，傳統的鉚釘挑選工作主要由人工完成，需要人工處理的缺陷主要存在以下方面：釘頭表面掉沫、銀面缺料、釘頭毛刺、釘頭開裂、釘頭卷邊、釘頭漏銅、表面變色、釘頭粘銀粉、釘頭擦邊等外觀缺陷；尺寸缺陷，比如釘頭直徑、釘頭厚度、釘腳直徑、釘腳長度等外形尺寸不合格。對于從事挑選工作的操作者而言，由于每批次的鉚釘產量較大，產品外形尺寸一般都按比例進行抽檢，無法全檢，這種情況下存在尺寸缺陷漏檢的可能；而外觀缺陷方面，人工檢測的方法主要是把一批排列整齊的鉚釘平鋪在燈光下，以目測的方式從不同角度觀察每粒鉚釘的外觀，將有瑕疵的鉚釘挑選出來，每次檢測約5 min，只能檢測500粒～1000粒，每人每班挑選約80 000粒，檢測效率較低；在質量把控上，因人而異，特別是較輕微的表面缺陷，難以準確判斷；人工挑選存在誤判，導致不良品的異常增加，降低了產品效益。隨著客戶對銀基鉚釘觸頭產品質量要求進一步提高，傳統人工挑選存在的問題越來越凸現，已不能滿足市場的需求，這些問題嚴重制約著鉚釘觸頭生產工藝的發展，也難以提高企業的生產效率及降低人工成本。因此，研制鉚釘自動化挑選設備取代人工挑選成為各相關企業關注的焦點。

針對上述問題，設計了一種基于基恩士圖像處理器的鉚釘自動挑選設備。利用PLC的各種邏輯控制功能，通過CCD圖像處理器、硬件系統及軟件系統的設計，解決傳統人工挑選中的系列問題。

1 工作原理分析

CCD圖像處理器屬于機器視覺的一種具體的表現形式，而機器視覺是人工智能正在快速發展的一個分支。簡單說來，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是通過機器視覺產品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，得到被攝目標的形態信息，將像素分布和亮度、顏色等信息轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。設備原理示意圖如圖1所示。

圖1 設備原理示意圖

首先，鉚釘樣件通過振動盤輔助自動上料，把鉚釘樣件運送到圓形玻璃盤上；其次，玻璃盤在設備的伺服控制系統下順時針旋轉，由玻璃盤上的光纖檢測機構檢測是否來料，當光纖檢測機構檢測到鉚釘樣件后，通過預先設置的每個CCD工位具體編碼器位置，PLC在相應的位置上輸出信號對圖像處理器進行觸發拍照；圖像處理器快速進行機器視覺識別、判斷及輸出反饋信號給PLC，PLC根據圖像處理器反饋結果對吹氣機構進行OK或者NG信號輸出。PLC在設備中對各執行機構進行各種邏輯控制，控制管理各個工業相機、電氣部件、氣動電磁閥等機構。CCD圖像處理器是鉚釘挑選設備的核心配件，用于分析、計算圖像。鉚釘的影像檢測軟件直接運行在圖像處理器上，把數據傳送給PLC控制器及工控機。工控機在設備中主要用于統計各種瑕疵占比，方便技術人員進行數據分析。伺服控制系統用于帶動玻璃盤穩定轉動，運送鉚釘樣件進行拍照或剔除。CCD工業相機、鏡頭以及光源在設備系統中有一組或多組拍攝站點，每一臺工業相機配一個相機鏡頭及光源，用于對待測樣件拍照以供分析。吹氣機構使用工業高速電磁閥，在PLC輸出控制下用于剔除不良待測樣件。此外，CCD圖像處理器提供各種外觀檢測功能及尺寸檢測功能，通過設置不同規格產品相關參數，可以方便靈活地更換多種不同規格的鉚釘產品，提高設備的通用性。

2 控制系統設計

2.1 硬件結構

鉚釘挑選設備控制系統的硬件部分主要由PLC、觸摸屏、工控機、高透明度玻璃轉盤、高速振動盤、伺服控制系統、CCD圖像處理器、對射漫反射型光電傳感器、鋁合金整體式機架及工業高速電磁閥等部件組成。PLC選用信捷XD5系列，CPU型號為XD5-32T4-E，此模塊自帶18入/14出的NPN信號接口，AB兩路RS485通訊接口，支持X-NET現場總線功能，支持高速計數（高達80 kHz），具有2～4軸脈沖輸出（高達100 kHz）、頻率測量等特殊功能，支持1～16個擴展模塊。考慮到PLC需要與轉盤伺服控制系統及CCD圖像處理器通訊，本設備采用modbus RTU通訊，以PLC為主站，其他功能系統為從站的通訊方式。該通訊方式通常可連接31個從站同步運行。玻璃轉盤伺服控制系統采用脈沖型伺服驅動器，它分為三種控制方式：位置控制、速度控制、轉矩控制。其輸入形態可分為：脈沖+方向、AB相脈沖、CW/CCW信號三種電信號；對射漫反射型光電傳感器使用0～24 VDC直流NPN信號輸出，其功能主要是檢測鉚釘是否上料正常，是否缺料停機等。觸摸屏使用信捷TGM465系列，通過RS232通訊接口與PLC通訊。其總控制系統結構原理如圖2所示。

圖2 控制系統結構

2.2 軟件功能設計

鉚釘挑選設備控制系統的軟件設計主要是PLC程序設計、工控機統計軟件設計、觸摸屏頁面組態設計。PLC主程序主要包括系統參數初始化，鉚釘來料檢測設計、缺料停機設計、CCD圖像處理器檢測設計、OK與NG產品吹氣控制設計、轉盤伺服電機設計及接受觸摸屏參數設置設計。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

工控機統計軟件設計主要應用C#在.net平臺上開發，數據庫采用微軟SQL Server 2017版。當設備開始運行時，通過串口通信硬件及軟件讀取CCD圖像處理器及PLC上數據塊的相關數據，判斷設備的啟停時間及當前鉚釘檢測數、瑕疵類型數量、每種瑕疵數量、圖像處理器二值化數值等信息，設計出公差范圍、合格率、過小不良率、過大不良率等統計分析表，同時顯示其圖像信息。

觸摸屏的組態設計主要是面向人機交互的界面。設計顯示當前鉚釘檢測數、鉚釘最大檢測數量、轉盤伺服電機轉速、當前運行檢測速度等信息。此外，需要設計能夠實現觸摸屏控制鉚釘挑選設備的運行及停止，根據不同的鉚釘規格設置相應的檢測轉速，形成檢測工藝參數配方庫。在使用設備前調取所需的檢測工藝配方，即可進行相關鉚釘規格產品的自動化檢測，降低操作人員的操作難度及技術要求，確保了挑選工藝的穩定性。

經過設計開發，結合振動盤的上料速度及鉚釘的形狀特性，設備的實際運行速度達到600粒/min，效率遠大于人工挑選，且實現了鉚釘挑選的全選。

3 結束語

本研究通過對一種圖像識別技術在鉚釘觸頭挑選設備中的設計研究，運用PLC、工控機、CCD圖像處理器、對射型光電傳感器和伺服驅動器實現了對銀基鉚釘觸頭的自動控制挑選，基本滿足了鉚釘觸頭挑選工藝需求。該設備的運用取代了人工挑選，有效提高了銀基鉚釘觸頭挑選的自動化程度和生產效率，減少了人力資源消耗，降低了生產成本。