微小零件机器视觉检测实验平台系统设计与开发

梁智深

（桂林电子科技大学 广西 桂林 541004）

1 引言

自现代化工业步入二十一世纪，高新技术产业琳琅满目。在电子、机械领域中，任何一个小尺寸部件都能影响到整个产品的性能。然而，这些部件本身具备尺寸小、结构复杂、表面高精度等属性，使得在生产过程存在不少技术难题，并且容易产生缺陷。为了保证装配后产品的工作性能，这些小尺寸部件必须要经过严格的检测。人工检测的精度达不到要求，测量结果受主观因素的影响，花费大量劳动力的同时，效率低而不能保证工作量的进展，使得企业生产成本提高却得不到经济效益。机器视觉检测结合了计算机、光学、机电以及图像处理等技术，在众多自动化、智能化的检测方式中，具有非常好的精度，同时做到在线实时检测，将生产和检测过程一体化。机器视觉检测满足了各个领域生产检测的要求，弥补了众多检测方式的技术盲点。

2 系统总体设计

本次设计的系统主要由机械结构设计部分与电路设计控制部分组成。系统设计框架如图1所示。整个系统设计可以细分为实验平台底座以及箱体结构设计、上料结构方案设计、光学镜头升降结构方案以及镜头支架设计、上料部分的控制电路设计、镜头升降调节部分的控制电路设计以及按键输入功能与系统液晶显示功能等的设计。

图1 系统总体结构

机械结构设计如图1所示，包括以下几个部分组成：

（1）设计经济、实用的实验平台底座及箱体结构，满足实验平台正常工作状态下所需的强度和硬度等需求。

底座与箱体只是为实验平台的其余部件提供一个平稳的工作环境，因此对于底座与箱体的设计，选用的是全开放的结构设计。开放的结构不仅使整个实验平台看起来更加简单，而且更加经济、环保。本次结构设计统一采用了三维软件Solidworks进行三维建模。利用Solidworks技术，可以对实物进行建模仿真，对产品的装配可行性具有很大的参考价值。同样作为机械设计中的常用软件，Solidworks的灵活性要大大强于AutoCAD。参数化的设计使得Solidworks在设计当中柔性更好，尺寸等参数易于更改。

（2）对所需检测的物品设计合理的上料结构.

实验平台目的是用于辅助日常教学，上料结构的设计要充分考虑系统整体组建方案的尺寸大小，以及结合所要检测零件的类型以及外形尺寸进行设计。由于系统组建方案设定了被检测物的X方向上的位置（即正对实验台横向方向），上料结构的活动方向只需要在Y方向和Z方向。因此，最终采用的上料结构方案设计是用二维运动结构带动夹持装置，从而使被测物件放到指定位置。

（3）根据光学镜头的尺寸以及实验平台的工作需求，完成镜头升降结构方案选型以及镜头支架设计。根据实验平台的工作需求，镜头支架需要将几个光学镜头固定。为了使镜头能够正对待测物，镜头的固定应具有优良的垂直度。由光学镜头的尺寸参数得到所要固定的圆柱面大小分别为41mm、40mm、50mm。结合滚珠丝杆滑台的尺寸参数以及滑台在实验平台的定位尺寸等参数，完成支架的尺寸设计。利用Solidworks进行参数化设计，建立三维模型。

控制系统设计采用的是51系列单片机作为核心部件，设计实验平台的控制系统。系统的电路设计包含了单片机控制核心电路、外部舵机控制电路、三个步进电机控制电路、液晶显示输出电路设计、键盘输入电路设计等。控制系统要完成的工作内容是实现待测物的上料，以及完成光学镜头升降调节，使PC机能够得到较为清晰的图像。

3 硬件电路设计

实验平台系统的组建方案中涉及待测物件的上料和光学镜头摄取物件图片时的升降调节工作。分析实验平台所需完成的工作，结合机械结构部分的设计，得出控制系统的基本设计方案。本文的方案是设计使用51微控制器的控制系统，使用按键输入功能，对步进电机和舵机实行开环控制。单片机控制系统的电路设计中包括独立按键设计、外部中断电路设计、5110LCD液晶显示设计等。控制系统整体框架如图2所示。

图2 控制系统框图

4 程序设计流程图

在本文中，实验平台的控制系统采用按键点动控制上料部件以及光学镜头调焦部件。里用定时器0的工作模式2中断做步进电机运转时所需的脉冲信号发生器，采用定时器1工作模式1输出舵机运行所需的脉冲信号，通过外部中断1控制舵机在夹紧和张开所需的不同脉宽，外部中断0控制在调焦过程步进电机运转所需的不同频率的脉冲信号，即粗调和微调，同时使用5110液晶显示输出的行程。

5 结语

根据目前现代化工业“中国制造2025”以及“工业4.0”的发展趋势，高新技术产业将在未来的工业现代化中占据着极其重要的位置。众所周知，机器人技术在新世纪得到了快速发展，并且在许多领域已经应用于各种自动化生产。智能制造依然是未来的自动化生产的主导方向。都说人的眼睛是人心灵的窗户，那么机器视觉同样是智能制造的灵魂。从物品缺陷检测、外观尺寸测量到条码识别等，都是机器视觉检测发挥其作用的舞台。