基于虚拟仪器的零件位置探测机器视觉系统

梁美玉

（安徽信息工程学院电气与电子工程学院，安徽芜湖241100）

近几年，随着科技的快速发展，人们对工业生产的要求越来越高，产品趋向于更小、更轻、更薄，产品内部的零件更加精密，传统人工操作的零件位置放置已经不能满足产线效率需求，而且人工操作存在视觉疲劳，导致误判率较高。机器视觉技术，利用机器代替人眼，已经在医学图像、工业生产、质量检测等领域得到了广泛的应用。虚拟仪器技术是通过软件将硬件和通用计算机结合起来实现构成测控系统。本文将机器视觉技术与虚拟仪器技术结合起来，开发了基于虚拟仪器的零件位置探测机器视觉系统，取得了较好的效果。

工业生产中，零件位置放置过程是必不可少的环节，其中放置过程中的高效性和准确性是最主要的因素。随着零件的精密度越来越高，人工操作耗时且准确率不高，零件位置检测实现自动化是发展的必然趋势。本文设计的零件位置检测系统根据产线要求，实现的功能有：1）零件识别功能，针对不同尺寸的零件，调用相应的程序，进行尺寸检测并分析零件的规格；2）排错功能，对错误零件及时准确发出剔除信号以及相应的执行信号；3）实时检测功能，系统需提供实时检测显示画面，可以存储以及实时查看错误零件图像。本文设计的零件位置检测系统是完成对两个形状、大小不一（一个为正方体，一个为梯形体）的零件进行提取和放置过程。

1 机器视觉系统的设计与实现

1.1 系统工作流程

机器视觉系统硬件框架如图1所示，工装板（2）在传送带（1）上运动，光电传感器（3）在相对固定的位置判断工装板是否到达，如果到达则产生触发信号。同时光源白光LED（7）照明。上位工业像机CCD（6）在伺服电机（4）的作用下，在导轨上移动至（2）的位置，进行图片拍摄，图片传给图像采集卡（14）在工控机（15）进行分析，判断工装板上对应的位置上是否空缺零件，如果不空缺，则完成该流程，等待下一个工装板，如果空缺，则回到原料盒（9），利用真空吸头（8）进行取料，取完料之后再来到下位工业相机CCD（10）进行图片拍摄，同样将拍到的图片传递给图像采集卡（14）在工控机（15）进行分析，判断是否为需要的零件，如果不是，则将现有零件投掷废料盒（11），重新回到原料盒（9）取料，如果是，则送去工装板对应的位置放置，完成后，再回到原料盒（9）获取下一个原料。其中，（12）为正方体零件，（13）为梯形体零件，两者底部都要银色圆形磁盘对应于工装板底部同样有银色磁盘，一是固定工装板上零件，二是视觉处理中辨别工装板上对应的位置是否缺少零件。

图1 系统工作流程图

1.2 系统实现

1.2.1 硬件设计

设备主要由气动控制单元、电气控制柜、CCD机构执行单元、电控盘单元、人机交互单元组成［1］，如图2所示。

电控盘：该部分包含电气元件的开关和元器件的主要布线分布，包括开关电源、运动控制卡端子板、断路器、PCB控制板等。

气动控制单元：该单元由真空发生器、负压表、真空吸盘组成。

CCD机构执行单元：该单元包括两套CCD检测系统、智能相机组成的检测系统和普通工业相机组成的检测系统。两套系统都分别由相机、光源、镜头等组合而成。

电气控制柜：控制柜内包含了工控机、伺服电机驱动器等。人机交互单元：操作/显示面板的功能是实现人机交互。

图2 系统硬件框图

1.2.2 软件设计

软件设计包括前面板设计以及程序框图设计。

前面板设计为人机交互界面，可以保证使用者在使用过程中掌握当前系统的运行情况以及进行简单的控制操作，如图3所示，系统的前面板设计内容包括：

（1）状态提示框：提示用户当前机台的工作状态；

（2）镜头拍摄照片：显示通过上下相机拍摄获取的照片；

（3）视觉处理后的效果显示：显示通过视觉处理效果，用以判断获取的原料是否是空缺处所需的原料；

（4）XYZR四轴位置：显示当前四轴的具体位置；

（5）总时间：显示总运行时间；

（6）循环次数：显示循环次数；

（7）操作按键：分别为自动输入控件、暂定输入控件以及复位输入控件；

（8）历史记录：显示历史过程；

（9）状态显示：显示当前工作状态，有正常、报警以及警告三种，用户根据不同的工作状态进行操作。

图3 前面板设计

机器视觉部分采用NI Vision模块，实现相机自动控制、图像预处理及形态学分析，涉及几何形态、边缘探测两个特征参数，再利用LabVIEW的开发环境，对算法程序进行柔性地配置。

视觉处理对图像判断的方法共有20种，分别是：1）找模板；2）找边；3）找圆；4）斑点；5）几何运算；6）设定坐标系；7）发送命令；8）获取图片；9）绘图；10）Local Thredhold；11）CountPixel；12）找轮廓；13）Bightness；14）Gray Morphology；15）中值滤波；16）横纵向滤波；17）读取二维码；18）OCR；19）粒子滤波；20）颜色匹配。在本应用中，视觉处理算法实现的功能有：1）判断工装板对应位置有无零件缺失；2）提取的零件是否为工装板对应位置所需要的零件。针对上述两个功能，在功能一中，因为工装板对应位置有银色磁性圆盘，当零件空缺与不空缺的时候，斑点范围不同，所以对于功能一采用“斑点”和“找边”判断方法，如图4所示，图4 a中，在边界范围内斑点数满足银色磁盘的斑点数数量范围，所以该处为零件空缺，而在图4 b中，边界范围内的斑点数不满足银色磁盘的斑点数数量范围，所以该处无零件空缺。

图4 “斑点”法和“圆形”法

在功能二中，在本应用的针对两个零件的形状和大小不同，采用了“找边”和“圆形”的图像判别方法，如图5所示，通过设定一个参照对比的“圆形”与下相机拍摄到的图形轮廓“找边”进行比较，如果图形轮廓在设定的圆内，则为正方体，如图5 a所示，相反，如果图形轮廓超出设定的圆，则零件为梯形体，如图5 b所示。

图5 “圆形”法和“找边”法

2 结语

将虚拟仪器技术与机器视觉技术结合起来实现的整个系统，可以灵活、快速、智能地完成零件的位置探测，实现零件的提取与放置过程［2］。本系统针对精密零件的位置检测过程，其效率更是远远高于我们人工肉眼手动操作。同时，该系统有很强的灵活性和可扩展性，使用范围广，有一定的经济效益。