智能视觉检测系统在物料分拣中的应用研究*

凌双明

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

目前的物料检测方式有很多都是依赖人工进行，占用大量的劳动力和时间。在目前我国人工红利逐渐消失的情况下，不利于产品成本的降低[1]。而大部分的自动分拣系统都存在检测效率不高的问题，尤其是视觉检测的普及显得尤为重要[2]。设计一套基于智能视觉检测的设备，并解决视觉检测过程中出现拍摄不全或者在不同摆放位置下物品和物料拍摄效果差异大的问题，可以为今后的智能分拣提高参考价值。

1 视觉检测物料分拣系统装置

基于视觉检测的物料分拣系统装置，其整体设计包括：传送带装置、排列机构和物料检测机构，排列机构位于传送带装置的右端，物料检测机构安装于传送带装置中部，物料检测机构内部包括：放置在地面上的基座盘，基座盘顶部通过轴承与连接杆转动连接有安装框，安装框内壁滑动连接有齿环。物料分拣系统装置通过物料检测机构可以有效地增大分拣过程中扫描物料形状的正确率，对比现有技术中，物料在人工放置在传送装置上时，物料一般无法完全按照正常摆放的方式进行放置，而现有机器的扫码都是平面进行拍照，增加了工人的操作难度。本文所设计的物料分拣系统装置，可以设计成当工人无论以何种角度放置，都可以准确快速地对物料进行拍照识别。排列机构可以将物料依次放置到传送带装置上，从而可以有效避免物料出现过分堆积的情况，而导致扫描拍摄出现障碍的现象。

图1 视觉检测物料分拣系统装置

装置中的排列机构位于传送带右端，检测机构安装于传送带中部，检测机构内部包括有放置在地面上的基座盘，基座盘顶部通过轴承与连接杆转动连接有安装框，安装框内壁滑动连接有齿环，齿环外壁一侧啮合连接有位于安装框内部的第一齿轮。传送带左端正下方设置有单向推杆，单向推杆伸缩端固定连接有与传送带相互活动连接的顶压板，传送带左端两侧安装有关于顶压板中心对称分布的第一相机，有效解决了工人在放置物料的过程中，可能将物料的信息页压在传送带一侧，导致机器无法正常扫描的问题，从而提高了分拣效率。排列机构内部包括有通过支撑杆与地面相连的底盘，底盘顶面左右两侧安装有侧边挡板，底盘顶部安装有分拣转盘，分拣转盘中部嵌套有双向推杆，排列机构可以将物料依次放置到传送带上，这样可以避免物料出现过分堆积的情况，导致扫描拍摄出现困难。两个单侧齿轮相互平行分布，安装框内圈通过开槽与齿环和第二相机相互活动连接，检测机构以最大限度带动第二相机在各个角度上进行运动，可以更加充分地对物料进行扫描，降低扫描出现失误的概率。传送带中部呈半圆环状结构，传送带穿过安装框中心圆心处，效果是：传送带通过半圆环结构在输送的过程中带动物料转动角度，从而提高显示效率。

2 视觉检测物料分拣系统硬件设计

视觉检测物料分拣系统，其硬件部分主要由半圆形弯道传送带分拣单元、智能视觉检测单元、主控系统(西门子S7-1200PLC)和六轴机器人等部分组成。相机选用耗能小、可有效降低噪声的康耐视智能相机，光源选择可调式的LED光源。智能相机不直接通过IO板与ABB IRB120工业机器人通讯，而是选择西门子工控机作为主站进行通讯，以求尽最大可能达到视觉检测和定位的准确效果。主要控制方式是：工控机首先启动传送带将物料运行至视觉检测机构下(半圆形弯道部分)后停止传送带，传感器接收到信号后反馈给工业机器人，接下来由工业机器人发送启动触发信号给康耐视智能相机(先发送上使能命令，再发送拍照命令)，相机被触发拍照完成后，通过智能相机对被检测物的图像进行处理分析，再通过软件算法进行计算及优化，包括图像的二值化预处理、清晰度的调整方式、形态学任务选择和掩膜区域、噪声过滤等对检测图像进行处理和计算定位[3]。反馈完成信号给工业机器人或工控机，由工业机器人或工控机处理目标位置和颜色数据并传送给工业机器人执行分拣。分拣系统的控制部分各个单元中，只有传送带装置是由PLC的I/O口控制的，其他单元，包括智能视觉检测单元、工控机主控单元、六轴工业机器人均由交换机连接通讯，通讯模式采用Profinet工业以太网协议，但是当相机设置为直接与工业机器人进行通信时，通信方式则采用sorket通信。

图2 视觉检测物料分拣系统硬件设计

3 智能视觉检测单元的通信与测试

工业机器人与相机的通信采用后台任务执行的方式，即：工业机器人和相机的通信及数据交互在后台任务执行，工业机器人的动作及信号输入输出在工业机器人系统任务执行[3]。后台任务中，工业机器人获取相机图像处理后的数据通过任务间的共有变量共享给工业机器人系统任务；工业机器人系统任务中，根据后台任务共享得到的数据，控制工业机器人执行相应的程序。

通过分析工业机器人与相机的通信流程，现将工业机器人与相机的通信程序分为三个子程序：先建立Socket连接，再发送拍照指令，最后获取相机数据。为完成工业机器人与相机的通信程序，必须先在工业机器人系统中配置后台任务，并创建Socket及其相关变量，最后编写这三个子程序。

图3 机器人和相机的通信步骤

工业机器人与相机通信所需要用到的Socket及其相关变量如表1所示。PartType、Rotation、CamSendDataToRob为CameraTask和T_ROB1任务共享的变量，其存储类型必须为可变量，CameraTask和T_ROB1必须同时具有以上变量。

表1 Socket及其变量

4 工业机器人分拣物料的实现方法

示教物料抓取参考点的步骤为：第一步，将某一颜色的电机端盖物料放置到传送带末端的合理位置；第二步，打开In-sight Explore，手动进行拍照，记录此时FN工具得到的XY位置像素值：(203.2,382.9)，此像素值会根据物料位置不同而不同；第三步，示教物料抓取参考点，此抓取点将作为工业机器人抓取物料位置偏移的基准点；最后建立抓取工件的变量。

工业机器人抓取工件的程序设计功能主要包括：从传送带拾取物料例行程序开始→抓取点相对于抓取参考点在X方向上的偏移→抓取点相对于抓取参考点在Y方向上的偏移→抓取参考点赋值给抓取点→抓取点相对于抓取参考点进行偏移→机器人移动到抓取点上方65 mm处→机器人移动到抓取点→吸盘吸取工件→等待0.8 s→机器人返回抓取点上方65 mm处→机器人返回原点→从传送带拾取物料例行程序结束。具体程序如下所示(以ABB工业机器人为例)：

PROC PickPartFromConveyor()

off_x:=(y_pixel-391.5)*mm_per_pixel;

off_y:=-1*(x_pixel-235.1)*mm_per_pixel;

pick:=pick_ref;

pick:=Offs(pick_ref,off_x,off_y,0);

MoveJ offs(pick,0,0,65),v200,z5,tool_xipan;

MoveLpick,v50,fine,tool_xipan;

set yv9;

WaitTime 0.8;

MoveL offs(pick,0,0,65),v200,z5,tool_xipan;

MoveAbsJjhomeNoEOffs,v200,fine,tool0;

ENDPROC

机器人连接相机并控制拍照的设计点为：连接相机程序开始→关闭套接字→创建套接字→连接相机地址为192.168.102.101，端口号为3010→地址和端口号给相机模块→示教器显示收到的数据→机器人发送adminda→相机模块收到数据→示教器显示收到的数据→机器人发送空字符→相机模块收到数据→示教器显示收到的数据→机器人发送相机拍照指令→相机模块收到数据→如果收到数据错误，将示教器上数据清除→并显示相机错误→停止运行→条件判断结束→程序结束。具体程序如下所示(以ABB工业机器人为例)：

PROC ConnectCamera()

SocketCloseCamSocket;

SocketCreateCamSocket;

SocketConnectCamSocket,"192.168.102.101", 3010;

SocketReceiveCamSocketStr:=strrecv;

TPWritestrrecv;

SocketSendCamSocketStr:="adminda";

SocketReceiveCamSocketStr:=strrecv;

TPWritestrrecv;

SocketSendCamSocketStr:="da";

SocketReceiveCamSocketStr:=strrecv;

TPWritestrrecv;

SocketSendCamSocketStr:="sw8da";

SocketReceiveCamSocketStr:=strrecv;

IF strrecv<>"1da" THEN

TPErase;

TPWrite "CameraError";

Stop;

ENDIF

ENDPROC

5 总结

智能视觉检测系统装置，包括传送带装置、排列机构和物料检测机构，物料分拣系统装置通过物料检测机构可以有效地增大分拣过程中扫描物料形状的正确率，能有效解决物料在人工放置在传送装置上时，因为无法正常放置物料位置，导致工业机器人拾取位置不准确的问题，可以多角度准确快速地对物料进行拍照识别，提高了物料分拣效率。检测机构在180 ℃范围内带动相机在各角度上进行运动，可以更加充分对物料上进行扫描，降低扫描出现失误的概率。传送带中部呈半圆环状结构，传送带穿过安装框中心圆心处，带动物料转动角度，提高显示效率。分拣系统的控制部分各个单元中，只有传送带装置是由PLC的I/O口控制的，其他单元，包括智能视觉检测单元、工控机主控单元、六轴工业机器人均由交换机连接通讯，通讯模式采用Profinet工业以太网协议，但是当相机设置为直接与工业机器人进行通信时，通信方式则采用sorket通信。通信和机器人动作程序都能正常运行。