基于运动控制卡和工业视觉的综合实训平台设计

时间：2024-08-31

周俊宇，夏琳燕，周全，黄俊

（1.湖南工业职业技术学院机械工程学院，湖南长沙 410208；2.长沙学院机电工程学院，湖南长沙 410022）

视觉系统是与工业应用结合最紧密的人工智能技术。学者对视觉系统的研究由20世纪60年代初期开始，从最初的二维图像模式识别发展到后来的三维工业视觉系统，再到现在全球性的视觉系统研究。视觉系统的功效、性能以及覆盖领域随着智能制造行业的兴盛而逐步发展，为更多设施设备提供了可以探测物理世界的“眼睛”。同时，系统的可靠性也越来越得到保障，为无人化车间和智能化工厂的实现提供有力的技术支撑。因此，视觉系统被广泛应用于智能制造、智慧农业、智慧交通和智慧安防等诸多领域［1-4］。

目前各高校的综合实训平台主要有以下类型：（1）基于PLC的工业机器人实训平台［5-6］，可利用该平台PLC控制机器人模拟产线的一些简单功能，来开展实训教学；（2）基于智能制造虚拟仿真实验的实训平台［7］，是通过计算机和强大的功能软件系统搭建的实训平台，可以有效解决智能制造工程实践教学环节中出现的问题；（3）基于NX11.0 MCD自动线的仿真实训平台［8］，通过计算机和强大的功能软件来实现智能化产线的调试和生产的演示；（4）基于组合机器人及视觉检测搬运控制系统的实训平台［9］，通过机械手和视觉系统的组合来模拟产线上视觉系统的简单功能，以开展实训教学和视觉系统搭建。文章设计了一种全新的基于运动控制卡和工业视觉的综合实训平台，可提供更高精度的轨迹规划、更优的控制方案，以实现更多生产线的自动化功能，也可以让更多的学生走进工业视觉的实训课堂，培养大学生在工业视觉方面的专业知识和实践动手能力，为今后步入社会、走向工作岗位夯实基础。

1 平台架构

基于运动控制卡和工业视觉的综合实训平台整体架构如图1所示，总体分为设备层、控制层和应用层。设备层由物料台、机械模组、工业相机及其组件、传感器、伺服系统等组成；控制层由运动控制卡和工控机组成，同时由视觉系统进行图像处理和Visual Studio 2015编程软件实现逻辑控制；应用层是工业视觉控制系统的应用体现，能够实现识别、测量、分拣、搬运和码垛等生产线上的自动化功能。

图1 综合实训平台架构

使用该平台时，首先是设备层反馈各种信号到控制层，然后经控制层的控制系统处理后对设备层发送各种指令，并操纵相应的设备执行相应的动作，以完成应用层的自动化功能。

文章根据上面所描述的平台架构，采用模块化设计的方法来设计该综合实训平台，可以分为如下六个功能模块。

（1）工控机模块：采用研华品牌。作为视觉系统软件、人机交互界面和运动控制卡编程软件的载体，拥有强大的计算和处理能力，可以用来培训操作人员的计算机操作和软件处理能力。

（2）传感器检测模块：采用欧姆龙的凹槽型光电开关和接近开关。安装于物料台的工件检测位置，可以用来检测工件或者机械模组是否到达相应位置，并反馈给控制系统。此模块可以用来培训操作人员的传感检测技术的应用能力。

（3）人机交互界面模块：人机交互界面的整体页面设计采用Visual Studio 2015软件中的Windows窗体控件，增强了系统整体的灵活性，可进行位置、速度等参数设定，使操作更加简捷便利。此模块可以用来培训操作人员的人机交互界面的整体设计和编程能力。

（4）工业视觉系统模块：采用OPT品牌。包括相机、镜头、光源、光源控制器和Cognex视觉软件等。其中，光源和光源控制器可以通过照明光亮度的调节，提高采集到的图片的质量；相机和镜头可以通过调节光圈和焦距等来采集高质量图像，以便后续的图像分析处理；Cognex视觉软件主要是用来进行图像采集和处理，得到想要的工件位置和特征，以便控制系统执行相应命令，达到自动化功能。此模块可以用来培训操作人员的工业视觉专业知识学习能力、器件选型能力和视觉动手调试能力。

（5）运动控制系统模块：硬件采用凌华的运动控制卡和松下伺服系统，软件采用Visual Studio 2015。其中，运动控制卡在Visual Studio 2015上采用C#语言进行编程，以实现高级逻辑控制和网络通信等功能；松下伺服系统主要用来进行精确位置移动。此模块可以用来培训操作人员的运动控制系统的编程能力和动手调试能力。

（6）搬运码垛模块：采用机械模组和物料台。实质上类似于一个4自由度的机器人，轴X、轴Y、轴Z和轴R都配备有伺服电机和伺服驱动器，由运动控制卡编程控制机械模组进行轴X、轴Y、轴Z和轴R这4个方向的自由移动，通过抽真空抓取工件以实现搬运、码垛等自动化功能。此模块可以用来培训操作人员的安装调试能力。

图2 功能结构

2 工作原理

基于运动控制卡和工业视觉的综合实训平台具体工作流程如图3所示。首先使用工业相机拍照进行图像采集，并使用Cognex视觉软件将采集到的图像进行一系列图像处理，得到每个工件的具体位置和特征；然后经过手眼标定，得到工件的像素点坐标和实际位置的坐标；最后根据得到的工件位置、特征以及项目需要达成的目标功能，进行编程来产生控制指令，并且使用运动控制卡操控的伺服系统来驱动机械模组，实现应用层的多种自动化功能。

图3 工作流程

2.1 工业视觉系统单元

工业视觉系统单元由工控机、相机、镜头、光源、光源控制器和Cognex视觉软件等构成。

首先，工业视觉系统收到控制系统给出的拍照信号后，会打开光源，并根据光源控制器设计的参数进行亮度调节，提高图片的对比度和亮度，从而提高图片质量。

然后，通过Cognex视觉软件对拍照得到的图片进行手眼标定、色彩转换、图像二值化、斑点分析、椭圆拟合等一系列的图像处理，有效判别工件，避免无效处理。

最后，把处理后的图像与开始设计时的图像进行位置和特征匹配。如匹配失败，表示没有检测到物体或者检测到异常物体，机械模组回到原点。如匹配成功，则工业视觉系统会进一步对拍照图像的标签、划痕、特征判断、条形码或者二维码等进行识别和测量；如识别成功，则运动控制系统将执行下一步动作；如识别失败，则表示特征识别错误，机械模组回到原点。工业视觉系统的部分脚本代码如图4所示。

图4 工业视觉系统的部分脚本代码

2.2 运动控制系统单元

运动控制系统单元由运动控制卡、人机交互界面、伺服系统、机械模组、传感器检测系统等构成。

首先，按下启动按钮，运动控制卡控制伺服电机驱动机械模组运动到拍照位，运动控制卡输出一个拍照的触发信号给工业视觉系统。此信号可以是硬件触发，也可以是软件触发。

然后，根据工业视觉系统在经过图像处理后发送的数据信息，运动控制卡控制伺服系统驱动机械模组的轴X、轴Y、轴Z、轴R运动到取料位或者放料位，通过抽真空抓取工件，然后根据编程得到的预设动作轨迹将工件搬运到OK或者NG区域，并进行码垛，码垛完毕后循环进行下一个工件的检测、识别、搬运和码垛。

伺服系统主要靠脉冲来定位，伺服电机在接收到控制系统发送的一个脉冲信号后，就会产生一个对应的旋转角度，从而实现位移。而伺服电机本身携带有编码器，根据其产生的位移可以形成对应的脉冲信号反馈给控制系统，这样就和控制系统发出的脉冲形成一个闭环，可以很精确地控制伺服电机的转动，实现精确定位，且精度可以达到0.001mm。这里的伺服参数设置中，轴X、轴Y、轴Z每移动1mm都设置为1 000个脉冲，轴R每旋转1度设置为3 600个脉冲。其中部分参数设置情况如图5所示。

图5 伺服轴部分参数设置

依据控制系统的项目方案要求，对运动控制系统进行预设动作轨迹编程。其中部分控制系统的代码如图6所示。

图6 控制系统的部分代码

2.3 调试中出现的问题

在机械模组的运动过程中，轴X、轴Y、轴Z、轴R可以同时运行，因此轴X和轴Z、轴Y和轴Z之间存在干涉问题。如在水平X或者竖直Y方向运行时，若轴Z没有上升到一定高度，会碰撞到工件摆放的凹槽壁上。故机械模组需设置一个安全区域，在自动运行的取料过程中，先保证轴Z抬升到一定高度，再允许轴X和轴Y运行；在自动运行的放料过程中，先保证轴Z的高度在安全区域，再允许轴X和轴Y运行。这样即可解决此干涉问题。

在机械模组的运动过程中，轴R可以进行360°旋转，在回原点的过程中，如果轴R一直沿顺时针方向旋转，将会导致其连接线路拧成一团。故给轴R设置一个零点，即在原点位置安装一个接近开关。当轴R沿逆时针方向旋转时，其伺服电机中的编码器为减计数；沿顺时针方向旋转时，其伺服电机中的编码器为增计数。这样即可解决轴R的连接线路拧成一团的问题。