基于視覺識別的自動輸送線控制系統(tǒng)設計

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1、無錫職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計（論文）摘要 基于視覺識別自動輸送線控制系統(tǒng)設計 摘要 在工業(yè)制造中，手工已經(jīng)滿足不了大批量、高強度的制造活動，機械視覺可以代替肉眼在高危工作環(huán)境下操作，并且還能保證檢測結果的準確度和精密度；主動傳輸線避免了手工直接參與，減少了制造費用。為此設計研發(fā)了依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系。 依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系主要由可編程邏輯控制器、智能攝像機、光照、光電換能器、雙軸氣缸和VFD等組合而成。智能攝像機用于辨認制造線上工件的類型和位置，而且將數(shù)據(jù)得到到制造線的可編程邏輯控制器，智能攝像機與可編程邏輯控制器經(jīng)過串口完成數(shù)據(jù)通信。 本文首先闡述依據(jù)視覺

2、辨認的主動傳輸線掌控體系現(xiàn)狀、運用、進展和探究該課題的意義。接著闡述體系的方案設計，方案設計包括體系構造設計，硬設備選型和軟件設計，而且闡述了SIMATICS G120VFD和信捷X-Sight SV4-30M智能化一體攝像機以及西門子S7-1200 可編程邏輯控制器等裝置性能。然后根據(jù)視覺辨認主動傳輸線工作流程編輯了主動傳輸線體系工件辨認、數(shù)據(jù)處理與傳輸?shù)裙δ馨鍓K及攝像機工位、工作抓取工位相互配合動作的邏輯指令序列。最后進行仿真測驗，而且分析仿真結果和實踐歷程中所遇到的難題。 關鍵詞：機械視覺 照片處理 S7-1200可編程邏輯控制器 主動制造線 III

3、Design of Automatic Transmission Line Control System Based on Visual Recognition Abstract In the industrial production, the artificial has been unable to meet the large quantities of high-intensity production activities, machine vision can replace the human eye in high-risk working environment oper

4、ations, but also to ensure the accuracy of the test results; automatic transmission line can avoid manual direct participation, Reduce production costs, shorten the production cycle. The automatic transmission line control system based on visual recognition is designed and developed for this purpose

5、. The automatic transmission line control system based on visual recognition is mainly composed of intelligent camera, photoelectric sensor, light source, double cylinder, PLC and frequency converter. Intelligent camera is used to identify the type and location of the workpiece on the production li

6、ne, and the data output to the production line PLC, intelligent camera and PLC through the serial port to complete data communication. This paper first introduces the status of the automatic transmission line control system based on visual recognition, the application, the development and the signi

7、ficance of the research. Then, the design of the system is introduced. The design of the system includes system structure design, hardware selection and software design. The performance of the SIMATIC S712000 and the Siemens S7-1200 PLC are introduced. And then according to the automatic production

8、line work flow prepared automatic production line system workpiece identification, data processing and transmission and other functional modules and automatic line camera station, work with each other to grasp the work of the logical program. Finally, simulation debugging, and summed up the problems

9、 encountered in the practice. Key Words Machine vision Image processing S7-1200PLC Automatic production line 目錄 第1章 緒論 1 1.1體系概述 1 1.2國內外探究現(xiàn)狀 1 1.3運用與進展 2 1.4探究該課題的意義 2 第2章 方案設計 4 2.1體系構造設計 4 2.2體系硬設備選取 4 2.3體系軟件設計 5 第3章 體系硬設備構造 7 3.1視覺體系 7 3.1.1光照 7 3.1.2鏡頭 7

10、 3.1.3智能攝像機 8 3.1.4光照掌控器 8 3.2主動制造線 9 3.2.1檢測器件 9 3.2.2驅動裝置 9 3.3體系硬設備構造 11 3.3.1智能攝像機的安裝 11 3.3.2主動制造線構造 11 第4章 體系軟件設計 13 4.1攝像機指令序列設計 13 4.1.1攝像機參變量裝配 13 4.1.2 照片辨認 14 4.2主動制造線軟件設計 17 4.2.1博途軟件 17 4.2.2硬設備組態(tài) 17 4.2.3主

11、動制造線指令序列 18 4.3體系集成 20 4.3.1攝像機通信指令序列設計 20 4.3.2數(shù)據(jù)處理 22 第5章 體系聯(lián)調與總結 24 5.1測驗 24 5.2總結 26 致謝 27 參考文獻 28 IV 第1章 緒論 1.1體系概述 利用機械代替肉眼辨認東西收取訊息，而且對所提取的訊息加以處理和分析從而實現(xiàn)某種掌控目的，也就是所說的依據(jù)視覺辨認的工業(yè)檢測裝置。主動傳輸線經(jīng)過氣動，液壓，電動機，換能器和電氣掌控體系聯(lián)合工作，使體系按照特定的指令序列連續(xù)主動地進行制造活動。

12、在工業(yè)制造中，經(jīng)過機械視覺和主動傳輸線聯(lián)合運用就組成了依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系。與肉眼不同的是，依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系更注重的是被測東西的大小，形狀以及位置等，且該體系一般工作歷程如下，被測東西被主動傳輸線傳輸至攝像體系處，收取單元接收由換能器發(fā)送的觸發(fā)脈沖，而且按照設定指令序列向攝像機與照明體系發(fā)送觸發(fā)脈沖，燈光照明與電子快門并且開啟，兩者時間應相匹配，然后掃描而且得到照片，照片收取單元接收而且將其數(shù)字化并且實時存儲，經(jīng)過處理器處理，分析照片來達到掌控目的。 1.2國內外探究現(xiàn)狀 依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系正在向大型化方向進展，遠距離，大批量，高精度運輸也成為主

13、動傳輸科技探究領域一個深刻的方面，傳輸機和機械視覺的適用區(qū)間也在逐漸擴大中。低能耗、低噪聲是主動制造線的一個進展走向。 無論是二十世紀五十年代的二維照片的探究還是六十年代的三維機械視覺的探究，這些都是視覺探究的初級時期，真正步入正軌還是二十一世紀之后。從進展的走向來看，機械視覺體系愈來愈依靠PC科技，而且且更易于訊息集成，嵌入式體系將在市場內有廣闊的前景。 韓國 Phoenics 公司制造的主動光學檢測機代表當今 PCB檢測裝置的最高水平，替代肉眼全面檢測 PCB 的貼裝及焊錫狀況。德國西門子公司在工業(yè)照片處理方面擁有多年經(jīng)驗積累，SIMATIC VIDEOMAT是第一個高性能的單色和彩色

14、照片處理體系，而且成為西門子主動化體系中極深刻的產(chǎn)品。伴隨著工業(yè)主動化的飛速進展，全球產(chǎn)業(yè)構造優(yōu)化升級，制造業(yè)向科技密集型轉變，為依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系的進展提供了源源不斷的動力。國外的視覺辨認主動傳輸線大多數(shù)運用于半導體行業(yè)，還有質量檢測和電子行業(yè)等，而且得到了普遍運用。與發(fā)達國家相比較，國內的機械視覺科技水平相對落后，但我國的視覺科技在龐大的需求和運用中水平不斷提高，機械視覺核心科技也漸漸被我們掌握，再加上市場對視覺體系的大量需求，依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系便成了一個異?；馃岬奶骄款I域，也正在由初期的低端向高端前進。 1.3運用與進展 工件的傳輸與檢測在各行各業(yè)運用尤為

15、普遍，伴隨科技進展，大眾對產(chǎn)品的質量要求越來越高，主動化科技便日益受到大眾的重視，而依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系憑借其高效率，高智能，高精度等優(yōu)點，在科學探究和工程實踐中的地位越來越高。 現(xiàn)如今，軸承制造裝配線已經(jīng)實現(xiàn)了高度的主動化，但是其質量檢測問題還未達到應有的主動化。而X-Sight的SV4-30M（亦是本文所運用的智能攝像機）恰恰適合解決這個問題，它能配合主動傳輸線代替手工完成缺珠，缺針，表面劃傷和字符檢測的任務，最深刻的是它的費用最低，是制造廠家不二的選取。攝像機的瑕疵檢測儀器能在近紅外光照映射下檢測出太陽能電池制造歷程中產(chǎn)生的印刷缺陷，邊緣斷柵，表面漏電等問題，節(jié)約人力費用，

16、提高產(chǎn)品品質。因此，探究視覺辨認主動傳輸線領域，對全球制造業(yè)的進展意義重大。依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線體系是當今社會進展的一個大方向，并且也面臨著諸多問題，比如面對比較復雜的目標東西時，機械視覺也會和肉眼一樣出現(xiàn)差錯，從而降低視覺體系的可靠性和精準度。其次，當下還未達到某個視覺體系在任何情況下都通用。因此，在視覺辨認主動傳輸線方面，我們還有很長的路要去探索。 1.4探究該課題的意義 主動制造線已經(jīng)成為了工業(yè)制造中的生命線，其避免手工直接參與，省去了人力和物力，也縮短了工業(yè)制造周期。人能夠能動的改造客觀世界，但人的自身能力存在局限性，在工業(yè)制造中，肉眼不能持續(xù)地，準確和精密地完成重復性極高的產(chǎn)

17、品質量檢測任務，在一些極具危險性的工作環(huán)境人很難按照要求準確和精密地完成任務。這時用依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系代替手工顯得至關深刻。 肉眼能察覺的最小瑕疵是0.3毫米，而機械視覺可實現(xiàn)千分之一英寸，大大提高了精準度，從而提高了產(chǎn)品的質量。肉眼可以感知的光的區(qū)間有限，而且且受大氣層的影響，運用機械視覺可以拓寬視覺區(qū)間。在大批量制造的時候，人類的疲勞程度嚴重影響工作效率，精度也深受其影響，機械視覺可以避免這個缺陷，而且機械視覺體系維護費用低，又代替肉眼省去了大量手工費。依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系在某些行業(yè)有著不可替代的地位，探究該體系對社會科技的進展有著深刻的意義。第2章 方案設計

18、 2.1體系構造設計 可編程邏輯控制器、PC機和智能攝像機共同組成機械視覺體系，PC機經(jīng)過RJ45網(wǎng)口與攝像機相連接，可以處理照片、編輯和下載指令序列等。可編程邏輯控制器和光照掌控器聯(lián)合掌控智能攝像機，且兩者經(jīng)過雙絞線進行通信。機械視覺體系框圖如圖2-1所示。 在智能攝像機完成上電后，執(zhí)行啟動指令序列，其中啟動指令序列包含三個方面的功能，首先是檢查攝像機的硬設備情況，其次是檢查攝像機的體系指令序列的情況，最后是檢查是否需要固件升級，換言之就是看上位機軟件 X-Sight Studio 與攝像機的固件的版本是否相同。體系指令序列包括收取、測驗、使用以及停止這四種模式。體系指令序列也包含幾個

19、方面的功能，一方面辨認東西收取照片訊息，另一方面將照片轉換為數(shù)字量訊息，最后將數(shù)字量訊息得到。 智能攝像機的通訊方式有兩種，分別是串口通信和以太網(wǎng)通信。任意一個RS-485裝置都可以與攝像機進行通信，兩者經(jīng)過RS-485通信，但前提是該裝置支持Modbus通信協(xié)議。100M以太網(wǎng)可以與100M以太網(wǎng)裝置通信，前提是該裝置支持MODBUS-TCP協(xié)議。 載著被測東西的托盤經(jīng)過入口光電換能器，入口光電換能器對其進行托盤計數(shù)，托盤繼續(xù)在傳送帶的傳輸下前進經(jīng)過拍照位光電換能器，拍照位氣缸彈起，拍照延時，延時完畢攝像機拍照，拍照完成后氣缸縮回，智能攝像機將收取到的數(shù)據(jù)傳輸給可編程邏輯控制器，并且托盤

20、放行為下一道工序做準備。視覺辨認主動傳輸線使用歷程如圖2-2所示。 圖2-1 機械視覺體系框圖 2.2體系硬設備選取 依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系所選用攝像機的是信捷X-Sight SV4-30M智能化一體攝像機，攝像機能脫離PC機使用，且擁有CCD/CMOS換能器和DSP芯片，其中換能器可以收取高清照片，芯片可以處理收取的照片。收取、處理、存儲三個板塊再加上通信連接端組成智能攝像機。本文選用百萬像素（Megapixel）低畸變鏡頭，照片失真程度小，價格也相對便宜。由于用鐵盒作為被測東西，只需要獲取黑白分明的鐵盒輪廓照片，故本文取用白色光照背向照明方式（將被測東西放置

21、于光照和攝像機之間即可）。 圖2-2體系使用歷程圖 鑒于所選取的白色光照亮度從頭至尾不曾變化，本文選用手動光圈變焦鏡頭。根據(jù)實際情況考慮，選取靈活簡便快速的西門子S7-1200可編程邏輯控制器。SIMATIC S7-1200可編程邏輯控制器可以經(jīng)過集成PROFINET連接端與多個裝置集成，主要經(jīng)過TCP/IP和TCP上的ISO。 電腦與電動勢掌控器和攝像機的連接分別用交叉網(wǎng)線和SW-IO 串口線。經(jīng)過VFD來改變電機工作電動勢頻率（本文要求40赫茲）來掌控主動傳輸線的傳輸速度。 2.3體系軟件設計 固件升級完畢，而且完成電腦與智能攝像機的連接后，就需要用到軟件界面儀器箱中的儀器。

22、X-sight軟件的運用儀器有預處理儀器，定位儀器，測量儀器，計數(shù)儀器，瑕疵檢測，字符辨認以及彩色提取。本文取用的是定位儀器。X-sight軟件定位儀器又分為點、線、圓、斑點、圖案和矩形內圓定位。根據(jù)實際要求，本文選取了圖案定位。圖案定位是先提取樣板和搜索區(qū)域照片的特征，再進行匹配，從而計算出模板和對象之間的幾何位姿關系。圖案定位中目標搜索的最大個數(shù)，換言之，就是找出照片中匹配得分最高的目標，默認值是1，本文根據(jù)需要變成為3。在搜索區(qū)域區(qū)間內，被測東西可能會出現(xiàn)在照片中的任意位置，也就是說被測東西基準點 X、Y坐標是任意的，因此，可以根據(jù)被測東西在照片中最有可能出現(xiàn)的地方，盡可能選取相對較小的

23、搜索區(qū)域，從而減少使用時間。 攝像機裝配包括攝像機別名，波特率，站號，局部窗口大小， 輸入口濾波時間以及CMOS 掌控參變量等訊息裝配。攝像機站號裝配中的站號與 RS-485 串口通信的站號相同，也與以太網(wǎng)通信 IP 地址的最后一位相同。 操作的觸發(fā)方式有：連續(xù)觸發(fā)、內部定時觸發(fā)、外部觸發(fā)、通訊觸發(fā)四種觸發(fā)方式。連續(xù)觸發(fā)主動收取照片；內部定時觸發(fā)依據(jù)設定周期定時收取照片；外部觸發(fā)依據(jù)輸入口情況收取照片；通訊觸發(fā)依據(jù) Modbus寄存器地址 21-25 的情況收取照片。攝像機使用時，可以在一個掃描周期內執(zhí)行多個操作。 第三章 體系硬設備構造 3.1視覺體系 3.1.1光照 光照直

24、接影響視覺體系輸入數(shù)據(jù)的質量，選取時應該慎重。機械視覺體系中的照明體系都不是通用的，而使目標訊息與背景訊息得到最佳分離提高體系定位精度和可靠性都必須經(jīng)過光照照明來達到。所以光照的選取對機械視覺體系意義重大。 選取光照時，首先要考慮光照的的顏色和形狀，因為它們決定著所收取照片的清晰度和失真度。根據(jù)光照的發(fā)光機理不同，光照可以分為高頻熒光燈，鹵素燈，氣體放電燈等。光照的選取也有一定的標準，根據(jù)預期效果可以選取不同入射角度光照。表面不反光的東西可選取高角度映射（若被測東西反光最好用漫反射光照），照片整體較亮；被測東西輪廓和表面凹凸變化的可選取低角度映射，可以得到黑白分明的照片；曲面東西適合多角度映

25、射；根據(jù)映射方法的不同，光照大致可分為背向照明、前向照明和頻閃光照明等。如果只需要被測東西的輪廓照片，可用背向照明拍攝，得到的照片黑白分明。前向照明運用方便，只要光照、被測東西和攝像機三者安裝在同一側即可。頻閃光要求攝像機拍攝頻率與光照頻率相同。取用和被測東西同色系的光會使照片變亮，和被測東西相反色系的光會使照片變暗。白色光照如圖3-1所示。 圖3-1 白色光照 3.1.2鏡頭 機械視覺體系最主要的部分就是鏡頭，它主要負責將成像目標聚焦在照片換能器的光敏面上，鏡頭的好壞嚴重影響成像的景深，對比度，分辨率及各種像差。因此，鏡頭的選取會直接關系到機械視覺體系所發(fā)揮的真正作用，而且且在選取

26、鏡頭時必須要了解鏡頭的相關參變量，比如說鏡頭的焦長、分辨率、光圈大小以及連接端形式等。 鏡頭有手動光圈和主動光圈兩種類型，兩者所適用的場合不同。主動光圈鏡頭主要經(jīng)過電機驅動來調節(jié)鏡頭的光圈，從而改變孔徑光闌的孔徑大小，進而改變進光量達到亮度調節(jié)，所以其適用于亮度保持變化的工作環(huán)境。手動與主動光圈鏡頭恰恰相反，手動光圈鏡頭更加適用于亮度不變的工作環(huán)境，鏡頭焦長的大小與視角的大小成反比。鏡頭還可以分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類，變焦就是鏡頭本身經(jīng)過調節(jié)，從而增大焦長變化區(qū)間，實質上就是改變成像放大倍率，讓成像始終比較清晰。 3.1.3智能攝像機 攝像機是視覺體系的核心部分，而分辨率作為攝像機最

27、主要的性能參變量之一，其與攝像機的檔次成正比，但而且不是分辨率越高越好，而要依據(jù)電腦的速度，內存和硬盤容量等仔細權衡。 照片收取卡決定了攝像頭的連接端類型，而攝像頭的連接端類型有黑白、彩色、模擬、數(shù)字等。CCD和CMOS 照片換能器處理照片的理論相同，都是利用感光二極管進行光電轉換，將照片轉換為數(shù)字數(shù)據(jù)，但是兩者在傳送數(shù)字數(shù)據(jù)方式上有區(qū)別。照片數(shù)據(jù)傳輸方式分為模擬傳輸方式和數(shù)字化傳輸方式。照片處理單元簡單的說就是對攝像機所收取的照片實時存儲，而且對照片進行預處理、特征提取及東西的分類與辨認。信捷X-Sight智能攝像機集照片收取，照片處理，結果得到和對外通信于一體，簡單方便。信捷智能攝像機分

28、為兩個部分，一個是智能攝像機運用的編定程序軟件X-Sight Studio，另一個是下位機，即智能攝像機。X-Sight智能攝像機如圖3-2所示。 圖3-2 智能攝像機 圖3-3 光照掌控器 3.1.4光照掌控器 光照掌控器主要負責給光照供電，它不僅可以掌控光照的亮滅，還能調節(jié)光照的亮暗程度，并且也能達到頻閃。光照掌控器內有兩路可控光照得到，兩路攝像機觸發(fā)端，和五路攝像機數(shù)據(jù)得到端，AB 端子為 RS485 通訊端口，兩路光照手動調節(jié)開關，預留 7 路站號選取。常用的光照掌控器有兩種，分別是模擬掌控器（手動調節(jié)

29、）以及數(shù)字掌控器（其他裝置遠程掌控）。光照掌控器如圖3-3所示。 3.2主動制造線 3.2.1檢測器件 檢測器件又名敏感器件，它主要負責把被測變量轉換為易于測量的其他形式物理量，以便于指示的處理與運用，是現(xiàn)代傳感科技中最為主要的環(huán)節(jié)。常用的檢測器件有限流元件、機械、電容、熱電、壓電和光電式等。 光電換能器主要的功能就是將光指示轉換成易于測量的電指示，通常由光電器件，光學通路和光照共同組成，且光電器件是光電換能器的檢測器件。本文運用反光板型光電換能器，利用熟知的反射理論去完成光電掌控。托盤中的被測東西擋住反光板反射的光（該光由發(fā)光器發(fā)出），收光器如未成功接收到光，光電開關就得到一個開關掌

30、控指示。光電換能器由于精度高，反應靈敏，在工業(yè)制造中被普遍運用。光電換能器如圖3-4所示。 圖3-4 光電換能器 3.2.2驅動裝置 （1）VFD 操作裝置經(jīng)過驅動裝置來完成對硬設備裝置的掌控，驅動裝置就相當于硬設備裝置的連接端。 VFD經(jīng)過改變交流電機的工作電動勢頻率來達到對外部電力裝置的掌控。VFD包括檢測單元，驅動單元，制動單元和微處理單元。 本文運用的SIMATICS G120VFD是板塊化的VFD，由操作面板部分，掌控單元以及功率板塊組成。SIMATICS G120VFD不需要制動限流元件，是全球第一次將PROFIBUS總線和PROFINET總線通訊直接集成的V

31、FD，擁有優(yōu)化的工程構造以及組態(tài)構造。它的外部散熱片可以完成功率部分散熱的任務，體系對流可以解決電子部分冷卻的問題-，在比較惡劣的環(huán)境下也能正常運用。典型的故障報警有A0700（組態(tài)設置無效）,A0702（與PROFIBUS連接中斷）, A0703（設定值無效）, A0704（未被激活）, A0710（PROFIBUS通訊鏈接故障）等。功率板塊接線圖和SIMATICS G120VFD如下圖所示。 圖3-5 功率板塊接線圖 圖3-6 SIMATICS G120VFD （2）可編程邏輯控制器 可編定程序邏輯掌控器簡稱可編程邏輯控制器，通常由電動勢

32、，存儲器，中央處理單元，輸入得到連接端電路，通信板塊以及功能板塊組成。運用可編定程序存儲器執(zhí)行用戶的指令，再經(jīng)過輸入/得到來達到對外掌控。 本文運用的是西門子制造的S7-1200可編程邏輯控制器，它擁有集成的 PROFINET 連接端，可以用于PROFINET 網(wǎng)絡通信。 它還可以用通信板塊經(jīng)過RS232或RS485 進行網(wǎng)絡通信。S7-1200可編程邏輯控制器擁有三個板塊，分別是CPU 1211C、CPU 1212C 以及CPU 1214C，而且且三個中的任意一個板塊都能夠進行拓展（在CPU之前加入指示板），而且且不會對掌控器的大小產(chǎn)生任何影響。如果在掌控器左側連接通訊板塊，就可以達到串行

33、通信。STEP 7 Basic 軟件為用戶研發(fā)、編輯和監(jiān)視掌控邏輯提供了良好的環(huán)境，它擁有LAD 和 FBD兩種編定程序語言，便于用戶的運用。STEP 7 Basic 軟件不僅提供了創(chuàng)建項目和組態(tài) HMI 裝置的儀器，還提供了在線幫助體系，快捷地幫助用戶查找所需要的訊息。S7-1200可編程邏輯控制器如圖3-7所示。 圖3-7 西門子S7-1200可編程邏輯控制器 3.3體系硬設備構造 3.3.1智能攝像機的安裝 RJ45 網(wǎng)口與 DB15 串口是智能攝像機上的兩個連接端，其中攝像機與電腦連接用交叉網(wǎng)線，攝像機與電動勢掌控器連接用SW-IO 串口線。攝像機的電動勢掌控器接線圖如

34、圖3-8所示，智能攝像機安裝尺寸如圖3-9所示，但也可以根據(jù)實際的需要作出有關的調整。 圖3-8攝像機電動勢掌控器接線圖 圖3-9智能攝像機安裝尺寸圖 3.3.2主動制造線構造 托盤傳動設備分成六個工位，如圖3-10所示。載著被測東西的托盤從工位6進入流水線電機驅動的鏈式傳送帶，托盤被傳送帶傳送至工位4，也就是視覺檢測工位，視覺體系對其進行檢測后將收取到的數(shù)據(jù)傳輸給可編程邏輯控制器，而且將托盤放行至工位1，即機械人抓取工位，被測東西被機械人抓取至指定位置。 依據(jù)視覺辨認的主動傳輸線掌控體系由智能攝像機，掌控柜，光電換能器

35、，雙軸氣缸，VFD，流水線電機和傳動設備等組成，取用可編程邏輯控制器體系掌控。視覺辨認制造線現(xiàn)場構造圖如圖3-11所示，主動制造線掌控柜由變壓器，電動勢開關，蜂鳴器，啟動按鈕，接觸器，可編程邏輯控制器等組成，掌控著整個流水線的運作，如圖3-12所示。 圖3-10 制造線托盤放置圖 圖3-11-1視覺辨認制造線現(xiàn)場構造圖 圖3-11-2 視覺辨認制造線現(xiàn)場俯視圖 圖3-12 主動制造線掌控柜 第4章 體系軟件設計 4.1攝像機指令序列設計 4.1.1攝像機參變量裝配 信捷智能攝像機編定程序軟件運用的是X-si

36、ght studio軟件，該編定程序軟件只適合使用在 Windows XP、Windows2000或以上平臺。菜單欄，常規(guī)儀器欄，攝像機儀器箱等共同組成軟件界面。 （1）IP地址設置 首先完成硬設備接線，再根據(jù)圖4-1步驟完成以太網(wǎng)卡的裝配，其中IP地址變成為：192.168.8.253；子網(wǎng)掩碼變成為：255.255.255.0，如圖4-2所示。 圖4-1以太網(wǎng)卡的裝配步驟圖 （2）攝像機連接 完成以太網(wǎng)卡裝配后，先打開信捷智能攝像機運用的X-sight studio編定程序軟件，單擊連接按鈕，軟件主動的彈出搜索窗口，而且顯示已搜索到的可與電腦相連接的攝像機，點擊確定完成連接。

37、在與攝像機連接后，必須先查看上位機軟件 X-Sight Studio 與攝像機的固件兩者版本是否相同，如果不相同，上位機軟件指令序列就沒有辦法下載到攝像機中。如果攝像機固件的版本與軟件的版本不相符時，可以進行固件更新，更新前，必須要先進行電腦IP地址變成，將IP地址改為192.168.8.253，變成完電腦的IP地址以后，需重新上電啟動智能攝像機，而且重新建立與電腦的連接。連接后，打開體系固件而且將體系固件下載至智能攝像機，至此固件升級完畢，固件升級歷程中一定不能斷電。在體系固件升級完成之后，必須給攝像機重新上電啟動，否則攝像機與上位機軟件連接時會出現(xiàn)故障導致無法連接。固件升級如圖4-3所示。

38、 圖4-2 以太網(wǎng)卡裝配 圖4-3 固件升級 4.1.2 照片辨認 智能攝像機通常由四個部分組成，分別是收取板塊、處理板塊、存儲板塊和通信連接端。這四種模式有著一個共同的特點都支持通信，并且它們也有著獨自的特點。收取、測驗、使用和停止這四個模式是攝像機的執(zhí)行歷程，四個模式負責執(zhí)行不同的任務。其中收取模式它僅僅負責被測東西照片的收取，不對所收取的照片進行任何的處理，當然也不會對外得到任何結果。測驗模式只對上位機下載的照片進行處理，它和收取模式一樣不會對外得到任何結果，與收取模式的區(qū)別在于它不負責收取照片。使用模式相當于集收取模式和測驗模式于一體，既收取照片又會對上位機下載的照片

39、進行處理。除了完成這兩個任務，使用模式比收取和測驗模式還多執(zhí)行一個任務，即對外得到結果。停止模式就非常簡單了，相當于平時所說的停滯狀態(tài)，也就意味著它和使用模式是對立的，使用模式執(zhí)行的任務它都不執(zhí)行。 在電腦成功與智能攝像機連接后，單擊儀器欄中的收取 和顯示照片 按鈕，照片的顯示窗口就能顯示攝像機實時拍攝的照片。通常拍攝的照片效果不如預期的理想，這時可以經(jīng)過調節(jié)攝像機的光圈和焦長來解決問題。調節(jié)攝像機的光圈，可以改變照片的亮暗程度；調節(jié)攝像機的焦長，可以改變照片的清晰度。若調節(jié)完攝像機的光圈和焦長之后依舊沒有實現(xiàn)理想的效果，還可以經(jīng)過上位機軟件 X-Sight Studio 來變成攝像

40、機的裝配，調節(jié)顯示效果。單擊體系，再點擊攝像機裝配，調節(jié)曝光時間和增益。照片收取如圖4-4所示。 圖4-4 照片收取 在完成攝像機的裝配后，用定位儀器中的圖案定位來辨認東西。在攝像機下方擺放被測東西，擺放的時候盡量放正，單擊圖案定位，拖動矩形框，將之前所擺放的被測東西包在矩形框中，點擊圖案定位儀器，拖動矩形框，將要辨認的東西包在矩形框中。在矩形框位置確定之后，軟件界面會主動彈出一個窗口，可以在該窗口中變成目標搜索的最大個數(shù)，本文將目標搜索的最大個數(shù)變成為3。這時可以發(fā)現(xiàn)，顯示窗口有兩個矩形框，內側的矩形框稱之為辨認框，外側的矩形框稱之為搜索框，被測東西一旦超出了搜索框的區(qū)間，攝像機就

41、無法辨認被測東西。 完成上述工作后，雙擊軟件界面下方結果表里的Tool1，在彈出的窗口中單擊學習，圖案定位到此完成。假設一開始放置的是一個矩形被測東西，學習完這個矩形東西之后，在攝像機搜索框內放置兩個矩形東西，攝像機就可以正確辨認這兩個矩形東西。打開軟件界面下方結果表里的Tool1，就可以獲取被測東西的位置訊息（目標重心坐標集合）。圖案定位如圖4-5所示。 圖4-5 圖案定位 學習完成后，單擊窗口，再點擊窗口中的Modbus裝配，在主動彈出的窗口中添加裝配訊息。按圖4-6添加裝配。 圖4-6 添加裝配訊息 完成添加裝配后，單擊窗口，再點擊窗口中的Modbus 得到，在主動彈出

42、的窗口中，此時只能在仿真界面查看被測東西的位置訊息（目標重心集合），如圖4-7所示，因為還未把指令序列下載到只能攝像機中去。在智能攝像機操作裝配中，觸發(fā)方式可大致分為內部定時觸發(fā)、通訊觸發(fā)、連續(xù)觸發(fā)、外部觸發(fā)這幾類，本文取用外部觸發(fā)，經(jīng)過外部的 X0 端口，觸發(fā)智能攝像機拍照，而且經(jīng)過Y4 發(fā)出拍照完成指示，如圖4-8所示。 圖4-7仿真Modbus得到監(jiān)控結果 圖4-8操作裝配 4.2主動制造線軟件設計 4.2.1博途軟件 博途軟件是西門子公司研發(fā)的第一款擁有統(tǒng)一工程組態(tài)和軟件項目環(huán)境的全集成主動化軟件，它可以對某些其他產(chǎn)品進行組態(tài)，編定程序和測驗。 4.2.2硬設備組態(tài)

43、 硬設備組態(tài)就是在網(wǎng)絡編輯器和裝置之間創(chuàng)建一個和實際硬設備體系相對應的模擬體系，這其中包括實際用到的可編程邏輯控制器和HMI的型號和版本等。觸摸屏，可編程邏輯控制器和機械視覺體系三者經(jīng)過profinet連接通信。STEP 7 Basic軟件中設置的硬設備組態(tài)必須和現(xiàn)場的裝置組態(tài)型號相相同，如果型號不相同，指令序列編譯將會出現(xiàn)錯誤。硬設備組態(tài)如圖4-9所示。 圖4-9 硬設備組態(tài)圖 4.2.3主動制造線指令序列 根據(jù)論文任務要求設計的流程圖如圖4-10如示。 圖4-10 流程圖設計 根據(jù)流程圖設計的機械視覺主動制造線指令序列如下： IF #RunningTemp THE

44、N //使用狀態(tài)判斷 IF #EnterSwitchRTrig.Q THEN //入口光電換能器發(fā)出指示 #QuantityTemp := #QuantityTemp + 1; //入口光電換能器對托盤計數(shù) END IF; IF #CatchDoneTrig.Q AND #QuantityTemp>=1 THEN //工件抓取完成且托盤計數(shù)大于1 #QuantityTemp := #QuantityTemp - 1; //托盤計數(shù)減1 END IF; IF #CameraPoastionSwitchFtrig.Q THEN //拍照工位光電開

45、關發(fā)出指示 #CameraPostionCylinder := 1; //拍照位氣缸彈起 END IF; #CameraStartDelay(IN:=#CameraPostionCylinder, PT:=T#2S); //智能攝像機拍照延時兩秒 IF #CameraStartDelay.Q AND #Auto THEN #CameraStart := 1; //智能攝像機拍照 END IF; IF #CameraDoneTrig.Q THEN //拍照完成指示發(fā)出 #CameraPostionCylinde

46、r ：=0； //拍照位氣缸縮回 #CameraStart := 0; //攝像機停止掃描拍照 END IF; IF #CatchPostionSwitchFtrig.Q THEN //抓取位光電換能器發(fā)出指示 #CatchpostionCylinder : =1; //抓取位氣缸彈起 END IF; IF #CatchPostionSwitchFtrig.Q AND “GVL”.gbAuto THEN #CatchStart :=1; //機械人抓取目標東西 END IF; IF #CatchDoneTrig.Q THEN //抓取完成指

47、示發(fā)出 #CatchpostionCylinder := 0; //抓取位氣缸縮回 #CatchStart :=0; //機械人回歸原位 END IF; IF (NOT #AGVRcv) AND #EnterSwitchFTrig.Q THEN #AGVSend :=1; END IF; END IF; 4.3體系集成 4.3.1攝像機通信指令序列設計 Modbus空間分為只讀寄存器和保持寄存器。在保持寄存器中的用戶裝配區(qū)，可任意進行操作輸入?yún)⒆兞垦b配和操作得到結果裝配，而且將其映射至Modbus地址。實際操作工件訊息及對應地址如圖4-11所示。

48、 圖4-11 工件訊息及對應地址 本文的要求是一次性辨認多個東西，因而辨認的得到結果是個數(shù)組，而數(shù)組內的各個元素也就是被測東西的坐標訊息是不確定的，因此辨認的得到結果是個動態(tài)數(shù)組。在腳本中不僅可以運用自定義的變量，還可以運用到軟件內部的兩個存儲檢測結果的變量。即尋找到目標的個數(shù)tooli.Out.objectNum和目標的重心坐標集合tooli.Out.centroidPoint，其中目標重心坐標集合變量包括：目標重心X軸坐標tooli.Out.centroidPoint[i].x 和目標重心Y軸坐標tooli.Out.centroidPoint[i].y以及目標重心角度偏移tooli

49、.Out.centroidPoint[i].angle 。 視覺腳本指令序列如下所示，因為本文將目標搜索的最大個數(shù)變成成了3，所以在重心坐標集合清零的時候要循環(huán)三次，且重心坐標包含三個方面：X軸坐標，Y軸坐標和角度偏移。 圖4-12 攝像機腳本 tool4.Obj1No= tool1.Out.objectNum;//第一種東西的數(shù)據(jù) for(int i=0;i<3;i++) { tool4.mb1x[i]=0;// x 數(shù)據(jù)清零 tool4.mb1y[i]=0;// y 數(shù)據(jù)清零 tool4.mb1a[i]=0;// a 數(shù)據(jù)清零(角度) } for(int i

50、=0;i

51、東西的數(shù)據(jù) for(int i=0;i<3;i++) { tool4.mb2x[i]=0; //x數(shù)據(jù)清零 tool4.mb2y[i]=0; //y數(shù)據(jù)清零 tool4.mb2a[i]=0; //a數(shù)據(jù)清零(角度) } for(int i=0;i

52、; // 工件1的重心坐標 y 值 tool4.mb2a[i]=tool2.Out.centroidPoint[i].angle; // 工件1的重心坐標 a 值 } tool4.Obj1No= tool3.Out.objectNum;//第三種東西的數(shù)據(jù) for(int i=0;i<3;i++) { tool4.mb3x[i]=0; //x數(shù)據(jù)清零 tool4.mb3y[i]=0; //y數(shù)據(jù)清零 tool4.mb3a[i]=0; //a數(shù)據(jù)清零(角度) } for(int i=0;i

53、ctNum 工件3設定得到存放的個數(shù) { tool4.mb3x[i]=tool3.Out.centroidPoint[i].x; // 工件1的重心坐標 x 值 tool4.mb3y[i]=tool3.Out.centroidPoint[i].y; // 工件1的重心坐標 y 值 tool4.mb3a[i]=tool3.Out.centroidPoint[i].angle; // 工件1的重心坐標 a 值 } 4.3.2數(shù)據(jù)處理 可編程邏輯控制器對于視覺體系來說是數(shù)據(jù)的接收方，必須要編輯接收指令序列。攝像機的Modbus裝配會將各個得到的變量裝配有關的地址。而可編程邏輯控制器與光

54、照掌控器的通信方式為Modbus通信，可編程邏輯控制器可以依據(jù)得到變量裝配的地址來讀取和利用得到變量。如圖4-13所示，托盤到達攝像機拍照工位發(fā)出指示給可編程邏輯控制器掌控器， 可編程邏輯控制器背景數(shù)據(jù)塊1中偏移地址的390字節(jié)的第0位經(jīng)過光照掌控器的X0發(fā)出指示觸發(fā)攝像機拍照?？删幊踢壿嬁刂破骶彌_區(qū)數(shù)據(jù)塊1中偏移地址的390字節(jié)的第1位向光照掌控器Y0得到攝像機拍照完成指示。光照掌控器根據(jù)預先所編指令序列，可以把所收取到的照片訊息轉換成體系所需數(shù)字量訊息?？删幊踢壿嬁刂破鞲鶕?jù)Modbus裝配地址提取照片坐標訊息。 圖4-13 攝像機主指令序列 第5章 體系聯(lián)調與總結 5.

55、1測驗 首先將梯形圖指令序列，硬設備組態(tài)以及攝像機指令序列下載到可編程邏輯控制器中，按下啟動按鈕，給體系上電。一般在攝像機內部運用雙緩沖照片收取機制，可以避免聯(lián)機后收取周期變化大跨度導致的掃描周期大跨度，加快了智能攝像機照片收取速度。攝像機裝配中的抓拍模式只在收到外部觸發(fā)請求后才開始收取照片，而且且收取時間誤差掌控在一毫秒以內，提高收取時間實時性的并且也增加了收取的時間。 為了保證可編程邏輯控制器經(jīng)過串口變成腳本參變量時的正常通信，必須將可編程邏輯控制器的回復超時時間設置稍微大一些。因為本文做的是制造線中的視覺傳輸部分，所以一開始就是AGV將載著被測東西的托盤送到主動傳輸線的工位6，托盤經(jīng)

56、過入口光電換能器，光電換能器對其進行計數(shù)。接著托盤隨著主動傳輸線勻速前進，經(jīng)過智能攝像機拍照檢測工位換能器，也就是主動傳輸線的工位4，此換能器的下降沿觸發(fā)智能攝像機拍照檢測工位氣缸彈起，托盤被氣缸擋住，攝像機拍照延時兩秒鐘如圖5-1所示。因為托盤和被測東西一開始是運動的，如果不采取延時措施，在氣缸擋住托盤時，由于慣性定律，攝像機所收取的照片就會變得模糊不清，這樣就給收取被測東西位置集合帶來不必要的麻煩。兩秒鐘后，攝像機開始拍照。完成拍攝以后，智能攝像機就會得到一個拍照完成指示給可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器接收到完成指示后，拍照位氣缸縮回，托盤放行如圖5-2所示。拍照完成的并且觸發(fā)攝像機與

57、可編程邏輯控制器通訊，將攝像機所得到的照片數(shù)據(jù)傳遞給可編程邏輯控制器。托盤繼續(xù)勻速前進，經(jīng)過抓取位置的光電換能器，觸發(fā)匯博機械人對目標的抓取。單擊一鍵下載，將指令序列下載到智能攝像機，而且將軟件界面右上角仿真切換到攝像機界面如圖5-3所示，仿真和攝像機Modbus得到監(jiān)控獲得的數(shù)據(jù)如圖5-4和圖5-5所示。經(jīng)過觀察可見，無論是仿真還是攝像機，Modbus得到監(jiān)控結果都是相同的。 圖5-1托盤接近攝像體系 圖5-2 托盤放行 圖5-3 攝像機Modbus得到監(jiān)控結果 圖5-4 仿真Modb

58、us得到監(jiān)控數(shù)據(jù) 圖5-5 攝像機Modbus得到監(jiān)控數(shù)據(jù) 5.2總結 自從上學期期末收到畢業(yè)設計課題，我就開始陸陸續(xù)續(xù)收集相關資料，但真正開始著手畢業(yè)設計還是三月中旬。一開始做的時候一片茫然，什么都不太懂。雖然之前學過一點機械視覺方面的內容，但是學的只是簡單的理論知識，沒有真正動手操作過，對我來說此課題還是有一定的難度的，這個時候手冊就顯得至關主要。 攝像機和其他電氣裝置一樣，上電以后都需要有一個啟動歷程，這個啟動歷程根據(jù)攝像機的不同持續(xù)十秒至二十秒。在這個啟動歷程中，攝像機也有啟動任務，一方面檢查本身的軟件和硬設備，另一方面查看固件更新情況，因此智能攝

59、像機在啟動歷程中不能立即與攝像機進行連接。攝像機在完成檢查和判斷后，攝像機就開始執(zhí)行體系指令序列，這時候外部裝置電腦才能與攝像機連接。所以在攝像機上電后的十至二十秒時間內是無法與外部裝置相連接的。上位機軟件 X-Sight Studio 與攝像機的固件兩者版本不相同時，必須要進行固件升級，如果沒有進行固件升級，指令序列就無法下載到攝像機里。但固件升級之后，我忘記重新給攝像機上電，導致攝像機一直無法與電腦連接，浪費了我很長一段時間。 攝像機上電以后，就會主動進入到使用狀態(tài)，如果攝像機裝配存在問題或者操作裝配存在問題時，攝像機就主動進入且固定在停止狀態(tài)而無法手動切換到使用板塊收取照片。重新下載攝

60、像機裝配和操作裝配可以解決這個問題，在完成下載攝像機裝配后，還需要再次進行操作裝配下載。在攝像機裝配中包含初始化的操作裝配，而初始化的操作裝配里不包含任何儀器，只能保證攝像機正常的使用。如果不下載操作裝配，就會有一個默認的空工程將之前下載的工程替換掉，從而導致訊息的丟失。 在可編程邏輯控制器和攝像機通訊方面我也遇到了很多問題，但在老師和同學的幫助下基本得到了解決。畢業(yè)設計的完成鞏固了我的專業(yè)知識，也讓我明白了讀書和查閱電氣產(chǎn)品手冊的主要性。并且我也培養(yǎng)了很多良好的習慣，對待學習和工作不能有絲毫懈怠，遇到困難的時候不能退縮，要敢于面對和克服，最主要的是要敢于創(chuàng)新。設計的成功與否而且不是最主要的

61、，主要的是在參與的歷程有沒有用心去做去感悟。 29 無錫職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計（論文）致謝 致 謝 2013高中畢業(yè)后來到無錫職業(yè)科技學院，時間如白駒過隙，大學三年的校園生活即將結束。在此，我要感謝所有支持而且給予我?guī)椭募胰撕屠蠋煛? 我第一個要感謝的就是我畢業(yè)設計指導老師孫曉艷老師，我所撰寫的論文都是在老師的悉心指導下完成的。孫老師認真的工作態(tài)度以及對科學堅持不懈的追求都給我?guī)砹藵撘颇挠绊?。在完成畢業(yè)設計的歷程中，我不僅學到了很多專業(yè)知識，還培養(yǎng)了很多良好的習慣，對我以后的學習和工作意義重大。在此我向孫老師表示由衷的感謝。 最后我還要感謝我的父母和身邊同學，謝謝

62、你們給予我的支持與幫助，以后我會努力回報你們。 參考文獻： [1]陳萌，金龍國.主動制造線使用與維護.北京.中國水利水電出版社，2012.9 [2]吳明亮，樊明龍.主動化制造線科技.北京.化學工業(yè)出版社，2011.8 [3]余文勇，石繪.機械視覺主動檢測科技.北京.化學工業(yè)出版社，2013.7 [4]趙鵬.機械視覺理論及運用.北京.電子工業(yè)出版社，2011.12 [5]孫國棟，趙大興.機械視覺檢測理論與算法.北京.科學出版社，2015.11 [6]趙鵬.機械視覺探究與進展.北京.科學出版社，2012.8 [7]陳兵旗.機械視覺科技及運用實

63、例詳解.北京.化學工業(yè)出版社，2014.4 [8]張春芝.主動制造線安裝、測驗與指令序列設計.北京.化學工業(yè)出版社，2011.9 [9]童澤.主動制造線的拆裝與測驗.北京.電子工業(yè)出版社，2013.5 [10]興軍亮，艾海舟.照片處理、分析與機械視覺.北京.清華大學出版社，2016.7 [11]賈云得.機械視覺.北京.科學出版社,2000.6 [12]夏德深,傅德勝.現(xiàn)代照片處理科技與運用.南京.東南大學出版社,2001.3 [13]張廣軍．機械視覺．北京：科學科技出版社，2005.11 [14]徐建華.照片處理與分析.北京.科學出版社，1992.5 [15]張廣軍．視覺測量.

64、北京.科學出版社，2008.12 [16]Loic Cuvillon,EdouardLaroche,Hugues Garnier,Jacques Gangloff,Michekde Mathelin.CONTINUOUS-TIME MODEL IDENTIFICATION OF ROBOT FLEXIBILITIES FOR FAST VISUAL SERVOING[J].IFAC Proceeding Volumes,2016 [17]J. Kaartinen,J. Htnen,T. Roine. Machine Vision of Flotation Froths with a

65、Rapid-Prototyping Platform[J]. IFAC Proceedings Volumes,2009 [18]Pablo A. Coelho,Sergio N. Torres,Wagner E. Ramrez,Pablo A. Gutirrez,Carlos A. Toro,Jose G. Soto,Daniel G. Sbarbaro,Jorge E. Pezoa. A machine vision system for automatic detection of parasites Edotea magellanica in shell-off cooked cla

66、m Mulinia edulis[J]. Journal of Food Engineering,2016 [19]Massimo Pacella,Antonio Grieco,Marzia Blaco. Machine vision based quality control of free-form profiles in automatic cutting processes[J]. Computers & Industrial Engineering,2017 [20]V.Asadi,M.Raoufat,S.Nassiri.Fresh egg mass estimation using machine vision technique[J]. International Agrophysics,2012