隨著國(guó)內(nèi)外工業(yè)智能制造的高速發(fā)展，面對(duì)市場(chǎng)日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)，各行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)產(chǎn)能都提出了更高的要求。本文通過(guò)ZMC430N運(yùn)動(dòng)控制器在轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選設(shè)備中的應(yīng)用，更深入地介紹了機(jī)器視覺(jué)飛拍、位置鎖存和高速精準(zhǔn)輸出等功能在運(yùn)動(dòng)控制器中的運(yùn)用情況。

　　在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于生產(chǎn)條件和運(yùn)輸環(huán)境中的不可控因素，很容易產(chǎn)生一些外觀劃痕、壓傷、擦掛、大小不一等缺陷，人工檢測(cè)一般在強(qiáng)燈光或者顯微鏡的工作環(huán)境中，人容易疲勞，容易誤判，對(duì)經(jīng)驗(yàn)要求高，并且在招人難、用工成本高等各種因素驅(qū)動(dòng)之下，人工檢測(cè)轉(zhuǎn)機(jī)器視覺(jué)智能檢測(cè)勢(shì)在必行，進(jìn)而對(duì)全自動(dòng)智能化的外觀檢測(cè)設(shè)備市場(chǎng)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的需求。

　　玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選機(jī)，是針對(duì)各種各樣散件的尺寸、外觀等缺陷而研發(fā)的檢測(cè)設(shè)備。它采用振動(dòng)盤(pán)等上料機(jī)構(gòu)全自動(dòng)輸送物料到玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)物料進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)，運(yùn)動(dòng)控制器完成轉(zhuǎn)盤(pán)的恒速旋轉(zhuǎn)以及物料位置的編碼器反饋、硬件位置比較輸出對(duì)不同位置的CCD相機(jī)和吹氣口裝置進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的多面外觀和尺寸檢測(cè)篩選。

　　玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)視覺(jué)篩選機(jī)針對(duì)散件生產(chǎn)，被廣泛應(yīng)用于攝像頭零部件、鋰電池零部件、磁性材料、電子原件、塑料橡膠制品、螺絲螺母、電子元器件、精密五金件等生產(chǎn)場(chǎng)景中。

圖1 常見(jiàn)檢測(cè)產(chǎn)品

　　本文通過(guò)ZMC430N運(yùn)動(dòng)控制器在轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選設(shè)備中的應(yīng)用，更深入地介紹了機(jī)器視覺(jué)飛拍、位置鎖存和高速硬件位置比較輸出等功能在運(yùn)動(dòng)控制器中的使用。

　　1 ZMC430N運(yùn)動(dòng)控制器的產(chǎn)品介紹

　　ZMC430N是正運(yùn)動(dòng)技術(shù)推出的高性能多軸EtherCAT總線+RTEX總線+脈沖運(yùn)動(dòng)控制器，支持EtherCAT/RTEX總線軸和脈沖軸同時(shí)使用混合插補(bǔ)，板載6路差分脈沖輸出和6路單端脈沖輸出，6+4路編碼器輸入，通用數(shù)字量輸入輸出24+6/12+6，2路AD和2路DA，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、電子凸輪、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、連續(xù)軌跡加工等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制功能，也支持4路高速鎖存輸入和最多10路高速精準(zhǔn)輸出、位置同步輸出PSO，非常適合匹配應(yīng)用于2-8相機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選設(shè)備上。

　　ZMC430N運(yùn)動(dòng)控制器既可以脫機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，也可以PC上位機(jī)調(diào)用API函數(shù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。ZDevelop低門(mén)檻的IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境，集開(kāi)發(fā)、調(diào)試、診斷于一體，完善的工藝包滿足了現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中集成化、模塊化、智能化的需求。另外，ZMC416BE的通用性也可以用PC軟件，比如C#、C++、LabVIEW、VB、.NET、Python、Qt等第三方軟件調(diào)用同一套API函數(shù)庫(kù)來(lái)開(kāi)發(fā)。

圖2 ZMC430N產(chǎn)品圖

　　ZMC430N運(yùn)動(dòng)控制器的主要功能包括：

　　l 板載24點(diǎn)通用輸入，12點(diǎn)通用輸出，2路0-10V模擬量輸入和2路0-10V模擬量輸出;

　　l 板載6+6路脈沖輸出軸接口和6+4路高速編碼器接口;

　　l 支持30軸EtherCAT/RTEX總線運(yùn)動(dòng)控制，EtherCAT/RTEX+脈沖軸共16個(gè)，可混合使用;

　　l 支持電子凸輪、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、連續(xù)軌跡加工等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制;

　　l 可支持Delta、SCARA、協(xié)作機(jī)器人、雙旋轉(zhuǎn)等30+ 機(jī)械手模型算法;

　　l 特殊固件支持多達(dá)10路精準(zhǔn)輸出、硬件位置比較輸出，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)飛拍功能和篩選吹氣高速輸出功能;

　　l 支持4路高速鎖存輸入口，記錄轉(zhuǎn)盤(pán)篩選位置。

　　2 轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選設(shè)備原理

　　(1)轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選設(shè)備的原理

　　玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選機(jī)，利用振動(dòng)盤(pán)將各類散件輸送到高透明玻璃轉(zhuǎn)臺(tái)，然后通過(guò)入口檢測(cè)記錄轉(zhuǎn)臺(tái)感應(yīng)的工件物料，再通過(guò)伺服系統(tǒng)示教的CCD相機(jī)位置，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到相機(jī)位置時(shí)，控制器或PLC觸發(fā)相機(jī)拍照，然后進(jìn)行運(yùn)算。在出料前，必須完成運(yùn)算，如果還沒(méi)運(yùn)算完成，則判斷為待定物料，需要重檢。

　　機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)采用CCD工業(yè)相機(jī)將被檢測(cè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、長(zhǎng)度等，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度、個(gè)數(shù)、合格/不合格、有/無(wú)等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別功能。根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際尺寸，其篩選速度最快能達(dá)到2000pcs/min。

圖3 轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選示意圖

　　(2)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

　　基于運(yùn)動(dòng)控制器/運(yùn)動(dòng)控制卡的轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的PLC+觸摸屏方案，更集成化，響應(yīng)更快，效率更高，在玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)快速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，也能通過(guò)視覺(jué)飛拍功能拍攝物料，進(jìn)行視覺(jué)處理，最快檢測(cè)速度可以達(dá)到2000pcs/min。

　　正運(yùn)動(dòng)技術(shù)ZMC430N運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)EtherCAT總線或者脈沖軸接口控制伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，并實(shí)時(shí)記錄編碼器的反饋位置;高速輸入口接光纖傳感器，感應(yīng)并記錄物料的位置;高速輸出口接1-8個(gè)相機(jī)進(jìn)行視覺(jué)飛拍，檢測(cè)物料的合格與不合格;同時(shí)高速輸出口接吹氣口，及時(shí)對(duì)視覺(jué)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)處理分類。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制器基于轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選設(shè)備的硬件方案

　　(3)視覺(jué)系統(tǒng)

　　該視覺(jué)系統(tǒng)主要由相機(jī)、鏡頭、光源、光源控制盒、視覺(jué)處理系統(tǒng)等組成。根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度的快慢不同，對(duì)相機(jī)的拍照響應(yīng)時(shí)間、曝光時(shí)間以及鏡頭光圈、像素和光源等都有一定的要求，以完成不同產(chǎn)品的測(cè)量和檢測(cè)等視覺(jué)功能。

　　3 ZMC430N運(yùn)動(dòng)控制器在轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選設(shè)備中的應(yīng)用

　　(1)方案硬件配置(見(jiàn)表1)

　　(2)硬件位置比較輸出——視覺(jué)飛拍應(yīng)用

　　在玻璃轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，物料通過(guò)每一個(gè)相機(jī)，都要進(jìn)行物料的正反面或者側(cè)面等視覺(jué)測(cè)量與檢測(cè)等，傳統(tǒng)的做法是運(yùn)動(dòng)到每一個(gè)相機(jī)位置，轉(zhuǎn)盤(pán)停下來(lái)，視覺(jué)系統(tǒng)拍照處理?？墒桥臄z需要時(shí)間，往往造成設(shè)備不需要的停頓動(dòng)作和時(shí)間消耗，對(duì)產(chǎn)能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

圖5 定拍V-T圖

　　使用視覺(jué)飛拍技術(shù)，當(dāng)物料轉(zhuǎn)動(dòng)到相機(jī)拍攝位置時(shí)，由運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部觸發(fā)相機(jī)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)停頓拍照，微秒級(jí)的拍攝速度，數(shù)毫秒間輸出視覺(jué)運(yùn)算結(jié)果OK或者NG，回傳給控制器，確定是OK吹氣口工作還是NG吹氣口工作，實(shí)現(xiàn)篩選的目的。ZMC430N運(yùn)動(dòng)控制器支持最多12路硬件比較輸出，既保證效率，又確保了精準(zhǔn)度。

圖6 飛拍V-T圖

　　(3)系統(tǒng)動(dòng)作流程

　　l 待檢產(chǎn)品上料

　　根據(jù)物料的類型，選擇相應(yīng)的振動(dòng)盤(pán)將各類散件輸送到高透明玻璃轉(zhuǎn)臺(tái)上，其中旋轉(zhuǎn)臺(tái)是以某一設(shè)定的速度在恒速旋轉(zhuǎn);

　　l 感應(yīng)物料并記錄位置

　　當(dāng)傳感器感應(yīng)到物料，基于FPGA的高速鎖存口記錄物料當(dāng)前位置;

　　l 相機(jī)觸發(fā)拍照

　　通過(guò)高速鎖存口鎖存的位置，計(jì)算出各個(gè)相機(jī)的位置，由運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部硬件位置比較輸出觸發(fā)相機(jī)，進(jìn)行視覺(jué)飛拍;

　　l 視覺(jué)系統(tǒng)處理

　　對(duì)拍照的物料圖片進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)、測(cè)量、識(shí)別等功能，并傳輸OK或者NG信號(hào)給到運(yùn)動(dòng)控制器;

　　l 吹氣篩選

　　根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)反饋給運(yùn)動(dòng)控制器的結(jié)果，以及通過(guò)感應(yīng)器鎖存的物料的位置計(jì)算出吹氣口的位置，由運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部硬件位置比較輸出控制吹氣口，進(jìn)行篩選OK或者NG。

　　4 ZMC430N運(yùn)動(dòng)控制器在轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選設(shè)備應(yīng)用上的主要功能和特點(diǎn)

　　(1)核心功能特點(diǎn)

　　l 高速鎖存功能

　　通過(guò)高速輸入口，鎖存轉(zhuǎn)盤(pán)上來(lái)料的編碼器實(shí)時(shí)位置;

　　l 視覺(jué)飛拍-硬件位置比較輸出

　　根據(jù)鎖存位置，算出相機(jī)觸發(fā)的位置，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)飛拍;

　　l 高速吹氣-硬件位置比較輸出

　　根據(jù)鎖存位置，算出吹氣口的位置，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)不停頓吹氣篩選分類。

圖7 基于運(yùn)動(dòng)控制器的轉(zhuǎn)盤(pán)視覺(jué)篩選功能實(shí)現(xiàn)原理

　　(2)運(yùn)動(dòng)控制功能相關(guān)指令

　　①飛拍觸發(fā)相關(guān)指令

　　HW_PSWITCH2可以實(shí)現(xiàn)單軸、二維、三維的硬件位置比較輸出，轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選設(shè)備系統(tǒng)只需要使用單軸的硬件位置比較輸出就可以實(shí)現(xiàn)其功能。

　　HW_PSWITCH2(1,opnum,opstate,tablestart,tableend[,direction])

　　mode：1-啟動(dòng)比較器

　　opnum：對(duì)應(yīng)的輸出口

　　opstate：第一個(gè)比較點(diǎn)的輸出狀態(tài)

　　tablestart：第一個(gè)比較點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)所在TABLE編號(hào)

　　tableend：最后一個(gè)比較點(diǎn)絕對(duì)坐標(biāo)所在TABLE編號(hào)

　　direction：第一個(gè)點(diǎn)判斷方向，0坐標(biāo)負(fù)向，1坐標(biāo)正向，-1不使用方向

　?、谖恢面i存

　　REGIST指令用來(lái)鎖存軸的測(cè)量反饋編碼器位置，當(dāng)鎖存產(chǎn)生時(shí)，軸狀態(tài)MARK會(huì)被設(shè)置為ON，同時(shí)鎖存到的位置會(huì)被存儲(chǔ)在參數(shù)REG_POS內(nèi)。

　　REGIST(100+mode, tableindex, numes)

　　mode：鎖存方式

　　tableindex：連續(xù)鎖存的內(nèi)容存儲(chǔ)的table位置，第一個(gè)table元素存儲(chǔ)鎖存的個(gè)數(shù)，后面存儲(chǔ)鎖存的坐標(biāo)，最多保存?zhèn)€數(shù)= numes-1，溢出時(shí)循環(huán)寫(xiě)入

　　numes：占用的table個(gè)數(shù)

圖8 示波器仿真(REGIST鎖存輸入+HW_PSWITCH2硬件位置比較輸出)

　　5 ZMC430N運(yùn)動(dòng)控制器在轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選設(shè)備應(yīng)用上的方案亮點(diǎn)

　　l 來(lái)料在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)和測(cè)量過(guò)程中，機(jī)構(gòu)不用停下來(lái)，相比靜態(tài)拍照，減少機(jī)臺(tái)CT，提高效率;

　　l 高速鎖存輸入口配合使用，進(jìn)一步提升設(shè)備的物料分選精準(zhǔn)度和效率;

　　l 多達(dá)10路高速硬件位置比較輸出口，適合1-8個(gè)相機(jī)的轉(zhuǎn)盤(pán)式視覺(jué)篩選的場(chǎng)合，同樣也適用于流水線視覺(jué)篩選的場(chǎng)合;

　　l 可通過(guò)PC上位機(jī)(C#/C++/.NET/Python/Qt…)調(diào)用API函數(shù)和下位機(jī)Basic混合編程，相比于傳統(tǒng)的PLC+觸摸屏方案，集成化更高，性價(jià)比更好，響應(yīng)更快，效率更高。