（机械电子工程专业论文）镀镍小尺寸机械零件的视觉测量技术研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着生产的发展，测量技术作为生产质量和效率的保证手段，越 来越显示其重要性。对于工业现场皮带流水线上大批量的小尺寸机械 加工零件尺寸的测量，传统的人工抽检测量方法已经不适应自动化发 展需求。本文讨论利用计算机视觉技术解决该类问题的方法，对如何 利用计算机视觉技术对工业现场皮带流水线上机械加工零件进行在 线非接触测量进行研究，并结合流水线现场需要的实际情况构建小尺 寸机械零件的尺寸测量系统。 首先，本文分析自动测量技术的发展，对计算机视觉技术应用现 状进行分析讨论，提出皮带流水线上大批量小尺寸机械零件的计算机 视觉检测方法，并构建测量系统。在对测量系统进行系统功能分析和 总体设计的同时，根据现场工况需要对硬件系统进行了设计。 其次，在硬件系统分析的基础上，对系统软件进行总体设计和功 能模块分析，重点比较、分析和研究了图像处理的基本处理算法、算 子，并完成其中的图像处理核心模块的设计。 根据测量原理和相关图像处理算法，开发了基于图像处理技术的 机械零件尺寸测量软件模块，并在实验室条件下对该软件模块进行实 验论证。实验数据表明，研究的软件模块预期通过进一步的改进可以 应用于实际中工业皮带流水线上大批量小尺寸机械零件的在线测量。 关键词：小尺寸机械零件，测量，计算机视觉，图像处理 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c t i o n ，t h e m e a s u r i n gt e c h n o l o g y w h i c hi st h ei m p o r t a n tg u r a n t e em e t h o do ft h ep r o d u c t i o nq u a l i t ya n d e f f i c i e n c y - h a sb e e nb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t o nt h ei n d u s t r i a l s c e n e ，t h et r a d i t i o n a lm e a s u r i n gm e t h o dt om e a s u r et h es m a l ls i z e m a c h i n ec o m p o n e n t si nt h ep r o d u c t i o na s s e m b l yl i n eh a sb e e nu n s u i t a b l e f o rt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t e dp r o d u c t i o na n dm e a s u r e m e n t an e w m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yu s e dt om e a s u r et h em a c h i n e c o m p o n e n t so nt h e a s s e m b l yl i n eb a s e do nt h ec o m p u t e rv i s i o ni n s p e c t i o ni sd i s c u s s e di nt h e p a p e r , a n das e to f s i z e - m e a s u r i n gs y s t e mb a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o ni n t h ei n d u s t r i a ls c e n ei sd e s i g n e da n dd i s c u s s e d f i r s t l y , a f t e rt h ea n a l y s i so ft h ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t a n dt h ed i s c u s s i o no ft h ec o m p u t e rv i s i o ni n s p e c t i o n s a p p l i c a t i o n ，t h e s m a l ls i z em a c h i n ec o m p o n e n t sm e a s u r e m e n tm e t h o db a s e do nt h e c o m p u t e rv i s i o ni n s p e c t i o nt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d ，a n dt h er e l a t e d m e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d o nt h eb a s i so ft h es y s t e mf u n c t i o n a n a l y s i sa n dd e s i g n ，t h eh a r d w a r es y s t e mi sd i s c u s s e da n dd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no nt h ei n d u s t r i a ls c e n e s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so ft h eh a r d w a r es y s t e ma n a l y s i s ，t h es y s t e m s o f t w a r ei sd e s i g n e da n dt h ef u n c t i o nm o d u l ei s a n a l y s e d t h eb a s i c p r o c e s s i n g a l g o r i t h m so ft h ei m a g e r yp r o c e s s i n gi s c o m p a r e da n d i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c h e da st h ee m p h a s i so f t h ep a p e r a c c o r d i n gt o t h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l ea n dt h er e l a t e di m a g e r y p r o c e s s i n ga l g o r i t h m ，t h es o f t w a r em o d u l e sf o rt h em a c h i n ec o m p o n e n t s s i z e i n s p e c t i o n a r ed e v e l o p e d ，m e a n w h i l e ，t h e ya r et e s t e du n d e rt h e l a b o r a t o r y c o n d i t i o n t h e e x p e r i m e n t a t i o n r e s u l ts h o w st h a tt h e r e s e a r c h e ds o f t w a r em o d u l e sc a nb ea p p l i e dt ot h es m a l ls i z em a c h i n e c o m p o n e n t sm e a s u r e m e n ti nt h ei n d u s t r i a la s s e m b l yl i n et h r o u g hf u r t h e r m o d i f i c a t i o na n di n t e g r a t i o n k e yw o r d s ：s m a l ls i z em a c h i n ec o m p o n e n t ，m e a s u r e m e n t ，c o m p u t e r v i s i o n ，i m a g e r yp r o c e s s i n g i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名捌、作者签名：型璺二日期：赴年上月 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位沦文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学 校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学仨一论文。 作者签名：日期：堕年上月笪、 弩 客一 连 签剥 热一 隧 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 问题的背景 第一章绪论 生产力是社会发展的决定因素，一个国家的综合国力首先取决于它的生产能 力，特别是它的制造能力，而测量技术是决定制造水平的重要因素之一1 1 1 。一般 来说，衡量生产水平的两大指标足质量和效率。一方面，测量对于质量的保证的 重要性是不言而喻的，没有测量就无法评定产品质量的优劣，更无从保证产品的 质量现代生产都是通过测量，实现反馈而达到控制产品的质量的目的。第二方 面，生产效率同样离不开测量1 2 1 。制造业提高信息化，自动化的水平是提高生产 效率的手段，现代的自动化是柔性自动化，越是柔性的系统就越需要测量。没有 测量就无法获得反馈信息，也就无法实现对柔性系统的正确和准确的控制。要实 现制造业的信息化，作为提供源头信息的测量技术就起到了关键作用1 3 1 。 由于机械电子产业的蓬勃发展，大批量的镀镍小尺寸机械零件应用在小型机 械、家用电子等产品上1 。这些零件在机械加工生产中通过皮带流水线从一个生 产工序输送到下一步生产工序，产品的测量则一般在流水线上完成。自动化生产 流水线上小尺寸机械零件尺寸的测量现在一般还停留在传统上人工测量的方式， 也就是测量人员利用如卡尺、手持尺类或者测长仪等之类的测量工具来实现在 理想状态下，可以准确的发现产品问题，保证产品的质量1 5 1 。但是，其缺点归纳 有l 对自动化的影响。产品在经过不同工序加工时，需要从一个工序很快进入到 下一步生产工序，而人工测量的方法速度慢的特点不能满足速度上的要求， 也完全不符合自动化的发展玎1 ； 抽检的方式难以保证质量。对于大批量的零件测量，一般是无法实现全检的， 采用的是抽检的方式。但是抽捡的方式使得部分不合格产品因为没有被检而 误认为是合格的，因而难以保证产品的质量| 6 1 人的生理和心理因素制约。流水线的工作时间比较长，而机械加工的环境也 不是很好，测量工人的劳动强度比较大。长时间的单调的工作容易引发疲劳， 造成疏忽，给产品质量造成质量隐患。另外，生产过程中，大部分时间的产 品应该还是正常的，测量工人也是由于长时间没有问题产品出现，进行同一 种单调的工作后很容易忽略少数不合格产品h 1 ； 所以，人工测量无法保证测量的质量，无法保证产品质量，已经不能满足目 前工业生产现场流水线上大批量小尺寸机械零件尺寸测量的诸多要求。基于计算 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 机视觉技术的非接触式测量，则是解决这个方面的问题的主要技术之一7 1 。计算 机视觉技术是以计算机视觉方法为基础，综合应用图像处理、精密仪器、模式识 别、人工智能等技术的非接触式测量方法。其基本原理是对由计算机视觉系统得 到的被测目标图像进行分析，从而得到所需要的测量信息，并根据已有的先验知 识，判定被测目标是否符合规范噶1 。 本课题是导师为深圳某仪器设备公司的一项目作前期研究的工作内容。本文 将对图像基础处理技术进行研究，结合工业现场实际情况构建基于计算机视觉技 术的小尺寸机械零件测量系统，应用于工业现场皮带流水线上小尺寸机械加工零 件的在线非接触自动测量。 1 2 自动测量技术的发展和种类 近年来，测量技术发展迅速。在线测量技术、高精度化、高速化、高效率化、 低成本和小型化，这些都是时代对测量提出的紧迫要求，也是测量技术发展的方 向( 9 1 e 在科技发达的国家，自动测量技术的应用已相当普遍，我国虽然有一定的 发展，但是相比之下还是有一定的差距。为提高产品质量，降低生产成本，采用 自动测量技术是大势所趋。自动测量可分为接触式与非接触式的两大类。接触式 的自动测量一般系统比较简单，但有时可能引起被测件的形变，往往测量误差较 大。非接触式的自动测量通常系统比较复杂，但是一般不会引起被测件的形变， 测量精度也高 1 0 z 。 1 2 1 现有几种主流非接触自动测量技术 本文这里主要介绍非接触式自动测量的几种技术： 1 图像测量技术 图像测量技术是以现代光学为基础，融光电子学、计算机图像学、信息处理、 计算机视觉等科学技术为一体的现代测量技术。主要包括摄影测量，光测量和利 用图像传感器测量等测量方法( 8 j e 摄影测量法是通过影像研究和确定被摄物体的形状、大小、性质及其相互关 系。摄影测量经历了模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量三个发展阶段。 其中数字摄影测量是基于数字像素的摄影测量，它是利用计算机和视觉技术直接 或间接地获取特定目标的数字图像，进行测量。 光测量是利用光学图像对目标的位置、尺寸、形状、方位和目标间相互关系 等参数进行测量的方法。光测量和摄影测量在许多方面是相互覆盖的，甚至是相 f 司的。光学测量包括全息干涉法、栅格线法等，具有非接触、全场测量、高精度 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 三大优点i s ! 。 利用图像传感器测量的方法是将图像信息通过某些变换装置变换程电信号， 再经过各种处理后应用于测量与控制。由于测量中必须确定被测对象上各点的位 置坐标以及与各位置相对应的亮度值等数据，所以还要利用某种方法对图像进行 扫描。c c d 是应用非常广泛的一种图像传感器，其具有自扫描、高分辨率、高 灵敏度、结构紧凑及像素位置准确的特性t i l l 。 本文所研究的基于计算机视觉的尺寸测量系统属于图像测量系统，下文会对 其进行详细的介绍说明。 2 激光测量技术 激光测量是用激光束去扫描被测物，并对反射光进行相应的检测。与图像测 量相比，其有两个优点：与环境的照明条件无关，速度快。激光测量系统可以用 来检测物体的形状尺寸，还用来对物体的缺陷的检测。对振动不敏感，不怕尘埃 和水湿等影响的特性，很适合于自动流水线上的自动计量。该类系统的主要的缺 点是；当被检测的零件有重大改变时，必须重新改装调整激光的硬件系统”1 基于激光测量的现代化测量系统产品发展迅速。如由m i t u t o y o ( m i t ) c o r p 出品的激光千分尺如s e r i e s 5 4 4 ，对于直径为l m m 5 1 m m 的工件测量，精度可 达o 0 0 3 0 r a m ，重复精度可达o 0 0 0 1 3 0 m m ：a u t o m a t e dp r e c i s i o ni n c ( a p i ) 出 品的5 维和6 维激光系统可用来测量c h i c 机床和坐标测量机的定位精度，通过 5 次安装和5 次测量操作，该系统可以确定2 1 个可能误差中的2 0 个，精度达到 0 0 0 0 0 2 5 4 m m ：o p t i c a ld i m e n s i o n si n c 出品的激光表面测量系统l a s e r c h e c k 系统 为特殊的检测问题提供了高技术、高速度解决方法。以1 0 h z 工作的激光在加工 过程中进行自动表面粗糙度测量，精度可达r a 0 0 0 2 5 0 0 0 0 1 3 1 j m i l 2 i 3 超声测量技术 超声检测原理是采用超声波换能器作为发送器在工件内激发应力波，并在工 件的丽一表面按固定的距离设置声发射器换能器作为接收器。通过对工件中应力 波的相对效率评定而达到测量目的1 7 1 0 超声测量技术主要用来检测物件的缺陷，也可以用来测量厚度。该方法灵敏 度较高能实现远距离测量，但是由于空气中声速会因各种条件的影响而发生变 化，超声系统在条件差的情况下精度较低，分辨率为4 - 6 t i m 。精度在1 0 p r o 左右 1 3 l 。 4 电容传感测量技术 电容传感测量系统是通过高灵敏的电容传感器作为检测敏感元件而进行测 量的，检测精度相当的高。当电容传感器探头向着被检测的导体表面接近或向着 介电常数明显不同于空气的物体表面接近时，系统通过感应电容值的变化而确定 探头与表面的距离而进行测量7 1 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 目前电感电容测量仪的应用较多，而且精度、抗干扰能力都大大加强，但是 测量精度易受材料性质和外界干扰的影响，测量范围在微米数量级。天津大学研 究成功的电容测量仪，在采用误差补偿和误差分离技术后，测量精度达n + - o 8 t a m 1 0 0 m m 。 1 2 2 计算机视觉测量技术概述 1 2 2 1 计算机视觉技术的发展 计算机视觉技术起源于上世纪6 0 年代初期，当时美国在太空探索计划的推 动下，开始了数字图像处理技术的研究【1 5 1 明。首次获得成功应用的是美国喷气 式推进实验室( j p l ) 。他们对航天探测器徘徊者7 号在1 9 6 4 年发回几千张月球 照片，经处理后，由计算机成功绘制出月球表面地图。6 0 年代开始利用计算机 来识别物体、理解景物的研究，1 9 6 5 年r o b e r t 作出了开创性工作，通过计算机 程序由数字图像推导出多面体的三维结构和空间安排。6 0 年代末7 0 年代初，计 算机视觉研究领域的许多工作是关于底层视觉的处理。在医学上获得巨大的成 果。1 9 7 2 年英国e m i 公司工程师h o u s f i e l d 发明了c t 机。7 0 年代末m a r t 提出 计算机视觉理论，这一理论从信息处理的角度系统的概括了心理物理学、神经生 理学和临床神经病学等方面业已取得的成果，形成了“m a r t 视觉计算理论框架”， 建立了一个比较明确的视觉理论体系。进入8 0 年代，计算机视觉理论和算法的 研究进展迅速，新的观点和理论方法层出不纠1 8 1 - 2 2 1 。计算机视觉逐渐进入到对 三维景物的理解和对动态视觉的研究阶段。目前，从事计算机视觉以及视觉心理 和生物学研究两个方面的学者正在靠拢。 近年来，计算机视觉理论的发展，方面表现为自身理论体系的不断发展， 另一方面表现为与其他学科( 如图像处理、人工智能、模式识别等学科) 的新理 论、新方法( 如神经网络方法、小波分析方法、自适应理论等) 不断融合。目前， 计算机视觉已成为- - f - j 由计算机技术、控制理论，模式识别、人工智能与生物技 术等众多领域交叉综合的新学科t 2 3 l 。其应用领域结构图如l - 2 所示。与此同时， 计算机视觉技术在很多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就，如航 空航天、生物医学工程、工业检测、机器人技术、公安司法、军事制导等【堋。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 2 计算机视完的应用领域结构图 1 2 2 2 计算机视觉技术在测量方面的应用 作为计算机科学的一个重要的分支，计算机视觉技术的应用已经深入到航空 和航天技术方面1 2 4 | ，工业和工程领域方面 2 5 | 1 2 6 ，农业领域方面【2 刀、生物医学工 程领域方面脚i 、军事公安领域方面【2 9 】等，对于提高这些领域的自动化水平和智 能化程度起到了重要的作用在工业和工程领域的工件测量方面的应用，国内以 一维和二维测量为主【3 川，而且主要应用在大尺寸的长度测量【3 1 1 ，高精度的微小 长度和微小孔径的测量和齿轮或者螺纹相关尺寸的测量t 3 2 h 3 6 】，以及研究测量机 测量仪进行高精度的尺寸测量。 武汉地震局研究所高尚华设计了基于计算机视觉的型钢测长系统，该测量系 统用两套c c d 系统分别实现粗测和精测，可实现流水线上型钢长度的动态测量， 其测量范围为5 - 1 3 m ，测量精度l 锄【3 ”。较好的实现了工业流水线上的非接触 式动态长度测量。西安工业学院高爱华副教授等人研制了基于计算机图像的尺寸 测量装置，实现了对5 - 2 5 m m 内的线径尺寸的非接触测量，线径为1 6 6 m m 时， 测量标准差为0 5 1 r a m 3 s 。合肥工业大学的杨永跃、邓善熙等利用计算机视觉方 法实现对风力机叶片的非接触测量，最终精度可达0 4 8 m m 。合肥工业大学的 张勇斌等研究基于十字线结构光视觉测量系统，测量长度为7 0 1 8 m m 时，精度 误差可达0 0 5 r a m t 3 9 1 ， 很多的国内外厂商开发了基于计算机视觉的长度尺寸测量仪器，对于提测量 高速度、精度很有意义例如三丰公司开发的快速成像图像测量机测量精度达到 3 0 0 t - t m ，日本东京精密公司开发的新型坐标测量机，能使得测量精度达到6 0 m 油1 。 这些测量仪器都有一个共同的特点：价格昂贵，精度高，对使用的环境要求高， 自成体系。对于本文研究的皮带流水线上大批量的小尺寸零件测量，在这种环境 较差，精度要求不是太高的场合，使用这类测量仪器是不经济的，同时又因为这 种测量机、测量仪是独立的体系，也就根本无法使用在工业皮带流水线上。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 3 计算机视觉测量系统的组成 本文研究的基于计算机视觉的小尺寸零件测量系统是计算机视觉技术在工 业和工程领域中进行工件长度测量的应用。具体而言，是利用图像处理技术对加 工零件图像进行处理、分析计算而得到零件的尺寸的一种非接触的零件尺寸测量 系统。所以这里首先对计算机视觉测量系统作一个了解。 计算机视觉测量系统是指计算机来实现人的视觉功能，也就是对客观三维世 界的识别。计算机视觉系统主要由三部分组成：图像的采集、图像的信息处理和 分析、显示输出或功能执行。图像采集设备包括光源、摄像头等；图像处理设备 包括相应的软件和硬件系统；输出设备包括过程控制器和执行装置等。如图l 一 3 所示，为典型的视觉系统的结构框图。 计算机视觉测量系统的工作过程一股是由图像采集设备采集图像数据，传输 到计算机，进行分析和控制，并根据要求，执行相应的功能。 图像采集实际上是将被测物体的可视化图像和内在特征转换成能被计算机 处理的一系列数据。主要是由三部分组成：照明、图像聚焦形成、图像确定和形 成摄像机输出信号。一般来说，常用的采集部件有成像雷达、c c d 摄像头加上 图像采集卡、数码摄像机、数码照相机等。要注意的是，照明是影响计算机视觉 系统输入的一个重要因素，因为它直接影响输入数据的质量和至少3 0 的应用 效果4 。 识别信息的输出是图像处理的最终目的。从广义上而言，信息的输出形式可 分为根据识别结果作出相应判断而后控制相关的执行机构运动，或者是图像的直 接输出。 图1 3 典型的视觉检测系统的结构框图 计算机视觉测量系统中，视觉信息的处理技术主要是依赖图像处理方法。图 像处理包括图像处理、图像分析、图像理解三个层次。其中，图像处理就是对图 像本身进行“加工”，包括图像增强、平滑、锐化、复原、变换、编码、计算等。 经过这些处理后，输出图像的质量得到相应的改变，便于计算机对图像进行分析、 处理和识别。图像分析是对帧中的目标图像进行检测和各种物理量的计算，以获 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 取对图像的客观描述，主要有图像分割、特征( 几何形状、边界、纹理等) 提取 等。对于图像的基本处理方法本文会在以后章节进行详细说明与介绍。 1 3 课题的研究方法和内容 由于本文是导师为深圳某仪器仪表公司作项目可行性研究的内容，则研究完 全基于工业现场应用的角度提出来的，研究的对象是工业现场的皮带流水线上大 批量机械加工的小尺寸零件的测量。研究将结合理论研究，现场应用和实验室设 计与验证的综合方式来展开。 本课题的研究内容有； 1 ) 基于工业现场皮带流水线上小尺寸零件测量的需要，构建一个适合皮带 流水线上应用的工件尺寸测量系统，对相关硬件进行设计； 2 ) 在以上硬件平台的基础上，对系统软件进行设计。采用面向对象的分析 方法，确定系统中各个模块的结构和功能，并完成部分功能模块的编程 和调试； 3 ) 研究分析机械零件的图像采集方法，以及相关的图像增强、边缘检测、 细化等图像处理算法，重点分析边缘检测算法，选取适合于工业现场皮 带流水线上机械加工零件尺寸测量实际特点的图像处理算法，算子； 舢根据图像处理算法，开发零件尺寸测量软件模块，进行实验室论证并预 期通过进一步的完善，以此软件模块与相关硬件部分为平台，实现应用 于实际的皮带流水线上小尺寸机械加工零件的自动测量。 7 中南大学硕士学位论文 第二章测量系统硬件体系与软件功能模块设计研究 第二章测量系统硬件体系与软件功能模块设计研究 2 1 测量任务分析 一、测量对象描述 测量对象为小型机械、家用电子设备中使用的镀镍小尺寸零件，以如图2 1 所示的一个零件为例，该零件尺寸大小如图2 - 2 所示。其零件上的直径为3 m m 的孔为关键尺寸，即为所需测量的尺寸，孔径的允许误差为o 1 m m 。孔经过普 通钻床加工得来，精度等级为i t l 0 - i t l 3 。 图2 - 1 测量对象零件图图2 - 2 测量对象零件尺寸困 二、测量环境说明 被测零件放置在机械加工现场的皮带流水线上，经过检测后输送到下一步加 工工序。皮带流水线为常用的墨绿色的p v c 皮带，带变频无极变速电机，可实 现调速运行方式。 三、开发的测量系统需要实现的功能 完成对皮带流水线上零件的全检； 根据分析计算结果对不合格尺寸零件进行筛选； 因为该零件为大批量生产零件，需要检测速度达到l 件，秒以上。 2 2 硬件体系的总体描述 根据上面对于测量任务的分析，本文研究开发的测量系统由工业计算机、来 料检测触发模块、图像采集模块、筛选执行模块和皮带电机控制模块组成。其 8 中南大学硕士学位论文第二章铡量系统硬件体系与软件功能模块设计研究 硬件组成如图2 - 3 所示， 零伴2 用2 - 3 视党测量系统的硬件组成示意图 该系统采用上下位机模式，工业计算机作为上位机完成对下位机的实时通 信，数据的处理，数据的统计、人机界面等功能；来料检测触发模块、图像采 集模块、不合格尺寸零件筛选执行模块、皮带电机控制模块作为下位机分别完成 各自相应的任务其中的零件图像采集模块是采用摄像机加图像采集卡来实现， 来料检测触发模块、筛选执行模块和皮带电机控制模块用m c s 5 1 系列的8 0 5 1 单片机作为控制器来实现 系统由一台工业计算机为上位机，单片机为下位机组成串行通信系统因为 p c 机给出的是标准r s - 2 3 2 c 电平，而8 0 5 1 单片机串行口给出的是m 电平， 因而为实现上位机与下位机的通信，需要在单片机串行口端加电平转换芯片实现 r r l 电平和r s - 2 3 2 电平之间的转换。 2 3 测量系统的工作原理及硬件组成 2 3 1 系统的工作原理 整个测量系统是固定在工业现场的皮带流水线旁，对流水线上的机械加工小 尺寸零件进行测量。因为整个系统可以根据实际的应用的需要随机地调节各个工 作位之间的距离以及皮带速度，所以，首先假定流水线的速度为v ，来料检测位 与图像采集位的距离为l l ，图像采集位与结果处理位的距离为l 2 。其工作原理 是：首先，通过来料检测，触发模块对流水线上的零件进行检测，判断是否有待 测零件通过检测系统。如果有零件通过，则触发图像采集模块，经过延时( 延迟 9 中南大学硕士学位论文 第二章测量系统硬件体系与软件功能模块设计研究 。时间为：l l ) 在零件经过图像采集位时，通过给皮带电机控制模块通信停止 电机运转，这时候对零件进行图像的采集，图像采集完成后恢复皮带电机运转， 然后在上位机中对所采集的图像进行处理和分析计算；最后，根据图像处理分析 计算结果对所检测的零件进行筛选处理，如果检测的零件为不合格零件，则经过 延时( 延迟时间为：l 2 v ) ，上位机给下位机发信号，下位机则控制筛选执行机 构把不合格零件顶出流水线而实现测量目的。其中皮带实现的是“停走停走” 的工作模式。整个系统的工作流程可以由图2 - 4 表示。 图2 - 4 测量系统工作流程圈 2 3 2 系统的硬件组成及功能说明 1 上下位机系统硬件 来料检测触发模块、不合格零件筛选执行模块和皮带电机控制模块以同一 单片机为控制器，与上位机构成一个上下位机系统，结构如图2 - 5 所示。 中南大学硕士学位论文第= 章测量系统硬件体系与软件功能模块设计研究 圉2 - 5 上下位机系统硬件结构示意图 一、各个部分的功能说明： 来料检测触发传感器用于实时检测皮带流水线上检测位是否有零件，如果 有则发送一特定信号给下位机，下位机再通过与上位机的通信触发下一步工 作； 下位机由单片机组成，负责检测位和检测后不合格零件的筛选执行结构的管 理，其控制对象包括各种检测传感器，筛选处理的执行机构相关动作控制， 皮带电机的控制机构以及与上位机的通信； 皮带电机控制机构用于实现在来料检测位上有待测零件经过时，接受下位机 发送的命令，停止皮带电机的运转，在静止状态下实现图像的准确采集，在 图像采集完毕后恢复电机的运转； 不合格零件筛选执行机构负责对检测后的零件进行处理，其动作依据为从上 位机所传送过来的检测结果，在检测合格与不合格之间有不同的动作顺序； 上位机通过与下位机进行通信，在检测到有工件正确传送到检测位的情况下 启动图像检测模块进行检测，并将检测结果下传给下位机 二、各部分硬件的选择： 1 ) 来料检测触发传感器 来料检测触发传感器用于实时检测皮带流水线上检测位是否有零件其功 能可以选用接近开关来实现。接近开关就是利用位移传感器对接近物体的敏感特 性达到控制开关通或断的目的的一种开关设备。位移传感器是对接近它的物件有 “感知”能力的元件。因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成， 而不同的位移传感器对物体的“感知”方法也不同，所以常见的接近开关有以下 几种、 涡流式接近开关 这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电 磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内 中南大学硕士学位论文第二章测量系统硬件体系与软件功能模块设计研究 部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。 这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。 电容式接近开关 这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外 壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接 近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化， 从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便 可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的 液体或粉状物等。 霍尔接近开关 霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁 性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部 电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这 种接近开关的检测对象必须是磁性物体。 光电式接近开关 利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装 在同一个检测头内。当有反光面( 被检测物体) 接近时，光电器件接收到反射光 后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。其检测距离通过选用不同的型 号开关达到从几厘米到几十米不等。 热释电式接近开关 用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热 释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器 件的输出便变化，由此便可检测出有物体接近。 其它型式的接近开关 当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接近到的波的频率会发生偏移， 这种现象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这个效应的原理制成的。利用多 普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体移近时，接近开关 接收到的反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接近。 接近开关选用注意事项： 在一般的工业生产场所，通常都选用涡流式接近开关和电容式接近开关。因 为这两种接近开关对环境的要求条件较低。当被测对象是导电物体或可以固定在 一块金属物上的物体时，一般都选用涡流式接近开关，因为它的响应频率高、抗 环境干扰性能好、应用范围广、价格较低。若所测对象是非金属( 或金属) 、液 位高度、粉状物高度、塑料、烟草等，则应选用电容式接近开关，这种开关的响 中南大学硕士学位论文第二章测量系统硬件体系与软件功能模块设计研究 应频率低，但稳定性好，安装时应考虑环境因素的影响。若被物为导磁材料或者 为了区别和它在一同运动的物体面把磁钢埋在被测物体内时，应选用霍尔接近开 关，它的价格最低。在环境条件比较好、无粉尘污染的场合，可采用光电接近开 关，光电接近开关工作时对被测对象几乎无任何影响。有时为了提高识别的可靠 性，上述几种接近开关往往被复合使用。无论选用哪种接近开关，都应注意对工 作电压、负载电流、响应频率、检测距离等各项指标的要求。 结论：这里选用光电开关作为来料检测触发传感器基于下面几个方面的考 虑：a 光电开关的高可靠性不会造成零件的漏检；b 光电开关性能不会造成对零 件的磁化等影响；c 可以应用于对不同材质的零件的检测，使得系统通用性加强： d 皮带流水线的工作环境好没有粉尘等污染，适合光电开关的使用。 2 ) 不合格零件筛选执行机构 ，不合格零件筛选执行机构负责对检测后的零件进行处理，其动作依据为从上 位机所传送过来的检测结果，在检测合格与不合格之间进行不同的动作顺序通 过直线运动机构把流水线上的零件进行顶出处理，动作执行的方法有： 线性电机控制直线运动的方法 利用直线电机的直线运动控制系统被广泛地应用于各类数控机床、加工中 心、电动执行机构、医疗仪器、舞台灯光等自动控制场合m 1 。但在像本文研究 的应用的场合下却存在运动系统体积大，安装调试难度高、系统动态性不好的问 题 液压系统直线运动的方法 由于液压系统传动具有元件体积小、重量轻、传动平稳、工作可靠、操作方 便、易于实现无极变速等优点。因此在许多的工业部门的传动系统被采用，也可 作为简单的直线运动机构使用。但是液压传动系统是个庞大的元件系统，所需要 的元件有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等，而且其液压缸执行动作 的速度不是很快，使用成本较高。所以，液压系统对于本文的应用场合不是 很适合 气动机构 气动系统跟液压系统的结构和原理基本一样，只是使用的工作介质有差别。 但是与液压系统相比，有以下的优点嘶1 ： 以空气为工作介质，能够方便使用工业现场的压力空气，而且用后可直 接排到大气中，处理方便； 动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质问题； 工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强振、潮湿、 有辐射和温度变化大的恶劣环境中工作时，安全可靠性优于液压、电子 中南大学硕士学位论文第二章测量系统硬件体系与软件功能模块设计研究 和电气机构。 气动机构的不足之处是： 由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差；工作压力低( 一般为 0 3 1 0m p a ) ，难以获得很大的输出力；噪声大，在高速排气时要加消声器 结论：通过对上述三种常用的装置的比较，选用气动机构作为不合格零件筛 选机构基于下面几个方面的考虑：a 气动机构动作迅速，反应快的特点是首先考 虑的特点，在大批量零件的高速筛选中，速度要求较高，才能不至于影响筛选结 果；b 研究对象是小尺寸的机械零件，重量轻，把其推出流水线不需要太大的作 用力。c 气动机构结构简单，维护方便等的特点。 2 图像采集模块硬件 采集模块的功能是通过上位机得到检测位的消息后，启动采集系统进行零件 图像的采集，以便进行下一步的动作。本文选用工业摄像机加图像采集卡的采集 方式。采用此方式的优点在于采集卡自带的d l l 函数库可以提供多种函数，易 于将视频采集部分集成到用户系统中，采集速度也快，图像动态质量高。作为图 像采集设备，组成系统结构如图2 - 6 所示。 l 谨懒 图2 - 6 图像采集系统结构框图 各部件的功能是：摄像机采集零件图像；图像采集卡将图像输入到计算机； 计算机通过系统软件对图像进行处理，通过图像分析、计算处理，得到图像尺寸。 结合预研项目提供的条件和实际应用的需要，硬件选择为： c c d 摄像机采用台湾b e n t e c h i n d u s t r i a l 生产的c v - 1 5 5 l 黑白摄 像机，该摄像机的分辨率位7 5 2 x 5 8 2 ： 图像采集卡采用北京中科院科技嘉公司开发的基于p c i 总线的c a - m p e 1 0 0 0 黑白图像采集卡，信号采集速度可达3 0 次每秒，能够满足实时性要 求 3 t t l 与r s - 2 3 2 之间的电平转换 p c 机给出的是标准r s - 2 3 2 c 电平，单片机串行口给出的是r r l 电平，因而 为实现电平匹配，在单片机串行1 3 端加电平转换芯片实现r r l 电平和r s - 2 3 2 电 1 4 中南大学硕士学位论文第二章测量系统硬件体系与软件功能模块设计研究 平之间的转换。芯片选用有： 传统的1 4 8 8 和1 4 8 9 两芯片配合使用； 使用i c l 2 3 2 类芯片，i c l 2 3 2 同类产品有a d m l 0 1 e 、a d 2 3 2 、m a ) 【2 0 l 、 t s c 2 3 2 等。 4 必要的辅助硬件设施 在实际工程应用中，因为种神情况可能导致检测的难以进行，或者检测出错。 如图2 7 所示，主要有： 零件在来料方向呈不规则摆放，距离和间隔都可能导致检测失误，漏检和误 检； 对检测后的零件进行筛选，也可能出现误动作、不动作等情况。 图2 - 7 漉水线检测辅助设施示意图 因此，需要在流水线上添加必要辅助硬件设施，保证检测和筛选的顺利进行 九在来料方向进入检测区的位置，添加来料辅助装置，对待检零件进行整理； b 在筛选执行机构位置添加动作检测辅助装置对执行机构的动作进行检测 2 4 软件的设计思想 为了建立一个具有开放式特征的监测系统，必须对整个系统各功能进行全面 细致的分析。在此基础上，按照软件工程学中对总体设计的要求进行模块划分， 模块细化，模块实现。总体设计又称为概要设计( p r e l i m i n a r yd e s i g n ) 或结构设 计( a r c h i t e x a u r a ld e s i g n ) ，是软件开发设计时期的一个十分重要的阶段4 6 儿4 7 1 其基本任务是： 1 将系统划分成模块 2 决定每个模块的关系 3 决定模块的调用关系 4 决定模块间的接口 总体设计的第一任务就是把软件系统划分成模块。模块( m o d u l e ) 是指具 中南大学硕十学位论文 第二章测量系统硬件体系与软件功能模块设计研究 有独立功能的、命名的一段程序语句。所以过程、函数、子程序、宏、程序包和 类均可以称之为模块。 总体设计是在需求分析的基础上进行的、总体设计过程中所有的方法称为结 构化设计( s ds t r u c t u r e dd e s i g n ) 方法，结构化设计s d 的方法是与结构化分析 s a ( s t r u c t u r e d a n a l y s e ) 的方法相衔接的。通常可直接根据系统的逻辑模型导出 软件系统的结构。总体设计中遵循的原则： 1 ) 模块化( m o d u l a r i t y ) ：模块化就是“按一定的原则把程序划分成若干个模块、 使每个模块完成一个子功能”。把这些模块按某种方法组装结构成一个软件系统 后，该系统能完成指定的所要求的功能。事实上，模块化就像是生活中的“分而 治之”。 2 ) 抽象( a b s t r a c t i o n ) ：“从一些事物中抽取其本质的共同的特性，而忽略其非本 质的细节的差异”。 3 ) 信息隐藏( h i d i n g ) ：软件质量因素中最受重视的是可维护性、可靠性、可理 解性和效率，尤其是前三者。所以模块化划分应有助于提高软件的可维护性、可 靠性和可理解性，要很好修改( 即：错误之处或要修改之处很易确定；修改容易， 修改影响面要小) 。 认识到模块化划分应使得模块独立性要好，也就是模块相互之间的关联要尽 量的少。为此人们提出了软件工程学另两个基本原则：信息隐藏性和信息局部化， 这是一个问题的两个方面。 信息隐藏是“在设计和确定模块时，使得一个模块内包含的信息( 过程和数 据) 对于不需要这些信息的模块来说是不能访问的”。 信息局部化( l o c a l i z a t i o n ) 是“把一些关系密切的软件元素，物理地放得彼 此靠近”。 4 一致性( u n i f o r m i t y ) ：软件系统各个模块或各软件成分( 文档和程序) 使用 一致的符号，没有不必要的差异；对操作有一致的控制结构和调用序列；任一抽 象层次中逻辑相关的对象的表达是相同的。 5 ) 完整性( c o m p l e t e n e s s ) ：是指一个抽象成分的所有本质的东西都明显地定义 或描述了，没有本质的东西被遗漏。 6 ) 确定性( c o m f u m a b i l i t y ) ：或称为可验证性，指软件系统分解时应保证所有软 件成分能被容易地测试，定义明确，没有二义性。 找出系统功能单元后再对其属性和方