【基于机器视觉的生产线智能分拣系统的总体设计案例分析3600字】

基于机器视觉的生产线智能分拣系统的总体设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u12210基于机器视觉的生产线智能分拣系统的总体设计案例分析 173441.1基于机器视觉的生产线智能分拣系统的方案设计 14551.2基于机器视觉的生产线智能分拣系统的硬件平台搭建 3184271.1.1硬件选型 3265991.1.2硬件接口连接 12306511.3基于机器视觉的生产线智能分拣系统的控制系统 13针对散乱的工件分拣工作，传统的分拣方式已经不能满足智能化的生产要求，需要研究一套效率高、分拣精度优良的智能分拣系统。根据要求，本文设计了3D视觉抓取系统，2D视觉识别定位系统以及依靠传送带等设备的上料分拣系统，为后续的研究和实验奠定基础。1.1基于机器视觉的生产线智能分拣系统的方案设计本文针对散乱工件的智能分拣这一任务需求，设计如图1.1所示的机器视觉智能分拣系统。该系统由机器视觉系统、机器人平台、工件输送及位置反馈系统组成。机器视觉系统包括3D视觉系统和2D视觉系统。3D视觉系统通过eye-in-hand的连接方式将相机固定在机械手末端，实现散乱工件的抓取操作；将2D视觉系统安装在传送带上方，由CMOS相机、镜头、光源组成，实现工件的识别与定位；工件传送与位置反馈系统由传送带、电机、编码器、对射开关、PLC等组成，实现工件的传送和位置的反馈；利用气缸完成工件的分类。1.工作台；1.机器人；3.3D相机；4.2D相机；5.环形光源；6.传送带；7.分类盒；8.气缸；9.旋转编码器；10.伺服电机；11.PLC；11.机器人控制器；13.工控机；14.载物台图1.1机器视觉分拣系统Fig.1.1Machinevisionsortingsystem机械手带动3D相机运动采集图像，计算机对图像进行处理确定工件位姿，发送给机械手，机械手夹取工件并按照规划轨迹放置在传送带上，2D相机对工件进行识别，编码器进行位置反馈，最后气缸根据位置反馈信息完成工件的分类，如图1.2所示。3D相机3D相机工控机控制器2D相机PLC电磁阀机械手气缸图1.2硬件原理图Fig.1.2Hardwareschematic1.2基于机器视觉的生产线智能分拣系统的硬件平台搭建1.1.1硬件选型系统的硬件设备包括：机械手、镜头、伺服电机、对射开关、工控机、气缸、3D相机、2D相机、旋转编码器、传送带、光源、PLC、控制器等，以下对主要硬件选型进行具体介绍：（1）机械手：包括机械手本体和控制器。根据平时实验工件重量100g、载物台与传送带距离500mm、图像处理需要的精度和工件姿态不固定等要求，选择ABB公司的ABB-IRB-1200-5/.09六轴机器人，如图1.3所示。图1.3ABB-IRB-1200-5/.09六轴机器人Fig.1.3ABB-IRB-1200-5/.09six-axisrobot表1.1ABB-IRB-1200-5/.09主要参数Tab.1.1MainparametersofABB-IRB-1200-5/.09工作范围（mm）901有效负载（kg）5重复定位精度（mm）0.025电源电压（V）200~600重量（kg）54防护等级IP40安装方式任意角度能耗（kw）0.38轴数6（2）3D相机：3D视觉成像方法主要包括双目立体成像法、结构光成像、激光三角法和飞行时间法，其中，激光三角法与接触测量法相比，解决了接触测头半径过大造成的精度问题，提高了检测效率；与另外几种非接触测量法相比，具有较广的测量范围，操作更加方便，并且对待测工件的表面粗糙度要求较低。激光三角法根据射入方式的不同可分为：斜射入式和垂直射入式。=1\*GB3①垂直射入式是指激光线沿着法线垂直射向工件表面，如图1.4所示。图1.4垂直射入式激光三角法Fig.1.4VerticalinjectionlasertriangulationOA是激光器投射出的激光线，当该光线投射到工件表面时，经过反射之后到达镜头中心O1后成像，其中A点与B点对应，O、C点对应，OC(反射光线)与OA(入射光线)之间的夹角为，为成像平面和OC之间的夹角。由图1.3可知，被测工件表面的高度不同，对应的成像平面中工件的像就不同，所以工件表面的每一个点都是与成像平面所成的像的点是一一对应的。工件基准面为O点所在平面，成像平面的基准点为C点，所以只要计算出成像平面上对应工件像的点到基准点的距离，就可以算出实际工件中该点的高度，进而求出工件表面的高度。根据几何三角关系可列出以下公式：（1.1）由上式可以推导出：（1.2）式中：OA—被测工件表面的高度信息BC—点A和点O成像平面的距离OO1—点O的成像物距O1C—点O的成像像距=2\*GB3②斜射入式是指激光器的入射光线与被测工件的法线之间构成一定的入射角度，如图1.5所示。图1.5斜射入式激光三角法Fig.1.5Obliqueinjectionlasertriangulationmethod反射光线OC与入射光线OA相互垂直，基准面、入射光线之间的夹角，反射光线OC、成像平面的夹角为。根据三角形相似原理，可得公式：（1.3）由式（1.3）可推导出：（1.4）式中：O，A—被测工件表面的高度信息BC—点A和点O成像平面的距离OO1—点O的成像物距O1C—点O的成像像距激光斜射入法的入射光线与工件表面形成一定角度，相机接收到的信息主要来自镜面反射，所以对被测工件表面精度要求较高，最佳应该近乎于镜面。如果入射光线与工件表面之间的角度过大，一些工件复杂的表面会挡光，另外，应用斜射入测量系统所占体积较大。激光直射入法的入射光线垂直于工件表面，相机接收的信息主要是漫反射和散射，而且夹角可以根据情况自由选取，对工件表面的粗糙度要求较低，测量范围也更大。本文设计的机器视觉分拣系统体积较小，工件表面相对比较粗糙，因而选择垂直射入式的激光三角法，综上考虑，3D相机选择采用激光三角法的AT一体式C5-2040-CS30-330，如图1.6所示。图1.6AT一体式C5-2040-CS30-330Fig.1.6ATintegratedC5-2040-CS30-330表1.2AT一体式C5-2040-CS30-330主要参数Tab.1.2ATintegratedC5-2040-CS30-330mainparameters每条轮廓包含数据点数2048X方向分辨率（mm）0.119~0.203Z方向分辨率（μm）1.73~8.19工作距离（mm）400Z方向测量范围（mm）300机械尺寸（mm）316×145×64重量（kg）1.9防护等级IP67（3）2D相机：市场上大部分工业相机都是基于CCD和CMOS芯片组成，其中，CMOS图像传感器的优点相较于其他传感器其功耗低、数据传输速度快、耐压性好。因此在使用CMOS时，选用驱动类似逻辑门相较于其他系列逻辑门更适合。CCD图像传感器的优点包括体积小、质量轻、功率损耗低、工作电压低、耐冲击、使用寿命长、性能好，但相应地该传感器的用电量也随之增大，读出速度相对较慢，所以本文选择CMOS图像传感器。又根据视野大小和精度要求，计算出相机需要大于200万像素即可，综合考虑分辨率、帧数等参数因素，2D相机选择MER-231-41GM，如图1.7所示。图1.72D相机MER-231-41GMFig.1.72DcameraMER-231-41GM表1.3MER-231-41GM主要参数Tab.1.3MER-231-41GMmainparameters分辨率1920(H)×1200(V)帧率(fps）41传感器类型CMOS像素尺寸(μm)5.86×5.86靶面尺寸(mm)4.8×3.6重量(g)60机械尺寸（mm）29×29×29光谱黑白工作温度（°C）0~45（4）镜头：作为机器视觉系统的最重要部分之一，机器视觉系统的准确性受其直接影响。镜头的作用是将采集到的光聚集到CMOS相机上。在相机镜头选择上需要根据工作距离、接口、景深、视野、焦距五个参数进行选取。如图1.8所示，镜头焦距与测量范围和视野距离有关系，关系式如式1.5所示。H—视场长V—视场宽L—像面长W—像面宽WD—视距f—焦距图1.8焦距与视距关系Fig.1.8Therelationshipbetweenfocallengthandviewingdistance（1.5）本文设计的机器视觉系统的相机视距为310mm，视场范围为200×200mm，根据相机靶面尺寸3.6×4.8mm，则根据式1.6计算焦距为：（1.6）综合以上因素，最终选择ComputarM0814-MP2型工业镜头，如图1.9所示。图1.9镜头ComputarM0814-MP2Fig.1.9LensComputarM0814-MP2表1.4ComputarM0814-MP2主要参数Tab.1.4ComputarM0814-MP2mainparameters焦距（mm）8镜头直径与焦距之比1:1.4图象尺寸（mm）8.8×6.6机械尺寸(mm)φ33.5×28.2重量(g)70（5）伺服电机：传送带运转动力源的提供者，其选型如下：=1\*GB3①计算折算到电机轴上的负载惯量：（1.7）=2\*GB3②计算电机驱动负载所需要的扭矩：克服摩擦力所需转矩为：（1.8）加速时所需转矩为：（1.9）=3\*GB3③计算电机所需要转速：（1.10）根据上述条件选择5RK-120GU-C型号伺服电机满足要求,如图1.10所示。图1.105RK-120GU-C伺服电机Fig.1.105RK-120GU-Cservomotor（6）旋转编码器：由于气缸对工件进行分类需要输送带的位移反馈，常用的输送带位移反馈依靠编码器的半反馈，但由于电机与输送带及传动机构之间存在误差，因此本文采用全反馈的方法。根据气缸推件机构的长度大小，选择了SICKDBV50E-22GPB编码器，如图1.11所示。图1.11SICKDBV50E-22GPB编码器Fig.1.11SICKDBV50E-22GPBencoder（7）其他硬件选型：环形光源选择DHK-HX160D30R4W，如图1.12所示；工控机选择研华IPC-610-L，如图1.13所示；PLC选择S7-300CPU314C-2PN/DP，如图1.14所示；开关电源选择HF75w-SE-24，如图1.15所示。图1.12环形光源DHK-HX160D30R4WFig.1.12RinglightsourceDHK-HX160D30R4W图1.13工控机研华IPC-610-LFig.1.13IndustrialComputerAdvantechIPC-610-L图1.14PLCS7-300CPU314C-2PN/DPFig.1.14PLCS7-300CPU314C-2PN/DP图1.15开关电源HF75w-SE-24Fig.1.15SwitchingpowersupplyHF75w-SE-241.1.2硬件接口连接机器视觉分拣系统以工控机为中心，通过以太网分别连接3D相机，2D相机和机器人。本系统的主要接口设计如图1.16所示。图1.16硬件接口连线图Fig.1.16Hardwareinterfacewiringdiagram工控机与机械手通过PC-interface方式进行通讯；工控机通过千兆以太网与2D相机和3D相机通讯。机械手通过IO接口连接电磁阀，控制气爪的抓取。编码器通过IO接口与PLC连接，获得传送带上工件的位置。1.3基于机器视觉的生产线智能分拣系统的控制系统在实际操作中，使用3D相机得到目标的位姿，然后机械手根据3D相机反馈的位姿信息进行工件的抓取，通过2D相机识别定位，气缸进行工件的分类。机器视觉分拣系统包括机器视觉模块和运动控制模块，如图1.17所示。系统上系统上电3D相机采集图像获取点云点云处理获取工件位姿2D相机采集图像边缘提取模板匹配确定工件类型机械手抓取工件到传送带读取编码器数值气缸分类3D视觉模块开始传感器检测工件是开始2D视觉模块图1.17控制系统流程图Fig.1.17Controlsystemflowchart机器视觉模块：机器视觉模块包括3D视觉模块和2D视觉模块，当系统