基于MCGS的機械臂視覺分揀系統(tǒng)的設計

周海 張奇志 周亞麗 劉俊 溫招洋 劉志鵬 裴新權(quán)

( 北京信息科技大學自動化學院,，北京,，100192)

摘 要：針對PCB生產(chǎn)線上產(chǎn)品檢測和分揀人工操作的自動化程度低,、勞動強度大及一致性差的缺點，本文設計了基于MCGS組態(tài)軟件的機械臂視覺分揀自動監(jiān)控系統(tǒng),。該系統(tǒng)框架設計內(nèi)容主要包括TPC組態(tài),、機械臂外圍PLC控制電路、PCB視覺檢測系統(tǒng),、各設備間通信測試以及硬件結(jié)構(gòu)的設計加工,。采用計算機、相機,、光源及檢測工裝作為視覺系統(tǒng),，完成PCB裸板焊膏檢測；上位機MCGS組態(tài)軟件開發(fā)出動態(tài)監(jiān)控界面,，能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)運行情況進行實時檢測,；KUKA（庫卡）機械臂完成PCB抓取和分揀任務；EtherCat,、PLC,、網(wǎng)線及串口線等完成數(shù)據(jù)信號的相互傳送任務。本自動生產(chǎn)線監(jiān)控功能完善,、自動化程度高,，符合自動化生產(chǎn)要求，同時具有較高的教學和工程應用價值,。

關鍵詞：機器人,，MCGS，組態(tài)軟件,，機器視覺,，機械臂，監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

MCGS（Monitor and Control Generated System,，通用監(jiān)控系統(tǒng)）組態(tài)軟件是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows 平臺的,、用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。該軟件具有與工業(yè)設備通信的能力,，可實現(xiàn)對現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的采集處理,，并具備動畫顯示、報警處理,、流程控制,、參數(shù)設置、報表輸出等功能,。

傳統(tǒng)的PCB裸板檢測和分揀環(huán)節(jié)由人工進行檢測和分類,，由于人眼容易疲勞且易受主觀因素及外界環(huán)境等影響,，在檢測和分揀中往往存在個體差異，從而導致PCB裸板檢測的穩(wěn)定性和一致性難以保證,。對于不斷重復,、單一而又要求嚴格的檢測和分類工作，人工操作具有漏檢率高,、速度慢,、成本不斷增加的缺點，而設計一款具有視覺檢測和分揀功能的自動化裝置是解決此類問題的有效途徑,。

隨著人工智能及工業(yè)4.0的提出和推進,，機械制造的裝配、質(zhì)檢及分類系統(tǒng)的智能高效與生產(chǎn)制造的高度自動化甚至無人化已成為新的發(fā)展方向,。智能制造中的機器視覺就是利用計算機進行測量和判斷,，以快速獲取生產(chǎn)過程中工況信息，如原件質(zhì)量出現(xiàn)問題等,，便于系統(tǒng)自動化處理,。機器視覺技術與控制信息實現(xiàn)有機集成指導生產(chǎn)制造，這在制造業(yè)中有廣闊的應用前景,。

目前,，機器視覺技術已經(jīng)在質(zhì)檢、異常診斷和物品識別等領域得到廣泛應用,，機器視覺正成為智能工控生產(chǎn)線的得力小助手，讓傳統(tǒng)的機械制造設備擁有“眼睛”,。

李寧[1]和杜菲等[2]利用MCGS充當上位機監(jiān)控系統(tǒng),，并使用傳感器（顏色傳感器等）做產(chǎn)品質(zhì)檢，設計框架及結(jié)構(gòu)圖完整,。但是傳感器的應用具有局限性,，成本高，對于復雜的產(chǎn)品無法完成檢測和分類,，不具有二次開發(fā)性,。在分析MCGS和機器視覺于制造業(yè)應用模式的基礎上，以機械產(chǎn)品裝配,、質(zhì)檢,、分揀作業(yè)為研究對象，本文將相機,、計算機,、光源等組建成視覺系統(tǒng)集成到分揀裝置中，針對不同的產(chǎn)品開發(fā)不同的視覺檢測程序（本文以PCB裸板為待檢測產(chǎn)品）,，并利用六軸機械臂為中心搭建實驗室實物測試平臺,。

本系統(tǒng)通過MCGS組態(tài)屏（TPC）實現(xiàn)機器視覺系統(tǒng)和機械臂的相互配合,，完成PCB焊膏的產(chǎn)品檢測和分揀任務，并通過TPC對系統(tǒng)的工作狀態(tài)及產(chǎn)品檢測結(jié)果進行實時監(jiān)控,；操作人員可以通過TPC的畫面方便直觀地了解各個設備的運行狀態(tài)和產(chǎn)品檢測結(jié)果,。此設計方法和原理為其他工業(yè)生產(chǎn)的自動化質(zhì)檢、分揀系統(tǒng)也可提供一種可行性的技術方法和思路,。

1 總體設計方案

該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成,，側(cè)重于系統(tǒng)框架的集成和調(diào)試。硬件結(jié)構(gòu)為整個系統(tǒng)的框架支撐,，軟件設計主要有PCB視覺識別檢測,、MCGS的組態(tài)工程及機械臂動作編程與邏輯判斷等。整體結(jié)構(gòu)及硬件搭建如圖1和圖2所示,。

圖1 分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 實驗硬件組成

1.1 硬件構(gòu)成

視覺分揀系統(tǒng)硬件包括：主控TPC,、機械臂和視覺系統(tǒng)。其中,，視覺系統(tǒng)由相機,、筆記本電腦及測試工裝等組成。整體硬件搭建如圖2所示,。

1.2 軟件部分

視覺分揀系統(tǒng)主要用到的軟件及完成的功能包括：

1）用MCGS組態(tài)軟件完成主控TPC的組態(tài)界面工程,；

2）VS2010結(jié)合HALCON視覺軟件，完成對PCB的缺陷檢測工作,，并向主控TPC發(fā)送檢測結(jié)果,；

3）KUKA機器人編程，執(zhí)行對PCB分揀的動作,。

1.3 外圍電路布線及通信

串口通信是計算機上一種非常通用的設備通信協(xié)議,，也是儀器儀表設備通用的通信協(xié)議。很多GPIB兼容的設備也帶有RS-485口,，同時串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠程采集設備的數(shù)據(jù),。

隨著以太網(wǎng)（Ethernet）通信速率的提高、全雙工通信與交換技術的發(fā)展,，以太網(wǎng)為本系統(tǒng)通信提供了技術基礎,，實驗的后期也嘗試了TCP/IP通信協(xié)議，由于組態(tài)屏本身硬件性能的限制,，最終筆者選擇了串口通信,。

主控TPC實現(xiàn)對KUKA機械臂的控制是通過RS-485串口與PLC通信實現(xiàn)的。具體實現(xiàn)是：PLC的I/O與機械臂控制柜通過網(wǎng)口接出來的倍福EtherCAT[3]模塊的I/O進行對應相連（PLC的I對應EtherCAT的O,，PLC的O對應EtherCAT的I）,，TPC通過監(jiān)控PLC對KUKA機械臂及機械臂的氣泵吸盤進行控制，并通過EtherCAT接口完成機械臂輸出信號的采集。具體電氣布線對應方法如圖3所示,。為了使EtherCAT輸出端提高和穩(wěn)定高電平信號,，每個輸出端接下拉電阻。

圖3 I/O布線對應方法及設備實際接線圖

主控TPC對視覺系統(tǒng)的監(jiān)控基于MFC的串口通信,，并通過此串口接收計算機檢測結(jié)果,。MFC上定義了2個字符串變量，1個用于發(fā)送檢測結(jié)果,，1個用于接收檢測命令,。主控TPC能夠向計算機發(fā)送檢測指令和接收視覺檢測結(jié)果，完成對待測PCB裸板好壞的判斷,。要完成此串口通信,，首先要制作MFC通信串口，視覺系統(tǒng)運行環(huán)境是Windows系統(tǒng),，并通過串口將圖像識別的結(jié)果傳回主控TPC,。MFC制作串口視覺檢測通信界面如圖4所示。

圖4 MFC串口通信制作

該MFC界面也能顯示待測圖像的缺陷位置和得到每個待測圖像的缺陷個數(shù),，并能將檢測的結(jié)果Pass（合格）和Fail（不合格）通過串口發(fā)送個主控TPC,。

2 視覺分揀系統(tǒng)設計

分揀控制系統(tǒng)設計的控制性能要求：基于MCGS的視覺分揀系統(tǒng)是實時控制檢測系統(tǒng)，要求視覺檢測具有快速,、及時控制和通信響應快等性能,。在連續(xù)生產(chǎn)線中，該系統(tǒng)開啟后,，待測PCB隨著流水線運動到待檢區(qū)觸發(fā)標識待測物到位的光電傳感器,；TPC收到此信號后，向KUKA機械臂發(fā)送抓取待測物到檢測工裝的程序號,，機械臂將待測物抓取到檢測工裝,，同時觸發(fā)檢測工裝的光電傳感器；TPC收到此傳感器的信號（表明待測物已到檢測工裝）,，通過RS-485串口向視覺系統(tǒng)的PC機發(fā)送開始檢測的命令；PC機使用CCD相機對被檢測PCB進行拍照,，獲取數(shù)字化圖像的信息,，并通過圖像處理和識別比較得到檢測結(jié)果，將該結(jié)果反饋給TPC,。TPC根據(jù)檢測結(jié)果做分類決策,，向機械臂發(fā)送分揀指令：取至合格區(qū)域（合格）或者取至不合格區(qū)域（有缺陷），并且TPC記錄檢測結(jié)果,。

實驗室目前實現(xiàn)的是人工更換料供料方式,，生產(chǎn)線實際應用則需要對自動上下料進行改進和完善。本文系統(tǒng)設計的工作流程為：

1）系統(tǒng)上電自檢,。檢查設備間通信是否正常,，并確定上料器是否有料,、下料器是否有放置檢測完產(chǎn)品的空位和檢測工裝上是否還放置著上次未測完的產(chǎn)品，并將自檢的信息記錄在主控TPC中,；若自檢異常則自動報警提醒人工參與,，如下料器沒有空位或上料器沒有待測的產(chǎn)品等需要人工更換上下料器。

2）自檢正常,，則用戶通過按TPC檢測開始按鈕進入檢測的主循環(huán)策略,。主控TPC確認自檢正常后，發(fā)對應程序號給機械臂抓取待檢產(chǎn)品,，機械臂通過吸盤上的接近開關狀態(tài)判斷吸盤是否接觸到待測產(chǎn)品,，收到接近開關信號則吸盤吸產(chǎn)品，并將它抓取到檢測工裝,；PCB裸板放置檢測工裝觸碰光電開關狀態(tài)返回到PLC,；主控TPC采集PLC的光電開關反饋信號后，執(zhí)行視覺檢測策略,，通過串口發(fā)送halcon_test向計算機,，觸發(fā)視覺檢測系統(tǒng)；視覺系統(tǒng)PC機經(jīng)過相機采圖并通過MFC調(diào)用halcon算子進行缺陷檢測處理,，其檢測結(jié)果通過MFC串口通信返回給主控TPC,；主控TPC根據(jù)返回的檢測結(jié)果向機械臂發(fā)送相應的程序號，機械臂將當前檢測的產(chǎn)品抓取至合適的下料器上進行分揀,，然后機械臂復位,。至此一個產(chǎn)品的檢測流程結(jié)束。

重復過程2）完成后面的待測產(chǎn)品的檢測流程,。若上料器和下料器狀態(tài)異常,，則報警提醒工作人員更換上料器或下料器。

2.1 組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設計

2.1.1 構(gòu)建實時數(shù)據(jù)庫

MCGS組態(tài)工程[4-5]的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)都是實時數(shù)據(jù),，構(gòu)建實時數(shù)據(jù)需要定義數(shù)據(jù)對象,，包括對象名稱、數(shù)值類型,、屬性及操作方法等,。組態(tài)TPC就是通過采集這些數(shù)據(jù)的值的變化來產(chǎn)生相應的動畫效果，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控,，比如指示燈變化通過采集I/O的狀態(tài)來改變紅綠色,。

本系統(tǒng)定義了26個主要的數(shù)據(jù)對象,，包括21個開關型、6個字符型，涉及到的中間變量還包括策略標志號等,。主控TPC通過控制PLC上的7個輸出量（O）控制機械臂外部啟動，有4個輸出量作為程序號傳給機械臂來啟動相應的程序,；10個輸入量（I）用來接收機械臂的輸出信號,、監(jiān)視機械臂及視覺檢測設備執(zhí)行狀態(tài)（TEST_STATE_ STR）,，還有另1個輸入量是觸發(fā)視覺檢測的光電開關；在變量中,，有2個字符型的變量分別用來發(fā)送視覺檢測程序命令和接收視覺檢測結(jié)果（V_Result）的，2個字符型變量用于顯示TPC與PLC的連接狀態(tài)和機械臂外部啟動狀態(tài),，另有2個用來顯示系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)（取PCB到工裝/視覺檢測中/取PCB到下料器/暫停）和檢測結(jié)果（Pass/Fail）,。最后,，用這些變量的狀態(tài)組合成系統(tǒng)需要的運行策略即完成邏輯控制,，如外部啟動按鈕,、檢測開始按鈕等都有相應的運行策略,。另外,，PLC有1個I/O通過吸盤上的限位開關判斷異常,，并用外接的報警燈用來監(jiān)控上料器缺料異常報警（TPC中對應的控制開關為Alarm_ Lamp1）,。

2.1.2 組態(tài)監(jiān)控界面的設計

MCGS組態(tài)TPC工程下載到主控TPC上，將主控TPC的串口連接到PLC和筆記本電腦,，并完成它們之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控要求,，使用MCGS圖像庫工具箱中的繪圖工具,，設計制作組態(tài)監(jiān)控界面。

本系統(tǒng)監(jiān)控機械臂和視覺系統(tǒng),，交換數(shù)據(jù)量大,，共設計了4個主要界面：PCB裸板檢測、狀態(tài)監(jiān)控和檢測統(tǒng)計為用戶界面,，機械臂調(diào)試界面則是給調(diào)試人員使用的,。圖5為運行界面,，按運行界面中機械臂調(diào)試按鈕即顯示圖6機械臂調(diào)試界面,。PCB裸板檢測開始后，當主控TPC收到Pass信號則說明產(chǎn)品合格,，若收到Fail則為不合格PCB裸板,，并在界面上顯示和計數(shù)。

圖5 TPC運行界面設計

圖6 TPC的機械臂調(diào)試界面

1）圖6中機械臂界面上調(diào)試控件功能及狀態(tài)如下：指示燈中，左邊兩個指示燈亮綠色,，說明主控TPC與機械臂通信正常,、機械臂外部啟動狀態(tài)正常,，否則異常；右側(cè)有兩列信號燈,，左邊一列是主控TPC向機械臂發(fā)送的數(shù)字信號,，靠右邊的一列是機械臂返回的數(shù)字信號,，綠燈時為高電平,，紅燈時為低電平,。

2）按鈕設置中，圖6左邊兩欄的按鈕包括控制機械臂的外部啟動,、急停和繼續(xù)運行的按鈕以及調(diào)試時輸入對應程序號后的執(zhí)行按鈕,，右邊一欄的兩列燈只有左邊的一列燈對應的英文名字的按鈕可通過按壓進行高低電平狀態(tài)的切換，從而實現(xiàn)手動主控TPC對機械臂發(fā)送高電平的信號,。啟動,、急停、繼續(xù)及執(zhí)行按鈕都加入了主控TPC對機械臂控制的高低電平信號控制策略,，左側(cè)一列燈會亮起相應的綠燈,。

2.1.3 數(shù)據(jù)連接及運行策略

數(shù)據(jù)連接[6]就是將監(jiān)控界面的指示燈及相關按鈕與數(shù)據(jù)庫中建立的數(shù)據(jù)關聯(lián)起來。當數(shù)據(jù)對象值發(fā)生變化,，與相關聯(lián)的指示燈也會變化（如圖6中最右一列指示燈）,；當按鈕按下時,，可以根據(jù)外部啟動策略和檢測流程，用腳本程序編寫合適的運行策略,。本系統(tǒng)添加了外部啟動,、程序號、緊急停止,、接通驅(qū)動等機械臂的運行策略和上電自檢,、上下料及視覺檢測循環(huán)流程的運行策略，具體上電自檢,、取料和放料的流程圖和創(chuàng)建,、連接數(shù)據(jù)變量如圖7、圖8,、圖9,、圖10所示。

圖7 上電自檢流程圖

圖8 取料-＞工裝流程圖

圖9 工裝-＞放料流程圖

系統(tǒng)開機時,，設備首先進行上電自檢,，通過串口線、網(wǎng)線及光電開關等檢查設備間的通信狀態(tài)和上料器,、工裝及下料器的狀態(tài)是否正常,。

上電自檢正常，點擊檢測開始,，機械臂就從上料器中開始抓取PCB到視覺檢測工裝上進行質(zhì)量檢測,，主控TPC根據(jù)檢測結(jié)果向機械臂發(fā)送相應的動作程序號，機械臂把工裝上檢測完的PCB放到相應的下料器中進行產(chǎn)品好,、壞分類,，機械臂返回到Home位置。

至此,，完成一個PCB的檢測周期,，系統(tǒng)進入下一塊PCB的循環(huán)檢測，直至上料器被抓完或者下料器被放滿后,，報警提示補充待測PCB料或更換下料器,。

圖10 數(shù)據(jù)連接

主控TPC中的循環(huán)檢測策略如下：

PROGRAM=0//循環(huán)檢測暫停標志

IF FLAG_Strategy=3 AND X12=0 AND X12=0 THEN//判斷開始標志

TEST_STATE_STR ='取料至工裝' //設備狀態(tài)顯示

!SetStgy(PCB裸板_上料器至工裝) //加載取料策略

ELSE

IF X12=1 THEN //上料器缺料判斷

TEST_STATE_STR ='缺料，請補PCB料'

PROGRAM=0

Alarm_Lamp1=1 //報警

!Sleep(2000)

Alarm_Lamp1=0 //等待時間無響應,，停止

ENDIF

IF X13=1 THEN//下料器空位狀態(tài)判斷

TEST_STATE_STR ='請更換下料器'

PROGRAM=0

Alarm_Lamp1=1 //報警

!Sleep(2000)

Alarm_Lamp1=0 //等待時間無響應,，停止

ENDIF

ENDIF

//條件滿足（完成PCB放置到工裝）則執(zhí)行視覺檢測

IF X12=0 AND X13=0 AND FLAG_Strategy=1 THEN

TEST_STATE_STR ='視覺檢測'

!SetStgy(V_ 視覺檢測) //執(zhí)行視覺檢測策略

ENDIF

//執(zhí)行分揀策略

IF X12=0 AND X13=0 AND FLAG_Strategy=2 THEN

IF !strComp(V_Result,'Pass')=0 THEN

TEST_STATE_STR ='放置合格區(qū)'

!SetStgy(PCB裸板_工裝至合格區(qū))

ENDIF

IF !strComp(V_Result,'Fail')=0 THEN

TEST_STATE_STR ='放置不合格區(qū)'

!SetStgy(PCB裸板_工裝至不合格區(qū))

ENDIF

ENDIF

IF PROGRAM_FLAG=1 THEN

PROGRAM=1 //循環(huán)檢測開始條件

ELSE

TEST_STATE_STR ='暫停'

PROGRAM=0

ENDIF

循環(huán)檢測按時間進行，按下檢測按鈕開始后,，F(xiàn)LAG_ Strategy和 PROGRAM都置1,，且上下料器檢測無異常，開始取料至工裝,，即加載SetStgy(PCB裸板_上料器至工裝)策略完成取料至檢測工裝動作,；抓取完成則加載!SetStgy(V_視覺檢測)策略完成視覺檢測及好壞產(chǎn)品的統(tǒng)計工作,；檢測完成后，根據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果（Pass/Fail）進行PCB裸板分類,。（限于篇幅,，對于其他的策略沒有附詳細代碼。）

2.2 PCB圖像處理和識別的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的視覺檢測軟件部分是由MFC結(jié)合HALCON算子處理程序開發(fā)的,。HALCON是德國MVtec公司開發(fā)的一套完整的專門用作圖像處理的算法包,，內(nèi)含1000多個獨立算子。本系統(tǒng)的圖像處理部分,，先用HALCON算子處理完成，再導出C++程序,，配合VS2010的MFC的界面設計形成視覺檢測系統(tǒng),。

視覺檢測系統(tǒng)[7-11]檢測過程包括：PCB圖像采集、圖像預處理,、圖像識別檢測及結(jié)果輸出保存,。其中，圖像采集使用筆記本電腦控制CCD面陣工業(yè)相機在紅色光源下采取PCB裸板的圖片,。測試工裝上的光源及檢測工裝和視覺檢測控制流程及結(jié)構(gòu)組成如圖11,、圖12和圖13所示。

圖11 紅色光源

圖12 檢測工裝

圖13 視覺檢測流程及視覺系統(tǒng)組成

彩色物體反射和吸收不同光會有不同的光譜變化,，我們可以利用這一特點增強我們需要的特征,，同時抑制背景。根據(jù)印刷電路板（PCB板）在紅光,、白光下拍攝得到的不同效果,，呈現(xiàn)綠色的PCB背景吸收紅光較少顯得比較暗，而焊盤更容易吸收紅光,，使得PCB裸板的金色焊盤的對比度大大提高,，從而使焊盤灰度閾值分割變得非常容易，所以我們選擇了紅色光源,。白光和紅光拍攝效果對比如圖14所示,。

圖14 PCB裸板拍照

視覺檢測方案通過工業(yè)相機在紅色環(huán)形光源下采集PCB裸板圖像，選取圖像預處理后的合格PCB裸板圖像作為模板,，然后采集待測PCB裸板圖像,，進行濾波預處理，通過采用基于金字塔匹配方法進行圖像配準,，分割PCB裸板區(qū)域,，最后通過圖像異或處理進行缺陷分析：模板圖與測試圖作差分得到缺失的焊點，測試圖與模板圖作差分得到比模板多出來的焊點,，將兩次作差運算的結(jié)果取并集,，就會得到測試圖中缺失的焊點和多余的焊點,。

差分運算使用HALCON的sub_image()和add_image()算子可以實現(xiàn)異或處理，然后用面積等特征對異或結(jié)果圖進行缺陷面積篩選,。面積閾值設為大于10個像素的差異為缺陷,。限于相機分辨率，采取對PCB裸板分區(qū)域拍攝檢測的方法,，圖15中有區(qū)域拍圖檢測的效果（缺失焊膏或多焊膏缺陷）及50個好PCB和50個壞PCB樣品進行測試的結(jié)果,。

圖15 分區(qū)域的PCB裸板檢測

在圖15表中，由于某些待測PCB裸板經(jīng)過配準后焊膏相對位置稍微偏差,，導致合格品誤報錯2個,；而不合格品被檢測為合格品1個，原因是由于缺陷小于15個像素而造成了缺陷漏報,，這可以通過調(diào)整面積閾值來修正（不過要注意誤報和漏報間的均衡）,。

本視覺測試對于PCB裸板的丟失焊膏和多焊膏的缺陷檢測效果很好，對于如何提高小缺陷精確檢測率（比如焊膏缺失的面積大小精確到1-2個像素級）是今后研究的內(nèi)容之一,。

2.3 KUKA機械臂編程及外圍控制電路

2.3.1 工業(yè)機器人組成及外部啟動

如圖16所示,，工業(yè)機器人有以下組成部件：1 機械手，2手持式編程器smart PAD,，3連接線纜,，4機器人控制系統(tǒng)，5連接線纜/數(shù)據(jù)線,，6連接線纜/電機導線,，7電源線。

圖16 工業(yè)機器人組成

圖17 外部自動運行重要信號

庫卡機器人[12]是通過示教編程的方式來調(diào)整運動軌跡的,。它運行時有4種工作模式：T1—手動慢速,、T2—手動快速、T3—內(nèi)部自動,、T4—外部自動,。本文設計系統(tǒng)中使用T4外部自動運行模式，即通過外部信號來控制其運行,。使用上級控制系統(tǒng)控制庫卡機器人工作需要連接通信設備,，常用Profinet通信協(xié)議。本系統(tǒng)采用Ether CAT模塊與PLC的I/O對應連接,，并通過Work Visual軟件進行機械臂與EtherCAT的輸入/輸出(I/O)端通道的軟配置,，如$OUT[1]和$IN{1}對應哪個輸入/輸出端口，從而完成信號傳遞,。圖17是幾個重要的外部運行的I/O信號連接,，圖18是I/O配置對應關系。

上述連接好的數(shù)字信號還要通過PLC串口連接到主控TPC上，對應連接TPC創(chuàng)建的輸入/輸出信號狀態(tài)燈以及對應按鈕的相關變量,，具體如圖6和圖10所示,。

下述是機械臂最重要的外部啟動的運行策略之一，即圖5界面中機械臂啟動按鈕按下后的策略,。當機械臂接收到相關程序號后運行,，若突然暫停后，按下該按鈕能夠使機械臂在任意點暫停后啟動,，繼續(xù)執(zhí)行完該程序號對應的后邊的軌跡,。具體腳本程序如下：

′1、接通驅(qū)動裝置

FLAG=1

圖18 機械臂-倍福模塊-PLC的輸入/輸出關系

R_IN_MOVE_ENABLE=1

R_IN_DRIVES_OFF=1

R_EXT_STATE.Value='驅(qū)動正常'

R_IN_DRIVES_ON=1

!Sleep(50)

R_Time_Count=0

WHILE FLAG=1

IF R_OUT_PERI_RDY=0 THEN FLAG=0

!Sleep(50)

R_Time_Count=R_Time_Count+1

IF R_Time_Count ＞ 100 THEN

R_EXT_STATE.Value='驅(qū)動不正常'

EXIT

ENDIF

ENDWHILE

R_IN_DRIVES_ON=0

!Sleep(100)

′2,、確認信息提示

FLAG=1

R_EXT_STATE.Value='確認信息'

R_IN_CONF_MESS=1

!Sleep(50)

R_Time_Count=0

WHILE FLAG=1

IF R_OUT_STOPMESS=1 THEN FLAG=0

R_EXT_STATE.Value='確認信息中'

!Sleep(50)

R_Time_Count=R_Time_Count+1

IF R_Time_Count ＞ 100 THEN

R_EXT_STATE.Value='確認信息失敗'

EXIT

ENDIF

ENDWHILE

R_IN_CONF_MESS=0

!Sleep(100)

′3,、外部啟動程序

FLAG=1

R_EXT_STATE.Value='啟動正常'

R_IN_EXT_START=1

!Sleep(50)

R_Time_Count=0

WHILE FLAG=1

IF R_OUT_PRO_ACT=0 THEN FLAG=0

!Sleep(50)

R_Time_Count=R_Time_Count+1

IF R_Time_Count ＞ 100 THEN

R_EXT_STATE.Value='啟動不正常'

EXIT

ENDIF

ENDWHILE

R_IN_EXT_START=0

外部啟動正常后，把經(jīng)過示教編程的軌跡動作程序?qū)舷鄳某绦蛱?，然后就可以通過接收主控TPC的程序號以及程序號有效(PGNO_VALID=1)來選擇相應的動作程序,，并執(zhí)行抓取動作，從而完成產(chǎn)品的分揀,。程序號由Y15、Y14,、Y13和Y12共4個比特位狀態(tài)（0或1）控制,，PGNO_FBIT（第一比特位）設置為Y12；4個二進制構(gòu)成0-15,，共16個程序號,，可以調(diào)用機械臂16個程序。KUKA機械臂的程序可以嵌套調(diào)用,，外部啟動時要啟動cell程序進行,。TPC可以根據(jù)R_EXT_STATE.Value變量的狀態(tài)監(jiān)視機械臂運行情況是否異常。

2.3.2 KUKA工業(yè)機器人編程

外部啟動調(diào)試成功后,，配置好抓手的外部控制I/O信號就可以進行KUKA機器人的編程工作及通信測試了,。KUKA機器人使用的是類C語言進行邏輯控制編程，并結(jié)合示教的方式進行位置坐標及軌跡運行方式的記錄,，編程結(jié)束運行程序時,，機器人就會重復示教所編寫的軌跡動作程序。

根據(jù)圖8和圖9的取放料流程,，程序加入對吸盤抓手的控制完成取,、放的動作。本設計編寫了上電工裝檢測程序,、取料程序和放料程序,，并對應相應的程序號碼。只有當機械臂收到TPC相應的程序號、且程序號有效信號置高電平時,，機器臂才執(zhí)行相應的動作程序,。

當機械臂的吸盤抓手接近PCB時，通過接近開關信號確認吸盤是否與PCB貼合,，當開關信號反饋高電平到機械臂程序中時會發(fā)出吸盤吸取的信號,，完成PCB吸取,；當機械臂吸著PCB到達指定的檢測或下料的位置后,，機械臂程序會關閉吸盤完成對PCB的放置。

3 系統(tǒng)調(diào)試

各個設備連接后,，通信測試正常,，系統(tǒng)調(diào)試成功，該設備應該能夠完成以下功能：機械臂對上料器上的PCB依次進行抓取,，并放置在測試工裝上,；待PCB確認放置在測試工裝上后，主控TPC收到光電開關信號,，發(fā)送指令給PC機觸發(fā)相機對PCB拍照,；PC機對相機采集的圖片進行檢測識別，并做出正品/次品的判斷,；判斷結(jié)果返回給主控TPC,；主控TPC根據(jù)判斷結(jié)果向KUKA機械臂發(fā)送指令，正品放置在正品的下料器上,，次品放在次品的下料器上,。若出現(xiàn)異常狀態(tài)，報警燈會亮起,。

本系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試,，計算機在對待測的圖片檢測后發(fā)送Pass或者Fail給主控TPC，主控TPC能夠根據(jù)檢測結(jié)果向機械臂傳送相應的分揀動作程序號,，然后將待測的PCB裸板進行正品和次品的正確分類,。在此過程中，TPC還會對每個PCB的檢測結(jié)果進行標記和統(tǒng)計,，得到已經(jīng)檢測分類的好壞產(chǎn)品各多少個,。

4 結(jié)束語

為了滿足PCB裸板檢測的自動化要求，本文將機器視覺技術,、MCGS組態(tài)工程及KUKA六軸機械臂應用于自動分揀系統(tǒng)中,，并利用圖像采集、圖像處理和識別檢測方法,，設計了一個完整的PCB檢測,、分揀和監(jiān)控系統(tǒng)。實驗測試結(jié)果表明，在紅色光源下采集圖像,，可以突出檢測焊點對比度,，精確快速地完成PCB裸板的視覺檢測；整個系統(tǒng)能夠有效地將有缺陷和無缺陷的PCB裸板進行正確分類,，并能通過TPC組態(tài)屏對檢測的PCB進行質(zhì)量檢測,，結(jié)果進行統(tǒng)計并生成報表，TPC也能對系統(tǒng)各個設備運行的狀態(tài)進行實時監(jiān)控,。

系統(tǒng)在運行中,，各個設備的通信正常，邏輯設計滿足視覺自動分揀功能需求,，這對工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中視覺檢測和分揀的自動化改進有一定的借鑒作用,。本系統(tǒng)要應用于視覺分揀的生產(chǎn)線上，還需要對PCB的自動上下料裝置進行進一步的研究和設計,，并且用工控機配置合適的接口卡和采集卡進行工業(yè)實時的采圖,、檢測和信號處理。另外,，還需要對工業(yè)CCD相機,、處理器等硬件進行升級，以提高視覺檢測的精度和速度,。

本系統(tǒng)集成方案在軟,、硬件或運行策略上略做修改，就能應用到類似的產(chǎn)品質(zhì)檢分類生產(chǎn)環(huán)節(jié),，具有較強的通用性。

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