机器视觉检测台自动控制系统设计毕业设计.docx
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机器视觉检测台自动控制系统设计毕业设计
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论文作者签名：
日期：
指导教师签名：
日期：
毕业设计
题目：
机器视觉检测台自动控制系统设计
姓 名：
学 号：
学院：
机电学院
专业：
机械工程及自动化
指导教师：
协助指导教师：
201年月日
摘要
为了提高机器视觉检测系统中摄像头的定位精度和实现摄像头的全自动调节，本文结合实际工业生产需求详细叙述了怎样进行机械机构设计、硬件选型与硬件接线以及精度计算设计等工作。
其中硬件设计包含怎么选择合适的控制器、控制工艺、驱动设备、上位监控软件及网络通信方式等机器视觉检测台自动控制系统中的重要组成部分；精度计算设计主是指通过计算步进电机步距角与其高速脉冲频率的关系来实现摄像头移动位置的精确定位。
关键词：
自动检测系统、PLC、步进电机
Abstract
Precisiondetectiontechnologyasthekeytopromotingindustrialdevelopmentandtheefficiencyofdetectiontosomeextentreflectsthedevelopmentofthemanufacturingsector;formachinevisioninspectionsystemhastheadvantageofhighprecision,on-line,real-time,non-contact,etc.,withindustrialproductionfieldofautomationrequirementscontinuetoincrease,machinevisioninspectionapplicationsinvariousfieldsmorewidely,suchasassemblylinepartsrecognitionpositioning,sizeandlocationofthemeasurementofmechanicalcomponents,partsflawdetection,mechanicalpartsassemblyAppearanceinspectionandproducttestingcompletely.
Inordertoimprovethepositioningaccuracyofthemachinevisioninspectionsysteminthecameraandthecamera'sautomaticadjustmentrealization,thispaperactualindustrialproductionrequirementsdescribedindetailhowmechanicalstructuredesign,hardwareselectionandthehardwarewiringandaccuracyofthecalculationanddesignwork.Thehardwaredesignincludeshowtochoosetherightcontrollertocontroltheprocess,drives,PCandnetworkmonitoringsoftware,communicationsandothermachinevisioninspectionstationautomaticcontrolsystem,animportantpart;precisioncomputingdesignofthemainmeansbycalculatingthesteppermotorstepRelationshipanglefromitshigh-speedpulsefrequencytoachieveprecisepositioningcameramovementposition.
Keywords:
AutomaticallyDetectingSystem,PLC,StepperMotor.
引言
精密测量与检测的效率很大程度上体现了制造业的发展水平，对精密测量与检测技术要求有了极大地提高,且现代工业生产领域对自动化程度要求的越来越高，机器视觉检测技术是一种在工业、医疗、智能交通等领域应用越来越广泛的新型技术，机器视觉检测技术是通过运用计算机图形图像学对摄像头采集的图像进行处理，而后运用自动化控制、计算机图形图像学、数字信号处理等的非接触式测量技术。
在工业生产中,传统的检测技术需要众多的检测工人,且存在众多人类视觉不能够感知的场合，如不可见物体感知、精确定量感知、危险场景感知等，这不仅影响生产效率加大生产成本,而且带来不可靠及安全因素；而作为近几十年迅速崛起的一种新型计算机技术与科学，机器视觉检测技术克服了传统检测技术的缺点，即是使机器视觉具有信息处理的能力，用机器代替人来做相关的测量和判断；所以近年来基于机器视觉的自动化检测系统已经在汽车制造、医学检测、食品检测以及各种工业加工品生产检测等众多工作危险或者人工无法完成的环境下代替人工工作。
机器视觉在应用于实际项目之前，通常需要在检测台上进行算法研究和测试。
目前市场上的机器视觉检测系统为适应不同对象的检测要求，摄像头的位置通常可以进行调解，但大都是手动调节或半自动调节。
本设计所设计机器视觉检测系统机构中的摄像头可以进行自动调节，并可实现上位监控和控制系统之间的通信；在上位监控系统中有摄像头位置状态显示，可进行上位调节控制、参数设置和报警等功能。
1绪论
机器视觉是一个正处在快速发展中的学科，其理论体系及控制体系还在不断完善，而随着工业生产领域对自动化程度要求的不断提高，对机器视觉检测系统的要求也在不断提高，因此进一步开展视觉检测的实践研究和理论探索，引进及学习国外先进的机器视觉检测技术与学术思想，对开拓视觉检测新的应用领域，具有十分重要的意义。
1.1上位监控
目前市场上的上位监控软件有iFIX、组态王、InTouch、WinCC等等。
其中，
InTouch：
InTouch软件是第一批进入中国的组态软件。
在八九十年代，基于Windows3.1的InTouch软件一度让早期研究人员耳目一新，而且InTouch可以提供大量的图库；但是，早期的InTouch软件采用ＤＤＥ方式与驱动程序通信，使用性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全适用基于32位的Windows操作平台，并且提供了OPC支持。
组态王：
组态王是中国第一家相对具有一定影响力的组态软件开发公司；组态王给用户提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持方便中国用户使用，组态王也提供多种硬件驱动程序。
WinCC：
西门子公司旗下的WinCC上位监控软件也具有一套完备的组态开发环境，WinCC上位监控软件可提供类Ｃ语言的脚本，包括调试环境，WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。
1.2驱动技术
现行市场中所流通的驱动设备主要分为气压驱动、液压驱动、电气驱动。
气压驱动主要优点是经济成本低，驱动系统具有缓冲作用，气源方便，结构相对简单，能够在粉尘、高温等环境恶劣的条件中工作。
气压驱动的缺点是装置体积大，功率质量比小，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。
适用于灰尘大、易爆与易燃的场合。
液压驱动与气压驱动相比体积小，驱动平稳，系统的固有效率高，且快速性好，功率质量比大，同时液压驱动的速度调节比较简单，能够在较大范围内实现无级调速；用电液伺服调整运动方向和液体流量时，可以使机器人的轨迹重复性提高；液压驱动的缺点是易漏油，这将影响定位的精度与工作的稳定性，而且会造成污染环境。
液压驱动大多用于要求运行速度偏低，输出力较大的场合。
电气驱动是利用各种电机产生的转矩或力，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动；由于电气驱动具有响应快，信号监测、信号监测、运动精度高，信号监测、使用方便，成本低廉，不污染环境，传递和处理方便，驱动效率高等诸多优点，电气驱动已经成为市场中应用最多，最普遍的驱动方式。
1.3主要研究内容
机器视觉自动检测台控制系统的设计任务旨在研制一台在高度和水平方向均能实现自动调节的装置，主要研究内容包括：
机械设计，控制系统硬件设计和上位界面软件设计等。
2总体方案设计
机器视觉自动检测台控制系统的设计的主要研究内容包括：
机械设计，控制系统硬件设计和上位界面软件设计等。
故需对本设计实施方案在控制器、控制工艺、驱动设备、上位监控软件及网络通信方式选择进行详细分析。
2.1机械结构
机器视觉自动检测台系统主要包括传输机构、升降机构、水平移动机构等机械机构。
根据项目需求，其中传输机构主要负责传输待检测工件，可以使用普通电机皮带传输。
所以需要设计传送装置，而升降机构与水平移动机构的主要工作是驱动升降机机构和水平机构将摄像头移动到指定位置，可以使用丝杠滑杆结构实现。
又因要求摄像头移动位置要精确，因此可以使用步进电机或伺服电机进行驱动。
机械结构示意图如图2-1所示。
1、步进电机12、上限位开关3、升降导轨丝杠4、左限位开关5、摄像头安装位置
6、步进电机27、升降滑块8、水平移动滑块9、连接板10、水平导轨丝杠
11、右限位开关12、下限位开关13、传输装置14、头辊15、尾辊
图2-1机械机构示意图
2.2控制工艺要求
机器视觉自动检测系统包括传输机构，升降机构，水平移动机构，机器视觉设备和控制系统等。
机器视觉设备包括摄像头，光源（可选）和计算机。
传输机构负责传输待检测工件，可以使用普通电机皮带传输。
驱动升降机机构和水平机构将摄像头移动到指定位置，可以使用丝杠滑杆结构实现。
由于要求摄像头移动位置要精确，因此可以使用步进电机或伺服电机进行驱动。
计算机需要显示摄像头当前的位置，并通过控制系统实现对电机的控制。
（a）启动：
在系统处于停止状态时，按下控制面板上的SB1系统启动按钮，若摄像头不在初始位置，则系统启动指示灯HL1闪亮，若摄像头位于初始位置，则启动指示灯HL1常亮。
（b）复位：
系统启动后，按下复位按钮SB2，摄像头回复初始位置。
（c）模式选择：
系统启动并复位成功后，由SA1实现就地/远程模式的选择，并通过相应的指示灯进行模式指示。
（d）就地控制：
系统启动且摄像头回复初始位置后，可通过控制面板上的手动点动按钮调节摄像头位置，通过控制面板上的启停按钮实现传送带的启停传输。
其摄像头具体位置可在上位监控系统中进行显示。
（e）远程控制：
摄像头具体位置可在上位监控系统中进行显示。
光电传感器故障或运行故障，在上位监控系统中均能实现报警功能。
在系统启动且摄像头回复到初始位置后，可以通过上位监控系统中的手动模式实现摄像头位置的点动调节，而在自动模式下在参数画面中放置的输入输出域中输入移动量，点击确定按钮可对摄像头进行精确定位，以及对传送带进行远程启停控制。
2.3总体方案
机器视觉自动检测台控制系统实现对摄像头的位置进行自动调节和高精度定位。
本毕业设计的实施方案在控制器、控制工艺、驱动设备、上位监控软件及网络通信方式选择进行以下分析。
（1）驱动设备选型
本课题传输机构、升降机构、水平移动机构等机械机构，所需机械运动要靠驱动设备来实现，直流电机、交流电机、伺服电机、步进电机等都是可供选择的驱动设备。
其中，传输机构主要负责传输待检测工件，将待检测工件运送到指定位置，所以传送装置可以采用价格低廉的直流电机来进行件的传输，而升降机构与水平移动机构的主要工作是驱动升降机机构和水平机构将摄像头精确移动到指定位置，因此可以使用步进电机或伺服电机进行驱动。
而步进电机与伺服电机相比价格低廉，且其控制精度足以满足课题研究需求，因而在此设计中选择可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的。
（2）控制器选择
目前市场上的机器视觉检测系统主要分为PLC系统及单片机系统，而PLC凭借着可靠的、分立逻辑和简单的模拟I/O且系统构成灵活，扩展容易，并能与上位机组成复杂的控制系统，实现生产过程的自动化；编程简单，使用方便，可采用简明的逻辑图、语句表、梯形图等编程语言，而无需计算机知识，因此现场调试容易，系统开发周期短。
另外PLC也可在线进行修改程序，改变控制方案也不用拆动硬件。
因此本课题选用PLC作为控制系统。
PLC的品牌众多，有国外著名品牌西门子、三菱、通用、施耐德等，也有国内生产的台达、永宏、深圳合信、德维深、和利时、淅大中控、江苏信捷等。
而相对于其他品牌的PLC，西门子PLC的模拟量模块价格便宜，开放性好，程序简单，性能质量好,支持多种通信协议,产品售前售后服务到位，适用多种人机界面和监控组态软件利于多厂家设备的通讯与集成，西门子具有很多功能块，减轻了设计人员的编程负担。
本设计选用西门子品牌的S7系列的PLC，而本课题输入及输出量较多故选取西门子S7-300为机器视觉检测台自动控制系统的控制器。
（3）上位监控软件选择
目前市场上的上位监控软件有iFIX、组态王、InTouch、WinCC等等。
其中，iFIX功能强大，但是操作繁琐，适用于大型的或较复杂的控制系统；组态王设计简洁直观，适应性强；InTouch的单功能较简单，但在分布式结构、大型应用上能力较弱；而WinCC的功能强大，应用灵活，扩展功能开放简易，而且与西门子PLC的方便集成，有丰富的功能选件，更适用于该课题。
综上所述，最终选用WinCC作为控制系统的上位监控软件。
综上，本课题的系统结构框图如图2-4所示。
图2-4系统结构框图
3硬件设计
根据驱动设备选型与控制工艺要求，选择相应控制驱动设备以及所需其他设备，进行硬件选型，硬件接线与硬件设计。
3.1信号分析
本设计需要控制步进电机，步进电机的方向信号为输出信号，靠脉冲输出控制故需要两个高速脉冲信号；再根据对本设计的控制工艺分析，并结合所需要控制的驱动设备。
在分析相应的控制任务和需实现的功能情况下总结统计出，本设计共需数字量输入信号14个；数字量输出信号11个；数字量输入信号表详见表3-1；数字量输出信号详见表3-2。
表3-1数字量输入信号
序号
名称
符号
类型
1
启动按钮
SB1
DI
2
复位按钮
SB2
DI
3
停止按钮
SB3
DI
4
急停按钮
SB4
DI
5
上行按钮
SB5
DI
6
上行按钮
SB6
DI
7
上行按钮
SB7
DI
8
上行按钮
SB8
DI
9
就地/远程模式选择开关
SA1
DI
10
手动/自动选择开
SB2
DI
11
上限位开关
SQ1
DI
12
下限位开关
SQ2
DI
13
左限位开关
SQ3
DI
14
右限位开关
SQ4
DI
表3-2数字量输出信号
序号
名称
符号
类型
1
步进电机1方向
M2
DO
2
步进电机2方向
Y1
DO
3
系统指示灯
HL1
DO
4
报警指示灯
HL2
DO
5
远程控制指示灯
HL3
DO
6
就地控制指示灯
HL4
DO
7
手动模式指示灯
HL5
DO
8
自动模式指示灯
HL6
DO
9
直流电机继电器
M1
DO
10
步进电机1脉冲
M2
D0
11
步进电机2脉冲
M3
D0
3.2硬件选型
本设计需要用到步进电机并对其进行精确控制，故需要有高速脉冲输出，而西门子紧凑型S7-300C系列的PLC中CPU31XC型号的CPU都具有高速脉冲输出，本设计选用的CPU型号为6ES7313-6CE01-0AB0。
经过信号分析可知本设计共需数字量输入信号14个；数字量输出信号9个；高速脉冲信号输出2个，所以还需要扩展模块，本设计选择6ES7323-1BH01-0AA0型号的数字量输入输出模块。
初步确定所需材料与器件型号具体清单见表1-4。
表3-4硬件清单表
序号
材料/器件
型号/规格/订货号
1
PLC分布式机架
6ES7390-1AE80-0AA0
2
开关电源
HB-60W124V-1b
3
CPU
6ES7313-6CE01-0AB0
4
数字量输入输出模块
6ES7323-1BH01-0AA0
5
永磁直流减速电机
302YJ
6
两相步进电机
35HBP22BL4-TRO
7
选择开关
T80-T
8
按钮（绿色）
LA128A
9
按钮（红色）
LA128A
续表3-4硬件清单表
序号
材料/器件
型号/规格/订货号
10
按钮（黄色
LA128A
11
按钮（白色）
LA128A
12
急停按钮
AVW668
13
Ø16绿色指示灯
AD16-16V
14
Ø16蓝色指示灯
AD16-16V
15
Ø16红色指示灯
AD16-16V
16
限位开关
CM-1704
17
光电传感器
E3F-DS30C4
18
继电器
2790C
19
断路器
5SJ62
20
步进电机驱动器
ZD-8731
21
接线端子
SAKJXB2.5/EN
22
丝杠滑杆机构1
DTX0808-300
23
丝杠滑杆机构2
DTX0808-400
24
型材
20×40×500mm
25
PVB传送带
宽100mm,长806mm，厚1.2mm
26
尼龙托辊
φ40mm,长100mm
3.2硬件组态
本设计具有高速脉冲输出和使用定时器，所以需对CPU的循环特性和时钟存储器及脉宽调制调用进行设置。
根据本设计的课题任务，机器视觉检测台的硬件模块选择及配置如图3-1所示。
其中1号槽安装电源模块，选择了一块输入AC220V、输出DC24V/2A的电源模块。
2号槽安装CPU模块。
需设置CPU与PC通信的接口MPI的地址为2，用于下载程序和监视程序运行。
3号槽为接口模块本设计不需要，所以3号槽空出不安装模块。
4号槽安装I/O模块，安装本设计所需的数字量输入输出模块。
图3-1硬件配置
本设计需要定时器来控制脉冲输出已达到精确定位的目的，因此设置CPU的扫描周期为150ms,保存时钟信号的位存储器的存储器字节是10，如图3-2。
图3-2CPU设置
本设计是通过控制脉冲输出来控制步进电机，在硬件组态通过设置脉冲输出周期及脉冲宽度的来调节步进电机的移动速度。
可双击硬件组态下的计数进入计数器属性对话框对相应的脉冲输出参数进行设置，设置方式如图3-3所示。
图3-3脉宽调制组态
CPU计数模块作为普通数字量输出点使用时，其系统默认地址为Q124.0、Q124.1、Q124.2（可自行修改），作为高速脉冲输出时，对应的通道分别为0通道、1通道、2通道（通道号为固定值，不能自行修改）。
每一通道都可输出最高频率为2.5KHZ（周期为0.4ms）的高频脉冲。
在CPU计数模块的属性对话框中需要调用通道0和1和脉宽调制功能，相应设置如图3-4。
图3-4脉宽调制参数设置1
设置脉冲参数：
在上图的对话框中选择OK，对应通道被设置脉宽调制工作方式，脉冲参数将被设置为默认值。
计数器属性对话框会出现一个新的标签，脉宽调制标签，选择此标签可对脉宽参数进行设置，如图3-5所示。
图3-5脉宽调制参数设置2
3.3I/O分配
通过对本设计进行的信号分析及对输入输出设备的分析、分类和整理，进行了相应的I/O地址分配。
本设计的I/O分配如表3-3所示。
表3-3I/O分配表
名称
类型
符号
地址
启动按钮
DI
SB1
I0.6
复位按钮
DI
SB2
I0.7
停止按钮
DI
SB3
I1.0
急停按钮
DI
SB4
I1.1
上行按钮
DI
SB5
I1.2
下行按钮
DI
SB6
I1.3
左行按钮
DI
SB7
I1.4
右行按钮
DI
SB8
I1.5
位置传感器
DI
S0
I1.6
远/近程模式选择开关
DI
S1
I2.0
手/自动模式选择开关
DI
S2
I2.1
上限位开关
DI
SQ1
I2.2
下限位开关
DI
SQ2
I2.3
左限位开关
DI
SQ3
I2.4
右限位开关
DI
SQ4
I2.5
续表3-3I/O分配表
名称
类型
符号
地址
步进电机1
DO
M2
Q0.0
步进电机2
DO
M3
Q0.1
步进电机1方向
DO
DIR1
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