西门子6ES7212-1AB23-0XB8产品型号

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  “机器视觉”（Machine Vision）又称图像检测技术，它是将被测对象的图像作为信息的载体，从中提取有用的信息来达到测量的目的。具有非接触、高速度、测量范围大、获得的信息丰富等优点。通过CCD（Charge Coupled Device）摄像头与光学系统、数字处理系统的结合，可实现不同的检测要求。CCD元件可理解为一个由感光像素组成的点阵。因此，面阵CCD的每个像素都一一对应了被测对象的二维图像特征，即通过对像素点成像结果的分析可以间接分析对象的图像特征。
    “机器视觉”的用途很多，随着上世纪九十年代以来光电、自动化和计算机图象处理技术的发展，机器视觉已在包括汽车制造业在内的很多工业部门得到越来越广泛的应用。作为一种新颖而又实用的传感技术，图像检测单元近年已实现产品化，一些的厂商，如日本的松下公司、德国的西门子公司等都推出了品种规格齐全的系列化产品，包括光源、摄像头、处理器等，这对图像检测技术的推广应用创造了很有利的条件。与此同时，所颁布的相关标准，不但规范了生产，而且为用户在不同情形下选用合适的单元，以及快、好地进行系统设计提供了依据。国内在这方面尚处于起步阶段，即使在近20年获得发展的汽车制造业，机器视觉的应用也相当有限。但通过以下应用实例，可以清楚地看出这项新技术的应用前景。
图像检测技术在精密测量中的应用
    精密测量是机器视觉的一个重要应用领域，其对被测对象进行测量的原理如下：检测系统主要由光学系统、CCD摄像头和计算机处理系统等组成。由光源发出的平行光束照射到被测对象的检测部位上，其边缘轮廓经过显微光学镜组成像在摄像机的面阵CCD像面上，经计算机进行图像处理后获得被测对象边缘轮廓的位置。如果使被测对象产生位移，再次测量其边缘轮廓位置，则两次位置之差便是位移量。显然，若被测对象的两条平行的边缘轮廓能处于同一幅图像内，则其二者位置之差即为相应尺寸。
    上述系统为适合对大批量生产情况下工件的在线检测，尤其是当被测对象尺寸较小、形状比较简单时，能显示其优越性。电子接插件(包括汽车电子产品中的接插件)就是典型例子，它们的生产效率和成品尺寸精度都较高，前者可达到每分钟数百件，而后者多数为0.01mm的数量级。一般情况下，工件质量缺陷包括插脚的变形或扭曲、多余的金属粘附（金属碎屑）等，均反映为外形尺寸的误差。当系统进行测量时，零件（插脚）所形成的图像由于与其明亮背景之间的强烈对比，而具有清晰的剪影效果。这样的理想图像为准确测量被检对象的尺寸和轮廓（形状）特征创造了条件。例如，一部分冲压成形的插脚随着金属输送带通过检测工位时产生典型的背光图像。其中，插脚A发生了扭曲，插脚B上粘附着多余的金属，插脚C断面尺寸（宽）不合格——这些都属于常见的质量缺陷。
    需要指出的是，尽管采用的是对零件图像的边缘检测，但根据工件的不同情况，具体做法上仍有差别。如对上例零件（插脚）的图像上可以设置三条（L1、L2、L3）或多条检测线，分别采用简单的阈值法或单/双峰法出零件的边缘信息。由于三条检测线之间保持着相互垂直交叉的关系，因此可以通过联立三线（或多线）的边缘检测点确定插脚相对于图像平面的位置（X、Y）和转角（θ）。这些目标零件的位置信息（边缘坐标和起始转角）将传送给计算机处理系统，以做出相应的评价。
    图像检测技术用于精密测量的另一个实例是在预调测量中的应用。众所周知，承担现代汽车发动机生产的主体是数控机床、加工，它们所用的经测量预调，故各类预调测量仪在生产过程中的应用越来越普遍。传统的检测方式是光学投影和光栅数显表相结合，前者用于瞄准定位，而后者用于测量、读数。整个过程需较多的人工参与，对操作人员的要求高，效率却较低。几年前诞生的新颖预调测量仪把机器视觉、光栅技术、计算机软硬件、自动控制技术等结合，使传统的工作方式发生了根本变化，无论在测量精度、操作方便和工作效率上都有了大的提高。而主要原因就是以机器视觉替代了传统的光学投影，从而改变了原有的工作模式。    在这种新颖仪器中，作为运动导轨的Z轴、X轴和C（回转）轴内，分别装有直线光栅和圆光栅。被测沿转台线，即C轴安装。机器视觉传感器位于叉形支架两侧，也就是跨越转台的线。支架的一端安放光源，而另一端是摄像头，被测的图像由摄像头读取。
    机器视觉用于工件表面缺陷检测
    工件表面缺陷，如连杆大小头结合面的破口缺损是在制造过程中形成的，对表面缺陷的探测在批量生产的汽车、摩托车、内燃机等行业，迄今基本都采用人工目测方法。这样的方法不但效率低，劳动强度大，且对工艺标准中规定的定量评定要求往往难以准确执行，从而影响对产品质量的有效监控。以连杆结合面爆口为例，其评定标准的具体要求如下：①破口面积小于3mm2；②破口任一方向的线性长度小于2.5mm。只要符合上述一个条件，就将判定不合格而被剔除。
指出，与以上精密测量中机器视觉系统采用的透射方式（又称“背光”方式）不同，用于表面缺陷探测时，需采取反射方式。系统通过一个方形框式LED漫反射光源照亮待检测工件的破口区域，光线照射到对象表面后，反射到摄像头内的光电耦合CCD元件上，即转化成对应的电量信号，图像处理系统根据电量信号对得到的图像进行分析和计算，终得到所需的数据。如前所述，CCD元件可理解为一个由感光像素组成的点阵。其每一个像素都一一对应了对象的二维图像特征，即通过对像素点成像结果的分析可以间接分析对象的图像特征。比如通过对二值化图像中的成像像素个数的计算，可以得到相应对象的长度值和面积值。
    系统将得到的图像进行二值化处理后，把二值图像作为对象进行进一步的计算分析。对于灰度的二值化阈值和光源的设定采用比对的方法实现，具体方法为：用已知的样件作为标定的参照物。把已知的参照物测量值除以参照物对应的像素值，即可得到像素与实际值之间的对应比例值。通过调整光源亮度以及系统的二值化阈值，对灰度的二值化阈值进行优化，保证系统对对象边界具有相对较高的分辨率，即优化后的二值化阈值和光源可以使边界的变化产生尽量大的像素值变化。
    根据被测对象的特征（工件形状、被测部位）和要求，参照视觉系统产品的有关标准，并按照所完成的设计，将能方便地选取合适的图像检测单元（器件），组成相应的检测系统。以连杆结合面爆口为例，其系统的检测要求为分别检测互为15°夹角的A-B-C三个（连杆侧面的）破口面，终以三个检测结果中的大值作为破口的真实值，进行判断后输出。该系统由以下部件组成：
    (1)CCD摄像头：用于采集破口图像并转换成数字图像信号。结合面的破口缺损面积均不大于15×15mm，根据系统的标准对照表选取“视野”为20.0×21.4mm，由于CCD感光元件为512×480的像素点阵，故X轴向分辨率为21.4/512=0.0417mm/pixel，Y轴向分辨率为20.0/480=0.0417mm/pixel。镜头选用松下电工的ANM847L镜头，此镜头焦距为f=50mm，景深较大，可保证成像为清晰。
    （2）LED光源：用于提供稳定的、均匀的照明，保证取像质量。光源有荧光灯、卤素灯、激光和LED光源等多种类型。综合考虑光源的性价比，选用CCS公司120×120mm的框型红色LED光源进行轴向照明。LED光源的特点是半衰期长、照明稳定，而且功耗低（6W）可频繁开关、易于控制。
    （3）图像处理单元：用途是根据需要对采集到的图像进行处理、分析，同时把分析结果和图像系统的状态信息通过RS232接口传向PLC提供信号输出和数据交换。系统使用松下公司的MultiCheckerV110嵌入式图像处理系统，集图像处理和输出为一体。嵌入式图像处理系统的特点是处理器体积小（8.4×4.0×12cm），功耗低（24VDC，0.7A），而且环境适应性好，能在环境温度50℃的条件下连续工作。
    （4）PLC用于控制整个检测系统各项功能的执行，同时也对图像处理单元传过来的数据进行校验和判断。本系统选用西门子公司的S7-226MX。
    （5）监示器作为人机交互界面，显示图像处理系统的状态和数据分析结果。
图像识别在汽车制造业中的应用
用于图像识别的机器视觉系统的检测原理虽然与以上表面缺陷探测相似，但作用、目的不同。且相比之下，即使在国内汽车制造业中的应用也较前两个领域为多。
在产品或包装上打标识、粘贴徽记，乃至在输送托（盘）架做上标记是企业生产中常用的做法，而现代工业则已越来越多地采取让终产品、甚至半成品（零部件）带有用于识别的一维、二维条码。在大批量生产条件下，如何对它们识别、判断？若依靠人工肉眼检查，不但劳动强度大，也难免错检漏判。另一方面，在生产线，特别是其中那些装配工序的运行中，为正确完成规定的要求，往往也需一维、二维条码或识别某些印刷字体。此外，很多情况下，对零件的姿态、位置（方向）也进行辨识，特别在采用选择装配方式时。
电子标签也是近年发展起来的一项新技术，它采用机器视觉的识别技术，将涉及发动机的各种质量信息通过读写器无线写入标签或读出。在有些发动机生产线的输送装置（托盘）上安装有一个电子标签，而每个加工或装配工位则布置有一个读写器。读写器与PLC或计算机相连。
    （1）活塞在缸体内的装配
图像识别技术在用于“活塞—缸体装配工序”时，其主要环节包括：判断缸体到位并做好检测准备；探测缸体上缘（准确到位的标志），如果未发现该特征部分，即发出报警信号；在系统中建立坐标系，识别这样三项内容：活塞的有无，活塞位置的正确性（确切地讲是“方位”），活塞部表面的标识和字符——用于表明型号、选择装配时的组别及其它相关含义。
整个检测、识别过程如下：发动机被翻转、装入活塞，通过输送系统发动机随托盘向检测工位移动；当发动机即将到达检测工位时，由电子标签读写器验明其“身份”，然后发信号给PLC；而当发动机到达检测工位，接近开关触发时，PLC给机器视觉系统发出工作指令；如果活塞在缸体内的装配正确，视觉系统发信给PLC，然后写入电子标签，发动机继续流向下一工位。如果活塞装配有错，则视觉系统提示PLC，并通过人机界面报警，显示屏将指示哪一缸的活塞装配有错、何种错误。操作者确认检测结果后，通过对人机界面PLC发出指令，将写入电子标签，并且将发动机直接输送到返修区域进行返修。整个检测过程全部自动完成，只是在出现装配错误、发出报警时才由人工干预。
    （2）主轴承盖在缸体上的装配
    在四缸发动机的缸体生产线，主轴承盖在缸体上的装配是又一个典型示例。5个主轴承盖的部呈不同的台阶状。通过每个零件上的数字标识，按规定顺序和方向安装。由于零件混杂、数量又大，常发生错装现象，导致下道工序产生废品。
为此，在生产线的拧紧装配工位和翻转工位之间设置一检测工位，通过自动识别，判断装配结果的正确性。若全部正确，则缸体继续流向下一工位，否则报警并给PLC发出指令，使生产线停机，将有问题的缸体下线返修。为了适应1件/分钟的装配节拍，采用在缸体移动过程中检测，2个光电视觉传感器分别前后布置在生产线的上方和一侧。个为零件定位传感器，用以自动准确地触发采样，后一个用于动态识别5个主轴承盖的表面几何形状。根据预先置入的各主轴承盖特征参数和采集到的传感器输出信号，可确定是否装错并指示具体出错位置。
    整个检测、识别过程为：缸体在完成主轴承盖的拧紧工序后，沿辊道向检测工位移动，而两侧导轨的约束作用，保证了零件自动找正位置。当进入检测工位时，定位传感器探测到1主轴承盖边缘，随即由另一个传感器识别其部的几何形状，经控制器采样、处理；然后缸体继续前移，对2～5个主轴承盖进行探测和识别。通过与预置值比较，就可对有否错装零件作出判断。每次探测都有计数和显示，整个检测过程在缸体输送移动中完成，不必额外增加检测时间。
    图像识别技术在汽车制造业中的应用，大大提高了工艺运行质量和生产效率，降低了劳动强度，已在不少国内大企业得到成功的应用。

    1）利用分立元件，采用模拟、数字混和电路生成SPWM波。此方法电路复杂，实现困难且不易改进；

    2）由SPWM芯片SA828系列与微处理器直接连接生成SPWM波，SA828是由规则采样法产生SPWM波的，相对谐波较大且无法实现闭环控制；

    3）利用CPLD（复杂可编程逻辑器件）设计，实现数字式SPWM发生器；

    4）基于单片机实现SPWM，此方法控制电路简单，利用软件产生SPWM波，减轻了对硬件的要求，且，受外界干扰小。

    而当今单片机的应用已经从单纯依赖于51系列单片机向其它多种单片机发展，尤其以嵌入式PIC单片机的发展应用为广泛。PIC单片机含具有PWM功能的外围功能模块（CCP），利用此模块容软件实现SPWM，且具有快的执行速度。本文采用软硬件结合设计的方法，利用面积等效法，并且基于PIC单片机实现对试验逆变系统的SPWM控制。

    1 面积等效的SPWM控制算法

    目前生成SPWM波的控制算法主要有4种。

    1）自然采样法；

    2）对称规则采样法；

    3）不对称规则采样法；

    4)面积等效法。

    理论分析后知自然采样法和面积等效法相对于规则采样法谐波较小，对谐波的抑制能力较强。又因为PIC单片机片内无较大空间实现在线运算，所以自然采样法不利于软件实现。本文的试验系统采用面积等效法实现SPWM控制，其原理如图1所示。

    图1 SPWM面积等效算法

    利用正弦波小块面积S1与脉冲面积S2相等原则，将正弦波的正半周分为N等分，则每一等分的宽度为π/N弧度，利用面积等效法计算出半个周期内N个不同的脉宽值，将产生的脉宽数列以列表形式存于PIC单片机的ROM中，以供程序调用。

    脉宽产生的基本公式为

    式中：M为调制度；

    N为载波比，即半个周期内的脉冲个数，实验中N取64；

    k取值为0～63。

    由式（1）计算出的实际脉宽转换成计时步阶后生成64个值的正弦表存入PIC的ROM中以供调用。产生的SPWM脉宽表是一个由窄到宽，再由宽到窄的64个值的表。

    2 软硬件结合试验系统

    以PIC单片机内部的两个外围功能模块（CCP）为基础，利用该模块具有的PWM功能，软件控制两路SPWM波形的输出。再将这两路SPWM波利用互补导通原则变换成4路，经隔离放大后驱动IGBT逆变器，实现对输出的控制。

    2.1 硬件设计

    试验硬件系统如图2所示。选择PIC单片机的中档系列，该系列单片机的主要特点有：

    1）具有的RISCCPU；

    2）除程序分支指令为两个周期外，其余均为单周期指令，且仅有35条单字指令；

    3）8K×14个FLASH程序存储器，368×8个数据存储器（RAM）字节；

    4）中断能力强，达到14个中断源；

    5）外围功能模块丰富，含2个16位寄存器的CCP模块，具有PWM功能；

    6）含3个定时器，其中与PWM功能相关的定时器2（即TMR2）带有8位周期寄存器，且带有8位预分频器和后分频器。

    图2 硬件试验系统

    逆变部分采用自关断器件IGBT实现单相全桥逆变。IGBT是全控型电力电子器件，它的控制级为绝缘栅场效应晶体管，输出级为双级功率晶体管，因而它具有两者的优点而克服了两者的缺点。它开关频率相对高，驱动功率小，构成的功率交换器输出电压纹波小，线路简单，是当今有应用前景的功率器件。

    2.2 软件设计

    2.2.1 PIC单片机的设置

    试验中设置SPWM的频率为20kHz，并外接20MHz晶振信号，计算得指令周期即计时步阶为0.2μs。PIC单片机CCP外围功能模块的PWM功能实现主要依靠相关寄存器值的设定，且以定时器2（TMR2）作为PWM的时基。相关寄存器的设置如下。

    1）SPWM周期的设定由寄存器PR2设定

    (PWM)周期=（PR2＋1）×4×Tosc×（TMR2）预分频（4）

    试验中Tosc为20MHz，为提高分辨率，TMR2预分频设为1：1，由此计算得PR2=0XF9；

    2）定时器TMR2的控制寄存器T2CON设定 因为SPWM频，，在每个周期内完成脉宽的调整比较困难，故在此寄存器中设置后分频为1：3，这样每输出3个相同脉宽的SPWM波后改变一次脉宽值；

    3）2个CCP模块的控制寄存器CCP1CON及CCP2CON的设定 两个CCP模块控制寄存器的设置类似，选择CCP模块作用于PWM功能模式，即bit3：0=11ⅹⅹ。

    4）CCPR1L脉宽写入寄存器 写入的脉宽值在下个TMR2周期开始时转至CCPR1H，通过读CCPR1H的脉宽值来改变PWM脉宽。

    5）寄存器TRISC 对应于CCP1和CCP2的输入输出设置，应设置为输出形式，即TRISC的bit2：1=00。

    2.2.2 SPWM波形产生的实现过程

    软件控制PIC单片机使之产生SPWM波形?将之前设置的寄存器值写入相关寄存器，当PIC的PWM功能开启后TMR2从0开始计数，同时CCP模块引脚输出高电平。

    当TMR2≥CCPR1L时，PWM功能引脚开始输出低电平。

    当TMR2≥PR2时，则TMR2=0，重新开始另一个周期计数，PWM功能引脚开始输出高电平。同时TMR2的中断标志位被系统置高，即TMR2IF=1，转去执行中断服务程序。

    因实验中设置TMR2后分频为1：3，故在3个PR2周期后程序才转去执行中断服务程序。在中断服务程序中查找脉宽表，将下一个脉宽值写入寄存器CCPR1L中。下个周期输出的PWM的脉宽即为刚写入CCPR1L中的脉宽值，也就是说脉宽的变化在中断程序中实现，中断程序流程如图3所示。

    图3 中断服务程序流程图

    程序中利用标志位F实现SPWM输出在CCP1和CCP2中的转换。在F=1时，CCP1输出PWM波形，CCP2设置输出为0电平；在F=0时，CCP2输出PWM波形，CCP1设置输出为0电平。

    3 试验结果与分析

    由PIC单片机产生的SPWM波可由示波器测出。由于SPWM频率为20kHz，程序中又设置每3个脉宽相等，故在示波器中不能清楚地看到脉宽从小到大的完整的变化过程。由PIC单片机的CCP1引脚输出SPWM波形的一段如图4所示。这段波形中的脉宽由窄逐渐变宽，符合SPWM的变化规律。

    图4 SPWM波形的一段

    试验中由PIC单片机的两个CCP模块产生两路SPWM波，将这两路SPWM波变换成4路后经隔离驱动逆变系统的IGBT。产生的两路SPWM波形分别对应正弦波的正负半波，完整周期的两路SPWM互补波形如图5所示。

    图5 两路互补的SPWM波

    试验系统在直流电压为30V时负载运行所得正弦波如图6所示，可知周期为19.9ms，满足工频要求。

    图6 负载正弦波

    试验系统为单相全桥逆变系统，这种工作模式有明显的倍频效应。倍频效应有利滤波，也可以降低器件的开关频率，减小开关损耗。又因为本试验系统采用面积等效法，相对于规则采样法谐波抑制能力较强。谐波分析后可在低电压时基本无偶次谐波，且所含奇次谐波幅值较小，能满足UPS逆变系统对谐波的要求。

    4 结语

    本文介绍的基于PIC单片机的SPWM控制技术很好地把软硬件技术结合在一起，针对规则采样法谐波大的缺点，利用面积等效法较好地抑制了谐波。本文给出了具体的硬件试验系统及软件设计，分析试验结果波形后表明此方法输出谐波较小，在对输出波形质量要求较高的UPS逆变系统中有较强的实用。如今PIC单片机应用越来越广泛，电力电子技术发展越来越快速的阶段，这种软硬件结合的控制技术在其它很多应用领域也有较大的发展空间。