基于机器视觉二维码识别的工件仓储系统分析

随着“中国制造2025”的提出, 我国制造业正朝着信息化、智能化方向发展, 对传统制造业的升级改造形成很大的挑战。仓储作为制造业生产环节中的重要一环, 对其进行智能化改造对产业升级有重要作用。

随着科技的进步与发展, 工业机器人正逐渐代替人工成为制造业的主要参与者, 它可以根据实际现场情况按照编写的程序完成各种繁重工作, 比如搬运工作。而机器视觉系统的引用, 使工业机器人具有“慧眼”功能, 机器视觉系统可以实时识别工件物料信息, 将信息数据发送给工业机器人作为仓储位置的判断依据, 二者结合应用很大程度上提高了工业机器人的工作效率和灵活性, 为仓储智能化改造提供技术支撑。

机器视觉是通过机器视觉设备将被摄取的物理目标转换为图像信号, 传送给专用的图像处理系统, 从而得到被摄取目标的物理信息, 如形状、颜色、角度、条形码及二维码编码信息等。机器视觉技术具有高效的处理速度和非接触性特点, 与工业机器人系统结合, 可以引导工业机器人完成工件信息的识别、抓取和搬运等工作要求, 对传统制造业生产线的智能化改造升级提供技术保障。

工业机器人是集机械、电子、控制、传感器、计算机等多学科先进技术于一体, 面向工业领域的多关节、多自由度并能实现拟人化动作和功能的机械手自动化装备。它可以通过示教器人为进行操作, 也可以按照预先编写的程序自动执行工作任务。工业机器人是现代制造业中的不可替代的重要装备和手段, 已经广泛应用于柔性制造系统、自动化工厂等, 对提高生产效率、降低生产成本、改善劳动环境、保障人身安全等具有十分重要的意义。

二维码又称为二维条码, 它是用特定的几何图形按一定规律在平面分布的黑白相间的图形记录数据符号信息, 在代码编制上巧妙的利用计算机内部逻辑基础“0”、“1”逻辑概念, 使用多个与二进制相对应的黑白几何图形来表达数据信息, 可以通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。具有编码范围广、信息容量大、译码可靠性高、制作成本低的特点, 在今天信息发达的现代商业市场中被广泛应用, 如扫一扫。

本系统主要由工业机器人单元、视觉处理单元、PLC立体仓库模块单元组成。

总体系统分析:本系统以工业机器人为主体, 工业机器人将工件由传送带上取出, 通过机器视觉系统的相机完成对工件物料二维码的图像摄取, 再由机器视觉图像处理系统完成二维码标签的形状搜索、二维码标签识别。辨别完二维码信息后, 将数据传送到工业机器人, 由工业机器人根据数据信息确定物料放置仓库编号。PLC控制模块根据工业机器人发送的仓库编号, 将对应仓位托盘推出或缩回, 最后由工业机器人将物料放置到该托盘上, 完成物料的智能仓储。

工业机器人选用ABB IRB120型工业机器人, 这是一款紧凑、敏捷、轻量的六轴机器人, 载荷达3kg, 最大工作半径为580mm, 结构设计紧凑, 易于集成, 满足本系统中工件的搬运工作。IRB120型工业机器人自带以太网接口和DSQC 652板卡, 方便与现有工业控制网络通讯实现连接通讯。

视觉处理单元由工业相机、镜头、控制器和光源组成。工业相机选用欧姆龙公司FZ-SC 30W CCD彩色摄像元件, 控制器选用欧姆龙公司FH-L550图像处理系统。FH-L550控制器的外部接口包含串行通信接口、Ethernet接口、Ethernet/IP接口、PROFINET接口、USB接口等, 支持多种通信方式, 方便与外部设备通讯, 满足本系统中二维码图像的摄取与识别任务。

PLC立体仓库单元由PLC控制模块、6仓位气动托盘仓库组成。PLC控制模块通过控制仓库仓位对应电磁阀实现仓位气动托盘的弹出或缩回, 并且每个仓位都安装有光电检测开关实现对仓位工件的有无实时检测。本单元中PLC控制模块选用西门子S7-1215C型逻辑控制器。该型控制器可扩展性强、设计紧凑、功能强大, 板载I/O点数28个, PROFINET端口2个, 支持多种通信方式。与之对应的博途编程软件支持LAD、FBD、SCL等编程语言, 且本编程软件系统集成度高、功能强大, 为立体仓库单元功能的算法逻辑实现提供灵活便利条件, 充分满足设计需求。

视觉处理系统作为通讯服务器, 工业机器人作为客户端, 建立基于TCP/IP标准的SOCKET通信。由工业机器人发送拍照指令及获取图像数据请求, 视觉处理单元将二维码数据信息通过SOCKET发送给工业机器人。工业机器人通过DSQC 652板卡的I/O端口与PLC通信, PLC根据工业机器人的通讯指令完成指定仓库托盘动作。系统通讯连接见图1。

图1 系统通讯  下载原图
 

编程设计主要包括工业机器人控制参数设定及RAPID语言编程、机器视觉系统处理流程设计和PLC立体仓库单元控制PLC模块逻辑程序。

工业机器人作为整个系统的主控单元, 控制机器视觉系统与PLC立体仓库系统协调工作。工业机器人上电初始化后, 通过示教完成传送带上物料抓取目标点、相机位置拍照识别目标点和立体仓库库位目标点的设定, 并完成RAPID语言编程, 同时建立与机器视觉处理系统、立体仓库PLC控制模块的通信连接。工业机器人将工件由传送带上抓取, 移动到相机拍照识别位置, 发送给相机控制系统拍照指令, 等待接收机器视觉处理系统发回数据, 根据接收数据判定工件物料的仓位放置位置, 并通过I/O端口发送控制信号到立体仓库的PLC控制模块, 由PLC模块控制对应仓位弹出或缩回, 最后由工业机器人完成工件物料放置。

机器视觉系统上电初始化后, 首先需要完成与工业机器人的通讯设置。欧姆龙视觉处理系统的编程操作可以通过用流程图式表达, 简单易懂。流程图的设定通过对场景中处理项目单元的选择添加来实现, 场景包含在对应的场景组中, 每个场景组最多可以包含128个场景, 充分满足用户的不同使用要求。流程图的编程如图2所示, 用户可以根据实际需求的不同选择添加不同处理项目来完成处理流程的编辑工作。

为保证图像识别准确度, 首先需进入“图像输入”查看实际图片, 根据图像的效果调整相机镜头的光圈和焦距等, 直到图像效果清晰。其次, 需要添加设定“形状搜索III”流程指令, 该指令通过预先标定图像二维码轮廓特征, 由视觉处理系统记录该特征, 在切换不同工件物料时, 视觉处理系统可以快速的在工业相机摄取的图像中准确地定位识别二维码图像, 提高识别准确度。二维码图像信息的识别, 通过在该场景流程中添加“2维码”处理项目来设定完成, 最后通过“串行数据输出”将图像中二维码数据信息发送到工业机器人, 二维码识别结果见图3。

图2 流程图式编程  下载原图
 

图3 检测结果  下载原图
 

立体仓库作为工件物料的最终存放点, PLC模块是本仓储单元的控制核心, 通过编程将逻辑算法写入内部存储单元, 与工业机器人建立通讯连接接收工业机器人传送的数据信息, 根据数据信息控制对立体仓库仓位的弹出或缩回, 并根据光电传感器检测仓位有无工件, 实现完成最终的仓储任务。

本文分析研究一种基于机器视觉二维码识别的物料仓储系统。该系统中通过机器视觉系统完成对工件二维码信息的识别, 将图像数据信息传送到工业机器人, 工业机器人根据识别后的二维码信息确定工件的仓位编号, 并协调控制立体仓库PLC模块完成工件物料的放置任务。整个仓储过程实现自动化、信息化、智能化, 经过实验验证工业机器人可以准确地完成工件物料的放置任务。综合分析, 本系统对传统制造业仓储的智能化改造有重要借鉴意义。