基于VisionPro和PLC的视觉测量定位系统

杨 鑫，罗付强，刘宏岩，杨 健，何铠锋

（重庆红江机械有限责任公司，重庆 402162）

1 引言

近年来，机器视觉系统以其高效率、高可靠和低成本的特点在国内外取得了广泛的应用。机器视觉是一门涉及图形图像、计算机软件、自动化、机械设计和人工智能等诸多领域的交叉学科。目前业内关注较多的是机器视觉系统的硬件部分或软件部分，然而，在视觉软件得出数据后，往往需要将数据传输至 PLC 及上位机，PLC 根据数据结果做出分析判定，并控制相关设备进行相应动作，上位机对数据进行整理存档、集成展示等。例如工厂中常见的物料分拣视觉系统、立体仓库视觉管理系统、零件质量视觉检测系统、以及本项目涉及的零件自动测量定位视觉系统等。

2 系统概况

通过视觉系统对零件进行直径测量和位置矫正，零件随机放置，其位置并不一致，通过视觉软件获取零件图像并进行处理，得出直径和零件位置数据，将位置数据传至PLC，PLC 根据零件实际位置控制伺服电机将其矫正至固定位置，以供机器人等自动装置夹持零件进行加工装夹或装配，保证零件顺利装入。项目采用的视觉软件是 Cognex公司的 VisionPro，PLC 为 Siemens 公司的 S7-1200，电机为 Siemens 公司的 V90 伺服电机。通过 VisionPro 创建 QuickBuild 视觉项目，利用 C# 在 VS 环境下调用QuickBuild 项目开发上位机软件，通过类库 S7.NET 与 S7-1200 通信，实现上位机软件与 PLC 的数据交互，PLC 获取零件位置数据后，控制 V90 伺服电机动作，实现零件的矫向功能。系统组成如图1所示。

图1 视觉定位系统组成

3 VisionPro QuickBuild项目创建

项目选用 Basler acA1300-30gm 相机、Computar M2514-MP 镜头、日本 CCS LDR2-70RD 环形 LED 光源。通过软件触发拍照指令，通过 GigE 千兆以太网接口协议将图像反馈至 VisionPro。VisionPro 提供了一个交互式的开发环境，可以利用 VisionPro 来获取图像，集成视觉工具来处理图像，生成 QuickBuild 应用项目，在 QuickBuild 项目中，先后应用工具见下表。

表 QuickBuild 工具

?

视觉系统校准标定是补偿相机的线性和非线性误差必不可少的环节，另一方面，机器视觉系统的数字图像处理是以像素为单位来表示的，而工程应用的长度单位采用的是毫米、厘米或英寸等作为物理尺寸单位。因此，要想获得常规的测量结果数值，需要建立像素与实际尺寸的对应关系，标定实际上就是确定每个像素所表示的实际物理尺寸。标定的准确与否，将直接影响视觉测量系统的测量准确性，标定工作的频密程度与具体测量项目的准确度要求相关，一般情况下视觉系统每次开机都应做一次标定，或每天做一次标定；准确度要求高的则应考虑标定工作做得频密，QuickBuild 中采用 CogCalibCheckerboardTool 工具进行标定，在 CogCalibCheckerboardTool 标定工具中，输入的参数包括校准点阵模板两点之间在

X

方向和

Y

方向的实际距离，这是标定的依据。标定工具根据

X

和

Y

的值，用优化的算法将复杂的标定信息与图像信息结合，实现图像像素坐标到实际坐标的转换，值得注意的是，标定板一定要与零件特征平面等高，这样标定的数据才能真实反映特征数据。项目采用9×9点阵式标定板，圆点直径为 1 mm，圆心距为2 mm，在标定工具中设置如图2所示。得到标定图像后，需要在图像中寻找模板特征来定位图像，模板是图像（或其子图）的一种表达方式，其本身仍然是一幅图像。一般情况下，模板在目标图像中来回移动，直到找到使某个匹配函数值达到最大的位置为止，可以比较模板

T

和子图

f

的内容，若两者一致，则

T

和子图

f

之差为零，所以可以用下列的函数来衡量

T

和

f

的相似程度：

其中，模板尺寸是

K

×

K

，式 (1) 对模板

T

与子图

f

在坐标处图像之间匹配程度提供了度量。在模板匹配中，一个基本问题就是对模板尺寸大小的选择问题，如果模板选择过小，就难以估计图像的变化，以至于无法做出准确的估计，如果模板太大，则窗口中覆盖的面积太大，就无法实现匹配。

标定和模板匹配是项目关键工具，通过这两个工具获取并匹配到标准物理尺寸的目标图像，然后通过寻圆拟合、构建线、拟合线和求夹角等工具组合求出零件外径及方位角。将 CogPMAlignTool 匹配的特征数量（定位结果）、CogFindCircleTool 拟合的外圆直径值（测量直径）、CogAngleLineLineTool 计算的角度（矫向角度）添加到 CogResultsAnalysisTool 进行处理运算，并添加到QuickBuild 发送项，通过高级语言调用 QuickBuild API 来获取发送项，开发高级应用功能。

图 2 CogCalibCheckerboardTool 工具和标定板

4 上位机软件开发

上位机软件采用 C# 在 Visual Studio 2019 环境中开发，主要是调用 QuickBuild 项目、获取测量直径及矫向角度、PLC 通信及控制、获取 PLC 执行状态等。

4.1 调用 VisionPro QuickBuild 项目

VisionPro 可以为相机分配离散 IO，利用应用程序向导可以创建完善的 QuickBuild 应用程序，直接用于终端机。但是这种方式不方便与外界进行交互，而且要配备 Cognex 的离散 IO 硬件，限制了应用程序的灵活性。项目采用“QuickBuild+高级语言”开发模式，VisionPro与高级语言的联合开发支持三种形式：高级语言调用VisionPro 控件、高级语言调用 VisionProToolGroup、高级语言调用 VisionProQuickBuild。第一种方式完全脱离VisionPro 开发环境，直接在高级语言环境中调用 VisionPro控件 dll 进行编译，这种开发方式足够灵活，但开发难度相对较大，且不利于后期调试维护；高级语言调用VisionProToolGroup 是在 QuickBuild 中将所有的视觉工具集成到一个 ToolGroup 中，然后将其单独保存成 vpp 文件，高级语言调用这个 vpp 文件进行集成开发，其优点是不必定义线程来检测外部信号，可以采用外部 I/O 信号触发的方式，适合用在一些高频率取像的项目中；高级语言调用 VisionProQuickBuild 是将 QuickBuild 保存为一个完整的项目，高级语言直接调用该项目，其优点是视觉项目与高级语言完全脱离，只需更改 QuickBuild 即可完成视觉的大多数修改工作，利于后期重新标定、维护修改。

项目采用 C# 调用 VisionProQuickBuild 的开发模式，在VS环境中创建窗体应用程序，调用 VisionPro 开发的QuickBuild 项目。VisionPro 程序集是针对 .NET Framework 4.0 开发的，因此开发环境 Framework 要配置为4.0以上版本。在窗体上添加一个 VisionPro 的 CogRecordDisplay 控件，用于显示图像，然后引用以下程序集：

随后调用 QuickBuild 项目及运行结果，关键代码如下：

4.2 PLC 通信控制

上位机与 S7-1200PLC 有多种通信方式，采用 S7.NET实现 PLC 的通信，S7.NET 是一个 PLC 驱动程序，要求PLC 必须具有 Profinet 功能，上位机通过以太网连接西门子 PLC。S7.NET 是完全基于 C# 开发编写的开源类库，因此在 C# 项目开发中可以轻松地调用调试，实现上位机软件与西门子 PLC 的通信控制功能。

在 C# 窗体应用程序中，引用“S7.Net”程序集，添加 Timer 控件定时扫描 PLC 并读写 PLC 状态，关键代码如下：

上位机软件与 PLC 协同配合完成视觉定位矫向功能，上位机获取零件位置数据，PLC 执行位置矫正并反馈执行结果，两者必须配合得当。其控制过程是： PLC 首先发出视觉请求信号，上位机执行视觉取像及处理，随后向 PLC发送零件位置数据，PLC 得到数据后，执行矫向动作，并反馈完成信号，上位机再次进行视觉处理，判定矫向结果是否正确，若不正确，重复上一过程直至正确，然后发出“OK”信号，结束视觉处理；另一种情况是如果获取图像模板匹配不成功，则直接输出“NG”信号结束视觉处理。

由于 PLC 的信号采用脉冲输出，上位机软件是通过定时器的方式扫描 PLC 状态，并非实时采集。对于上位机而言，PLC 输出只有“0”或“1”两种情况，无法检测上升沿或下降沿。在实际应用中，如果定时器时间长度与PLC 信号脉冲设置不当，上位机有可能会重复读取或漏掉一些 PLC 信号。比如，当 PLC 视觉请求信号脉冲宽度大于上位机软件扫描周期时，上位机在连续两个扫描周期内获取的信号是一样的，就会作出两次视觉处理；当 PLC 视觉请求脉冲宽度小于上位机扫描周期时，则上位机很有可能会错过这个信号而不执行任何动作，这种情况是绝对不允许的。因此，首先必须保证 PLC 信号脉冲长度大于上位机扫描周期，然后在上位机软件通过程序将 PLC 信号构造为 “上升沿”信号，在上位机程序中，定义一个 Bool 变量，当第一次检测到 PLC 矫向请求为“1”时，将该变量置为“1”，直到 PLC 矫向请求为“0”时，将该变量置为“0”。运行流程如图3所示。

图 3 视觉处理流程

5 PLC运动控制

S7-1200 在运动控制中使用了轴的概念，通过对轴的组态，包括硬件接口、位置定义、动态特征和机械特性等，与相关的指令块组合使用，可以实现绝对位置、相对位置、点动、转速控制和自动寻找参考点的功能。项目用1200PLC 通过 PROFINET 通信方式连接西门子的 V90 PN驱动装置，驱动装置用于控制轴的运动，通过 PROFIdrive报文3进行数据传输，使用 V90 PN 的 GSD 文件，将 V90 PN 组态为 S7-1200 的 IO device，作为从站集成到硬件组态中，在 S7-1200 中以工艺对象的方式来实现伺服电机的零件定位矫向控制功能。

V90 伺服驱动组态完成后，使用工艺中的“Motion control”指令块进行运动控制编程，这里使用了“使能轴”和“点动轴”两个指令块，如图4所示。

图 4 PLC Motion control 控制程序

“PLC 矫向请求”由“机器人矫向请求”和“电机旋转完成”共同触发，PLC 接收到机器人矫向请求后，首次向上位机发出矫向请求，上位机执行视觉处理并将零件旋转角度传输至 PLC 的 MD94，随后启动伺服电机旋转，电机旋转完成后，PLC 再次发出矫向请求，上位机重新取像，验证矫向结果是否正确，若正确则返回“OK”信号，若不正确则再次传输新的零件位置数据，直至零件矫向合格为止。

6 结束语

工业视觉项目往往涉及到视觉软件、上位机和 PLC运动控制等多学科的交叉，作为机器视觉是否能得到有效应用，不仅在于图像的识别处理，还在于得出数据后的系列操作，这种集成在工业应用项目中尤为突出，一个完善的工业视觉项目应该包括“视觉处理—执行控制—结果验证”，形成闭环控制。项目从 VisionPro 视觉处理、上位机集成展示及数据传输、PLC 运动控制和结果判定各方面进行集成，形成了一套较为完整的工业视觉测量定位系统，对工业视觉应用有一定推广及借鉴意义。