魏 寶,陳玉成,戶(hù) 凱,陳明山
(中航光電科技股份有限公司,洛陽(yáng) 471003)
為了提高產(chǎn)品質(zhì)量一致性,降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率,我公司研制了定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī),可完成塑膠件的自動(dòng)上料、塑膠件孔位自動(dòng)識(shí)別、定位鎖緊端子自動(dòng)上料、定位鎖緊端子自動(dòng)裝配、成品自動(dòng)卸料等全自動(dòng)作業(yè)?,F(xiàn)就其中最關(guān)鍵的核心技術(shù)--機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用介紹如下。
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的目的就是給機(jī)器或自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)添加一套視覺(jué)系統(tǒng)。其原理是由計(jì)算機(jī)或圖像處理器以及相關(guān)設(shè)備來(lái)模擬人的視覺(jué)行為,完成得到人的視覺(jué)系統(tǒng)所得到的信息。
人的視覺(jué)系統(tǒng)是由眼球、神經(jīng)系統(tǒng)及大腦的視覺(jué)中樞構(gòu)成,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)則是由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)及信息綜合分析處理系統(tǒng)構(gòu)成。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù),涉及到計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、信號(hào)處理、光機(jī)電一體化等多個(gè)領(lǐng)域。圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展,也大大地推動(dòng)了機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展。
機(jī)器視覺(jué)與人類(lèi)視覺(jué)各有優(yōu)劣,其詳細(xì)對(duì)比如下表所示。
人類(lèi)視覺(jué)機(jī)器視覺(jué)適應(yīng)性 適應(yīng)性強(qiáng),可在復(fù)雜及變化的環(huán)境中識(shí)別目標(biāo)適應(yīng)性差,容易受復(fù)雜背景及環(huán)境變化的影響智能性 具有高級(jí)智能,可運(yùn)用邏輯分析及推理能力識(shí)別變化的目標(biāo),并能總結(jié)規(guī)律雖然可利用人工智能及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),但智能很差,不能很好地識(shí)別變化的目標(biāo)彩色識(shí)別能力 對(duì)色彩的分辨能力強(qiáng),但容易受人的心理影響,不能量化受硬件條件的制約,目前一般的圖像采集系統(tǒng)對(duì)色彩的分辨能力較差,但具有可量化的優(yōu)點(diǎn)灰度分辨力 差,一般只能分辨64個(gè)灰度級(jí) 強(qiáng),目前一般使用256灰度級(jí),采集系統(tǒng)可具有10bit、12bit、16bit 等灰度級(jí)
人類(lèi)視覺(jué)機(jī)器視覺(jué)空間分辨力 分辨率較差,不能觀看微小的目標(biāo) 目前有4K×4K的面陣攝像機(jī)和8K的線(xiàn)陣攝像機(jī),通過(guò)備置各種光學(xué)鏡頭,可以觀測(cè)小到微米大到天體的目標(biāo)速度 0.1秒的視覺(jué)暫留使人眼無(wú)法看清較快速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)快門(mén)時(shí)間可達(dá)到10微妙左右,高速像機(jī)幀率可達(dá)到1000以上,處理器的速度越來(lái)越快感光范圍 400nm-750nm范圍的可見(jiàn)光 從紫外到紅外的較寬光譜范圍,另外有X光等特殊攝像機(jī)環(huán)境要求 對(duì)環(huán)境溫度、濕度的適應(yīng)性差,另外有許多場(chǎng)合對(duì)人有損害 對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),另外可加防護(hù)裝置觀測(cè)精度 精度低,無(wú)法量化 精度高,可到微米級(jí),易量化其它 主觀性,受心理影響,易疲勞 客觀性,可連續(xù)工作
一般來(lái)說(shuō),機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。
圖1 定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
每一個(gè)生產(chǎn)區(qū)的環(huán)境照明條件都互不相同,這會(huì)使工件的表面特征表現(xiàn)出相當(dāng)大的差異。幾乎每個(gè)機(jī)器視覺(jué)解決方案都需要某種特定的打光方式,才能使它達(dá)到最佳的性能。由于攝像效果與光線(xiàn)有很大關(guān)系,光源的穩(wěn)定性也就影響了機(jī)器視覺(jué)的穩(wěn)定性??梢哉f(shuō),選擇好了光源,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)就成功了60%。
3.1.1 常見(jiàn)光源形式及作用
表面光環(huán)狀光源,能全方位實(shí)現(xiàn)均勻柔和的照明;
輪廓光背光源,能使工件和背景的對(duì)比度最大化;
漫反射照明光源,提供全角度照明,使對(duì)工件表面的不平整處能夠清晰成像
3.1.2 照明光源主要性能要求
壽命長(zhǎng),穩(wěn)定性好。光源的半衰期要長(zhǎng),且在半衰期內(nèi),光譜穩(wěn)定,亮度衰減小。
響應(yīng)速度快,信噪比高,抗干擾能力強(qiáng)。外形尺寸適中,便于安裝。
3.1.3 定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī)光源的選擇
光源的選擇需要依據(jù)被測(cè)產(chǎn)品而定,亮度要可調(diào)。太暗則照不出產(chǎn)品形狀,太亮則反光,影響攝像效果。在必要時(shí),為了到達(dá)較好的效果,還可以采用一些光學(xué)器件來(lái)改變光源的特性。如采用漫射片來(lái)柔化光的分布,提高均勻性;采用濾光片來(lái)過(guò)濾修正光源的光譜屬性;利用反射器來(lái)改變光的角度等。
定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī)所裝配的塑膠零件主要分為兩種顏色,在具體應(yīng)用時(shí),需要精確判別塑膠件的孔位。因此,光源的選擇要求能針對(duì)不同顏色的塑膠件拍攝出對(duì)比度分明的黑白圖像。因塑膠件顏色不同,同樣的光源打上去后反光率會(huì)稍有差別。
圖2 塑膠件孔位拍攝效果圖
為此,經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),最終選擇了白光低角度光源。在裝配時(shí),針對(duì)不同的塑膠所需要的亮度有所差別。切換產(chǎn)品時(shí),為使亮度調(diào)節(jié)更準(zhǔn)確,通過(guò)在PLC上增加模擬量輸入模塊,通過(guò)內(nèi)部程序,對(duì)光源亮度也做了相應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)。
鏡頭的好壞,對(duì)成像的質(zhì)量起著至為關(guān)鍵的作用,如下表所示:
圖像質(zhì)量的參數(shù)影響圖像質(zhì)量的因素分辨力,指能分清楚物體的能力,單位LP/mm 鏡頭 攝像機(jī)圖像采集卡 顯示器對(duì)比度 鏡頭 照明光源 攝像機(jī)景深,指鏡頭當(dāng)物體在對(duì)焦清晰范圍內(nèi),維持一定品質(zhì)的能力 鏡頭失真,也叫畸變 鏡頭投影誤差 鏡頭
3.2.1 鏡頭的光學(xué)幾何關(guān)系
圖3 鏡頭的成像原理示意圖
根據(jù)鏡頭成像原理圖,選擇鏡頭時(shí),就要綜合考慮鏡頭距離被測(cè)零件的距離是多少、鏡頭的拍攝范圍多大、放大率為多少等。而對(duì)于鏡頭參數(shù)而言,主要為景深、變倍比例、視野等。另外,還有一個(gè)關(guān)鍵因素:畸變。
3.2.2 鏡頭的分類(lèi)
通常,鏡頭主要分為以下幾種:標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、遠(yuǎn)心鏡頭、廣角鏡頭、近攝/遠(yuǎn)攝鏡頭等。使用時(shí),要根據(jù)相機(jī)接口、物距、拍攝范圍、CCD尺寸、畸變?cè)试S的范圍、放大率、焦距、光圈等綜合考慮。
3.2.3 影像測(cè)量誤差的產(chǎn)生
在測(cè)量系統(tǒng)中,物距常發(fā)生變化,從而使像高發(fā)生變化,所以測(cè)得的物體尺寸也發(fā)生變化,即產(chǎn)生了測(cè)量誤差;即使物距是固定的,也會(huì)因?yàn)镃CD敏感表面不易精確調(diào)整在像平面上,同樣也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差;常見(jiàn)的測(cè)量誤差表現(xiàn)形式為:
a)物體距離變化引起比例尺改變;
b)投影誤差;
c)畸變;
d)物體邊緣測(cè)量誤差等。
圖4 相同截面不同高度零件非遠(yuǎn)心鏡頭誤差
圖5 遠(yuǎn)心鏡頭拍攝效果改善
由圖4和圖5可以看出,同樣截面積高度不同的零件,在鏡頭下方所處的區(qū)域不一樣。采用普通鏡頭時(shí),導(dǎo)致成像的面積與實(shí)際大小會(huì)有一定差別。而采用遠(yuǎn)心鏡頭則可以極大地改善這一狀況。
圖6 普通鏡頭投影誤差的產(chǎn)生示意圖
圖7 遠(yuǎn)心鏡頭對(duì)投影誤差的改善效果示意圖
由圖6和圖7可以看出,四個(gè)相同的零件,在鏡頭下方所處的區(qū)域不一樣,采用普通鏡頭時(shí),導(dǎo)致成像后產(chǎn)生一定的投影誤差。而采用遠(yuǎn)心鏡頭則可以極大地改善這一狀況。
圖8 普通鏡頭成像的畸變
3.2.4 鏡頭產(chǎn)生誤差的機(jī)理對(duì)比
圖9 鏡頭產(chǎn)生誤差的機(jī)理對(duì)比圖A
3.2.5 鏡頭產(chǎn)生誤差的原因和遠(yuǎn)心鏡頭對(duì)成像效果的改善
圖10 鏡頭產(chǎn)生誤差的機(jī)理對(duì)比圖B
在使用過(guò)程中,被測(cè)產(chǎn)品的零件高度有一定的差異。此時(shí),產(chǎn)生測(cè)量誤差的機(jī)理如下圖所示:普通鏡頭f=12 mm,相機(jī)CCD為1/3〃,觀察距離s=200 mm,高為H=20 mm的物體。如果物體由原位置移動(dòng)了s=1mm,則高度測(cè)量值的變化為DH=(ds/s)·H=(1/200) ·20 mm=0.1 mm。
而對(duì)于較好的遠(yuǎn)心鏡頭,其遠(yuǎn)心斜率為0.1°(1.7 mrad)左右。這就意味著,在與前面物體同樣移動(dòng)1 mm的情況下,測(cè)量值只變化了0.0017 mm,如下圖所示。
圖11 遠(yuǎn)心鏡頭在檢測(cè)距離變化時(shí)誤差產(chǎn)生機(jī)理
3.2.5 定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī)鏡頭的選擇
在定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī)研制初期,就對(duì)其提出了較高的通用性。要求同一臺(tái)自動(dòng)機(jī)可以適用于多種定位鎖緊端子和相應(yīng)塑膠件。
在設(shè)備調(diào)試初期,由于選用了非遠(yuǎn)心鏡頭,所拍攝圖像產(chǎn)生了類(lèi)似圖5的投影誤差。針對(duì)不同長(zhǎng)寬范圍的塑膠件,均需要通過(guò)程序來(lái)補(bǔ)償,調(diào)試工作量巨大且效果不太好。最終選用了視野能夠包括40×40mm范圍的遠(yuǎn)心鏡頭。針對(duì)不同高度的塑膠件,光源和相機(jī)鏡頭組件通過(guò)馬達(dá)高低可調(diào),這樣就保證不同高度的塑膠件所處焦距一致,從而保證了塑膠件表面孔位影像的圖像精度。
雖然該設(shè)備采用了遠(yuǎn)心鏡頭,遠(yuǎn)心鏡頭沒(méi)有視差畸變,是尺寸測(cè)量的理想鏡頭,可以在工作距離變化的條件下精密測(cè)量。但是,遠(yuǎn)心鏡頭的口徑至少要與需要觀察的物體尺寸相等或更大,所以遠(yuǎn)心鏡頭非常貴。對(duì)于定位鎖緊端子自動(dòng)裝配設(shè)備而言,采用遠(yuǎn)心鏡頭后為設(shè)備的通用性和調(diào)試過(guò)程中程序的簡(jiǎn)便性、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性均帶來(lái)了莫大的益處。
圖像采集主要工作過(guò)程如下:
工件定位檢測(cè)器探測(cè)到物體已經(jīng)運(yùn)動(dòng)至接近攝像系統(tǒng)的視野中心,向圖像采集部分發(fā)送觸發(fā)脈沖。
圖像采集部分按照事先設(shè)定的程序和延時(shí),分別向攝像機(jī)和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)脈沖。
攝像機(jī)停止目前的掃描,重新開(kāi)始新的一幀掃描,或者攝像機(jī)在啟動(dòng)脈沖來(lái)到之前處于等待狀態(tài),啟動(dòng)脈沖到來(lái)后啟動(dòng)一幀掃描。
攝像機(jī)開(kāi)始新的一幀掃描之前打開(kāi)曝光機(jī)構(gòu),曝光時(shí)間可以事先設(shè)定。
另一個(gè)啟動(dòng)脈沖打開(kāi)燈光照明,燈光的開(kāi)啟時(shí)間應(yīng)該與攝像機(jī)的曝光時(shí)間匹配。
攝像機(jī)曝光后,正式開(kāi)始一幀圖像的掃描和輸出。
就定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī)而言,要想使采集到的圖像能夠用于轉(zhuǎn)換為孔位的中心坐標(biāo),則必須對(duì)圖像經(jīng)行高精度的預(yù)處理并對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,讓像素值轉(zhuǎn)換為物理單位mm。
3.4.1 圖像的預(yù)處理
圖像預(yù)處理的目的:改變?cè)紙D像,以加強(qiáng)期望的特征,并消減不期望的特征。這樣的處理可以最優(yōu)化圖像以便于后續(xù)處理,還可以明顯改善整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。
預(yù)處理的工作內(nèi)容主要包括:增強(qiáng)工件和背景的對(duì)比度;屏蔽不重要的或可能造成混淆的圖像特征;消除工件表面的高亮反射點(diǎn);平滑粗糙的表面紋理。
3.4.2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)的標(biāo)定
圖像進(jìn)行預(yù)處理后,則需要將像素單位轉(zhuǎn)換為物理單位。相機(jī)坐標(biāo)系是工業(yè)相機(jī)自身特定的坐標(biāo)系統(tǒng)。定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī)所使用的為百萬(wàn)像素的相機(jī)。它是笛卡爾直角坐標(biāo)系,橫軸為X軸,縱軸為Y軸。相機(jī)照片上的任何一個(gè)點(diǎn)即為一個(gè)像素。它能用X、Y兩個(gè)坐標(biāo)表示出其在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置。這樣,根據(jù)拍攝到的塑膠件上每個(gè)孔位像素值的多少,以及每個(gè)像素方格對(duì)應(yīng)的物理單位數(shù)值,通過(guò)處理軟件,就可以確定其面積和每個(gè)孔位中心像素坐標(biāo)。這樣就完成了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)定。將孔位坐標(biāo)輸出后,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的工作就完成了。
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)輸出相機(jī)中的圖像坐標(biāo)信息后,還需要將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)與機(jī)器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)機(jī),才能實(shí)現(xiàn)定位鎖緊端子與塑膠件相應(yīng)孔位的自動(dòng)裝配。
4.1.1 電機(jī)坐標(biāo)系和電機(jī)單位
電機(jī)坐標(biāo)系是設(shè)備上用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電缸搭建起來(lái)的一個(gè)笛卡爾直角坐標(biāo)系。它的坐標(biāo)零點(diǎn)由傳感器和伺服電機(jī)內(nèi)部的Z向脈沖共同確定。一旦設(shè)備安裝調(diào)試完成。電機(jī)坐標(biāo)系也就不再改變。
在定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī)中,X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)是靠?jī)蓚€(gè)電機(jī)帶動(dòng)絲杠組件完成的。通過(guò)計(jì)算電機(jī)電子齒輪的脈沖和絲桿螺距的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即可完成PLC發(fā)出的脈沖數(shù)和X、Y軸運(yùn)動(dòng)距離對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立。這樣,由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X、Y軸坐標(biāo)系就建成了。
4.1.2 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)X、Y坐標(biāo)系組成的系統(tǒng)坐標(biāo)系的建立
相機(jī)的X、Y坐標(biāo)系和機(jī)械結(jié)構(gòu)X、Y坐標(biāo)系是相互獨(dú)立的。為了將兩者聯(lián)系起來(lái),首先需要找一個(gè)帶中心孔的標(biāo)準(zhǔn)治具,在相機(jī)下拍照,通過(guò)圖像處理后計(jì)算出其在相機(jī)坐標(biāo)系中的中心坐標(biāo)位置。在機(jī)械結(jié)構(gòu)XY坐標(biāo)系統(tǒng)中,用一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)治具中心孔相配的軸,插入標(biāo)準(zhǔn)治具的孔內(nèi),然后將兩者坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比匹配,建立系統(tǒng)坐標(biāo)系的工作就完成了。
圖12 兩坐標(biāo)系數(shù)據(jù)傳遞圖
定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī)主要完成往塑膠件孔內(nèi)自動(dòng)裝配定位鎖緊端子的過(guò)程??刂葡到y(tǒng)采用"可編程控制器PLC+觸膜屏",具有良好的人機(jī)操作界面,工藝參數(shù)設(shè)定簡(jiǎn)單方便。工藝流程如下:
塑膠件由人工放入傳送帶上輸送到塑膠件上料工位,再由塑膠件上料機(jī)構(gòu)放入轉(zhuǎn)盤(pán)工裝內(nèi);
轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)90°到下工位影像系統(tǒng),影像系統(tǒng)對(duì)塑膠件進(jìn)行拍照、識(shí)別塑膠件上孔的大小并把所需要插入定位鎖緊端子的相對(duì)坐標(biāo)計(jì)算出后并傳給系統(tǒng)PLC;
轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)90°到下工位,高速高精度三軸伺服裝配系統(tǒng)。高速高精度三軸伺服系統(tǒng)是由PLC前一工序給出坐標(biāo)后進(jìn)行工作的,定位鎖緊端子采用帶料方式自動(dòng)給料的,帶料采用伺服電機(jī)送料;
轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)90°到下工位下料,由下料機(jī)構(gòu)把插好定位鎖緊端子的塑膠件從轉(zhuǎn)盤(pán)工裝取出放在輸出的傳送機(jī)構(gòu)上送出,后由人工取走。整個(gè)裝配流程結(jié)束。
其流程圖如下:
圖13 整機(jī)裝配流程圖
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是一套相對(duì)比較復(fù)雜的系統(tǒng),要得到成功的應(yīng)用,需要將光源、鏡頭、相機(jī)、圖像處理軟件、機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。結(jié)合定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī),機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在選型中應(yīng)注意以下事項(xiàng):
相機(jī)對(duì)光的依賴(lài)性特別強(qiáng),不同的照明效果,會(huì)生成截然不同的視覺(jué)效果,為了達(dá)到需要的效果,初步選定光源后,要反復(fù)做實(shí)驗(yàn),以達(dá)到理想效果。
選擇適當(dāng)?shù)溺R頭可以提高成像的質(zhì)量,以便于后期對(duì)圖像的處理。
根據(jù)應(yīng)用的需要,要選擇視野與被測(cè)零件大小相匹配、像素精度夠用即可的相機(jī)。視野范圍過(guò)大、像素精度過(guò)高都會(huì)造成設(shè)備成本的大幅增加。
有時(shí)候,硬件上無(wú)法解決的問(wèn)題可以通過(guò)軟件解決。如拍攝的零件表面有輕微的毛刺,但并不影響使用,這時(shí)需要軟件處理,把毛刺造成的影響屏蔽或弱化掉。另外,如果相機(jī)軟件功能強(qiáng)大的話(huà),可以擴(kuò)大硬件的適用范圍,提高整臺(tái)設(shè)備的通用性。
隨著公司新產(chǎn)品的不斷增加,生產(chǎn)過(guò)程中多品種小批量的特點(diǎn)會(huì)更加明顯。對(duì)于自動(dòng)裝配機(jī)而言,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用,設(shè)備的智能化程度會(huì)越來(lái)越高,在裝配過(guò)程中設(shè)備通用性更強(qiáng),針對(duì)不同料號(hào)之間的切換時(shí)間更少。隨之帶來(lái)的效益是對(duì)操作工人的操作要求更低,產(chǎn)品的質(zhì)量一致性和加工效率的大幅度提高。
通過(guò)本文系統(tǒng)地介紹機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在我公司定位鎖緊端子自動(dòng)裝配機(jī)上的應(yīng)用,希望能夠拋磚引玉,為各位以后類(lèi)似自動(dòng)裝配機(jī)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供參考。
[1]趙鵬.機(jī)器視覺(jué)理論及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社,2011
[2]韓九強(qiáng).機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用.高等教育出版社,2009