基于視覺的活塞環(huán)槽定位測(cè)量系統(tǒng)

程 金，段明皞，張 希，孫 鵬，彭昌陞

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司 流體傳動(dòng)與汽車裝備中心，北京 100120）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)迅速的發(fā)展與成長(zhǎng)，智能化制造工廠將給所有產(chǎn)業(yè)升級(jí)帶來沖擊，也將引領(lǐng)全球制造業(yè)發(fā)展模式的前進(jìn)與革新，對(duì)于中國(guó)制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)來說已是必然選擇。智能制造技術(shù)是未來先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)和制造業(yè)發(fā)展的必然需求，是搶占產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)從制造大國(guó)向強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的重要保障。

目前工廠在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)裝配過程中一直采用單品種專機(jī)半自動(dòng)裝配或人工手動(dòng)裝配的方式完成，不能實(shí)現(xiàn)多品種柔性自動(dòng)化裝配生產(chǎn)。其根本原因是未能準(zhǔn)確、便捷、可靠的定位活塞環(huán)槽的相對(duì)位置。此外，現(xiàn)有技術(shù)用量具直接測(cè)量活塞環(huán)槽位置的方式，需要接觸工件，有可能造成零件的表面損傷，不能滿足要求。因此，如何定位活塞環(huán)槽位置，成為實(shí)現(xiàn)活塞環(huán)智能柔性自動(dòng)化裝配亟待解決的問題。

為解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于視覺的活塞環(huán)槽定位測(cè)量系統(tǒng)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

基于視覺的活塞環(huán)槽定位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置在活塞環(huán)柔性自動(dòng)裝配設(shè)備上，是設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能柔性自動(dòng)化裝配的關(guān)鍵。該設(shè)備由視覺定位測(cè)量系統(tǒng)、活塞輸送系統(tǒng)、活塞環(huán)裝配系統(tǒng)等部分組成。

圖1 定位測(cè)量裝置示意圖

圖1為活塞環(huán)槽定位測(cè)量裝置示意圖，包括：活塞托盤110；具有環(huán)槽121的活塞120；視覺相機(jī)220；光源210；安裝在升降伺服滑臺(tái)320上并載有活塞環(huán)331的壓頭330；平移伺服滑臺(tái)310；設(shè)備框架340。

2 視覺定位測(cè)量系統(tǒng)配置

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求和造價(jià)成本約束，本系統(tǒng)選用品牌為基恩士的視覺產(chǎn)品，定位系統(tǒng)硬件配置如下：

1）選擇型號(hào)CV-200M的200萬像素黑白相機(jī)，以滿足檢測(cè)范圍和精度要求。

2）選擇型號(hào)為CV-X420A的控制器與相機(jī)匹配。

3）根據(jù)使用環(huán)境和安裝距離，選用型號(hào)為CALH35、焦距為220mm的定焦鏡頭。

4）依據(jù)被檢測(cè)活塞表面材質(zhì)，選用型號(hào)為CADBW13的13mm條形光源。

3 視覺定位測(cè)量系統(tǒng)工作原理

相機(jī)、被檢測(cè)活塞、光源三者之間的位置關(guān)系是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)成像的重要因素，直接影響圖像的質(zhì)量和應(yīng)用效果。針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，都要經(jīng)過多次調(diào)整測(cè)試，以使成像效果最佳。同時(shí)通過增加屏蔽罩的方式來盡量減少環(huán)境光對(duì)圖像質(zhì)量的影響，降低干擾。

圖2 定位測(cè)量裝置的測(cè)量光路圖

圖2為視覺定位測(cè)量裝置的測(cè)量光路圖。相機(jī)220、光源210和被檢測(cè)活塞120位于同一平面。相機(jī)設(shè)置在活塞的一側(cè)，相機(jī)光路中心線221與托盤行進(jìn)方向Y成53°±1°角；光源設(shè)置在所述活塞120的另一側(cè)，光源光路中心線211與托盤行進(jìn)方向Y成67°±1°角；光源與相機(jī)的光路中心線聚集點(diǎn)500在環(huán)槽121底面；相機(jī)光路中心線221與光源光路中心線211 成120°角。

視覺系統(tǒng)拍攝活塞環(huán)槽所在區(qū)域的圖像，圖像識(shí)別計(jì)算單元將接收到的圖像轉(zhuǎn)換成可以用于識(shí)別計(jì)算的灰度值信息，對(duì)灰度值信息進(jìn)行運(yùn)算處理抽取目標(biāo)特征，可得到環(huán)槽位置與灰度變化差值對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 環(huán)槽位置與灰度變化差值對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

圖3為活塞環(huán)槽區(qū)域圖片的灰度變化差值與位置對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖，如圖所示，按照由上到下的位置值，繪制出位置坐標(biāo)值與灰度變化差值的關(guān)系曲線，在曲線上使用環(huán)槽邊緣判定值m排除干擾找出灰度變化差值最大點(diǎn)400即為需要檢測(cè)的環(huán)槽上邊緣，從而得出環(huán)槽上邊緣的相對(duì)位置。此外，圖中灰度變化差值小于環(huán)槽邊緣判定值m的突出點(diǎn)，分別為加工痕跡600，以及溝槽底邊700。

活塞環(huán)槽相對(duì)位置計(jì)算完成后，活塞環(huán)自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)即可驅(qū)動(dòng)升降伺服滑臺(tái)，使載有活塞環(huán)的壓頭移動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)活塞環(huán)槽的位置，將活塞環(huán)準(zhǔn)確裝配到對(duì)應(yīng)環(huán)槽中，最終實(shí)現(xiàn)活塞環(huán)的柔性自動(dòng)化裝配。

4 結(jié)語

本文闡述了基于視覺的活塞環(huán)槽定位測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境、系統(tǒng)構(gòu)成和設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)了多種活塞環(huán)槽位置的精確測(cè)量定位，有效解決了活塞環(huán)槽位置不確定性給裝配帶來的困難，大大提升了設(shè)備的智能化程度。該系統(tǒng)應(yīng)用在濰柴動(dòng)力工廠活塞環(huán)柔性自動(dòng)化裝配設(shè)備上。從實(shí)際應(yīng)用來看，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，降低了設(shè)備停機(jī)維護(hù)時(shí)間，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率。