基于機(jī)器視覺的液壓閥鋼珠壓裝技術(shù)研究

宋佳琪，張宇蒙，胡夢倩，徐志鵬，周喬君

（中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院，浙江杭州，310018）

0 引言

液壓閥常應(yīng)用于工程機(jī)械中，如水泥泵車、臂架式掘進(jìn)機(jī)、高空作業(yè)車、船舶起重設(shè)備、消防車等等[1]。液壓閥在生產(chǎn)的過程中需加工一些便于內(nèi)部換向的工藝孔，而這些工藝孔在加工完成后需要采用鋼珠壓裝的模式進(jìn)行封堵[2]，以保證液壓閥的密封性。由于這些工藝孔分布在液壓閥的不同表面，且不同的壓裝面上的工藝孔分布個數(shù)和位置不盡相同[3]。在傳統(tǒng)的液壓閥鋼珠壓裝過程中，需要人工進(jìn)行翻面、工裝匹配、鋼珠放入、壓裝等一系列繁瑣的工作，存在速度慢、效率低、安全隱患大等問題。

圖1 液壓閥示意圖

采用基于機(jī)器視覺的液壓閥鋼珠壓裝技術(shù)可以解決液壓閥壓裝面型的識別及工藝孔位的定位問題，并對鋼珠的壓裝效果進(jìn)行檢測，實現(xiàn)了液壓閥的自動化壓裝，有效節(jié)約了時間，提高了生產(chǎn)效率，減少材料的報廢率，提高了安全性。同時，也可以適應(yīng)更多不同種類液壓閥的壓裝需求，凸顯出更大的靈活性和應(yīng)對復(fù)雜加工環(huán)境的能力。

圖2 設(shè)備示意圖

1 視覺系統(tǒng)選型

工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)，往往由工業(yè)光源，工業(yè)相機(jī)和工業(yè)鏡頭組成。對光源的要求主要為：減少光線對圖像的影響，突出圖像細(xì)節(jié)信息。視覺系統(tǒng)中工業(yè)相機(jī)和工業(yè)鏡頭的品質(zhì)直接影響采集圖像的質(zhì)量，因此要清楚系統(tǒng)對相機(jī)分辨率、圖像傳輸速率等功能的要求，同時還要考慮可行性和經(jīng)濟(jì)性，綜合考量下選擇合適的工業(yè)相機(jī)和工業(yè)鏡頭[4]。

1.1 工業(yè)光源的選型

工業(yè)光源的選擇主要從光源的顏色、亮度、打光方式進(jìn)行綜合考量。在打光中，要降低背景的干擾，突出目標(biāo)物特征，選擇與待測物體相近的光源顏色，使圖像檢測區(qū)域顯示效果明顯。在合理范圍內(nèi)提高光照強(qiáng)度，可降低對相機(jī)曝光時長的要求。最后根據(jù)實際情況選擇合適的打光方式，待測物體為方形，選擇條形光較為合適。

在本技術(shù)中對光源的要求為：首先，能覆蓋整個待測物體；其次盡可能體現(xiàn)獲取到的物體圖片的特征信息。綜上所述，在考慮可行性和經(jīng)濟(jì)性后，選擇康視達(dá)公司的工業(yè)光源，型號為CST-ROS154-W，光源顏色為白色，功率為26w，打光方式為條形光。

1.2 工業(yè)相機(jī)的選型

本技術(shù)需要對液壓閥壓裝面上的工藝孔進(jìn)行識別與定位，對相機(jī)的分辨率要求較高；同時，基于機(jī)器視覺的目標(biāo)識別與定位系統(tǒng)是個實時系統(tǒng)，因此對于相機(jī)的圖像傳輸速率也有一定要求。

綜上所述，再綜合考量經(jīng)濟(jì)性和可行性，選取?？低旵MOS工業(yè)面陣相機(jī)，型號為MV-CA050-10GM，分辨率為500萬像素，幀率為23.5fps，靈敏度高，成本低，使用感光區(qū)域單元的掃描傳感器，每次能采集若干行的圖像，并以幀傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行輸出。

1.3 工業(yè)鏡頭的選型

在視覺系統(tǒng)中，工業(yè)鏡頭的質(zhì)量直接影響圖像的品質(zhì)，在選擇鏡頭時，要考慮鏡頭本身的性能，重點考慮鏡頭的參數(shù)能否滿足視覺系統(tǒng)的需求，同時需要選擇與工業(yè)相機(jī)接口尺寸相匹配的鏡頭。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和可行性綜合考量，為系統(tǒng)選擇合適的工業(yè)鏡頭。

綜合上述要求，選取?？低暪镜墓I(yè)鏡頭，型號為MVL-MF1220M-5MP，焦距為12mm，分辨率為500萬像素。

2 液壓閥定位方法

液壓閥在被機(jī)器人抓取之前安置于物料小車上；小車上存在定位銷，可將液壓閥限制于特定區(qū)域內(nèi)；由于定位銷組成的區(qū)域略大于液壓閥的尺寸，液壓閥在此區(qū)域仍能進(jìn)行一定的移動，此設(shè)計有利于操作員進(jìn)行擺放，但在實際操作中不免出現(xiàn)擺放偏移的情況；為了保證機(jī)器人抓取液壓閥到工作臺的準(zhǔn)確性，需結(jié)合機(jī)器視覺對液壓閥位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

2.1 液壓閥坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在實際操作中液壓閥在擺放時難免發(fā)生偏移的情況；為了保證機(jī)器人抓取液壓閥及翻面擺放時的準(zhǔn)確性，需根據(jù)視覺處理系統(tǒng)的測量結(jié)果對機(jī)器人的運(yùn)動軌跡進(jìn)行修正，要將相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在圖像處理系統(tǒng)中對圖像進(jìn)行N點標(biāo)定。在標(biāo)定后進(jìn)行轉(zhuǎn)換和角度讀取，再對液壓閥的空間坐標(biāo)進(jìn)行計算。

本技術(shù)的坐標(biāo)定位方法主要通過拍照時相機(jī)的X,Y坐標(biāo)，機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)抓取動作獲取的X,Y坐標(biāo)，液壓閥進(jìn)行居中標(biāo)準(zhǔn)擺放獲得的X,Y坐標(biāo)，共三組坐標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理得到液壓閥的空間坐標(biāo)。

3 液壓閥壓裝面型判斷

在實際生產(chǎn)過程中不同液壓閥需要壓裝的面數(shù)不同，需壓裝的工藝孔個數(shù)和分布也不盡相同，致使壓裝面類型呈現(xiàn)多樣性，所以在傳統(tǒng)壓裝時，工人往往要花費(fèi)大量的時間去判斷面型并手動填入鋼珠最后選擇相應(yīng)的模具進(jìn)行壓裝。為此，對液壓閥壓裝面型的判斷是實現(xiàn)自動壓裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.1 液壓閥壓裝面型特征模板創(chuàng)建

要對壓裝面型進(jìn)行判斷，需先在圖像處理系統(tǒng)中制作并存儲所需判斷的面型的模板，對于壓裝面型，最大的特征為需壓裝的孔位的個數(shù)及分布的不同，根據(jù)此特征進(jìn)行匹配模板制作。

在圖像處理系統(tǒng)中選擇快速特征匹配模塊，在特征模板中選定所需壓裝的孔位，創(chuàng)建相對應(yīng)的模板。

圖3 對A壓裝面Φ3mm鋼珠壓裝孔的特征提取和模板制作

3.2 液壓閥面型匹配

在快速特征匹配的基本參數(shù)中選擇圖像增強(qiáng)后的相機(jī)圖像作為輸入源，因壓裝面所需壓裝孔位有多有少，需對特征模塊由需壓裝的工藝孔數(shù)量從多至少進(jìn)行排序。

圖像程序運(yùn)行時，系統(tǒng)會對排前的模板優(yōu)先進(jìn)行匹配，若匹配度超過80%則視為匹配成功。

4 液壓閥鋼珠壓裝效果檢測

由于存在外部因素的干擾，導(dǎo)致鋼珠并不是每次都能以百分之百的準(zhǔn)確率填入壓裝孔。在傳統(tǒng)的壓裝工藝中，需要工人用肉眼去檢驗是否存在漏裝、錯裝現(xiàn)象，效率不高同時還存在漏檢、錯檢的可能，采用機(jī)器視覺檢測鋼珠填充效果，可以提高液壓閥壓裝的準(zhǔn)確性保證生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低報廢率。

先對壓裝孔填入鋼珠與未填入鋼珠的圖像進(jìn)行分析。

如圖4，左側(cè)為填入鋼珠的成像，右側(cè)為未填入鋼珠的成像，左右兩側(cè)圖像最大的區(qū)別在于左側(cè)圖像呈現(xiàn)了一個清晰的黑色環(huán)狀，以這個黑色環(huán)狀作為匹配模板可對待壓裝面鋼珠填充結(jié)果進(jìn)行檢測。

圖4 填入鋼珠與未填入鋼珠的壓裝孔的成像區(qū)別

以圖3A1匹配模板為例，A1模板中有4個壓裝孔需填入鋼珠，且每個工藝孔的坐標(biāo)位置唯一不重合，所以在圖像處理程序中將A1模板中4個已填入鋼珠的工藝孔的像素坐標(biāo)存儲并作為標(biāo)準(zhǔn)壓裝孔像素坐標(biāo)。當(dāng)進(jìn)行檢測時，依次將所有匹配結(jié)果坐標(biāo)和相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)匹配，若至少有一個匹配結(jié)果坐標(biāo)匹配成功并且像素坐標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)的容許區(qū)間內(nèi)，則視為該工藝孔填入鋼珠。

如果視覺系統(tǒng)識別出鋼珠未壓裝成功的情況，系統(tǒng)會向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)，并由PLC根據(jù)檢測結(jié)果，進(jìn)行補(bǔ)放操作。

5 結(jié)論

本文以機(jī)器視覺在液壓閥壓裝上應(yīng)用為例，詳細(xì)的介紹了視覺系統(tǒng)的選型搭建、液壓閥的坐標(biāo)定位、圖像特征提取及模板匹配檢測等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了液壓閥的自動化壓裝，提高了液壓閥的生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量[5]。最終實現(xiàn)鋼珠自動填入動作，填入鋼珠準(zhǔn)確率達(dá)到99.5%以上，將單個液壓閥的鋼珠壓裝耗時控制在4min左右的目標(biāo)。