轎車活塞生產(chǎn)線角向識(shí)別系統(tǒng)研究

王龍昌，丁希波，王立偉

（濱州渤海活塞有限公司，山東濱州 256602）

0 引言

近些年來(lái)，隨著市場(chǎng)的不斷變化，轎車活塞訂單由原有大批次單一品種的生產(chǎn)逐漸向小批量多批次方向發(fā)展，原有自動(dòng)生產(chǎn)線設(shè)備品種多，工裝復(fù)雜，上下料機(jī)械手柔性差，更換生產(chǎn)品種時(shí)往往需要花費(fèi)一周甚至數(shù)周才能達(dá)到生產(chǎn)要求，已漸漸不能滿足客戶小批次短周期的活塞生產(chǎn)要求。

由工業(yè)機(jī)器人和CNC（Computerized Numerical Control，計(jì)算機(jī)數(shù)控）機(jī)床組成的活塞加工生產(chǎn)單元，可以準(zhǔn)確、快速、高效地完成乘用車活塞生產(chǎn)加工中的全自動(dòng)上下料，提高了生產(chǎn)效率，降低了人力成本。關(guān)節(jié)機(jī)器人具有高柔性、高智能的特點(diǎn)，為自動(dòng)線的工藝動(dòng)作流程要求奠定了物理的高基準(zhǔn)平臺(tái)，尤其是智能識(shí)別能力的機(jī)器視覺(jué)和機(jī)器人的綜合應(yīng)用為高柔性的自動(dòng)線應(yīng)用提供了物理保障和實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。下面將從角向識(shí)別系統(tǒng)的部件組成、原理及實(shí)現(xiàn)來(lái)講述本次設(shè)計(jì)。

1 角向識(shí)別系統(tǒng)的部件組成

FANUC 機(jī)器人是最早將機(jī)器視覺(jué)集成于機(jī)器人電氣控制柜的機(jī)器人廠家之一，典型的FANUC 視覺(jué)系統(tǒng)由機(jī)器人控制裝置、鏡頭、照明裝置、相機(jī)及相機(jī)電纜等部分組成（圖1）。

圖1 角向識(shí)別系統(tǒng)部件組成

（1）相機(jī)和鏡頭是機(jī)器視覺(jué)中關(guān)鍵的組成部分，其性能高低決定了采樣圖像的質(zhì)量和采樣效率。CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）與CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是通過(guò)感光二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。區(qū)別在于CCD 傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面均優(yōu)于CMOS 傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。

（2）工業(yè)相機(jī)鏡頭的主要參數(shù)包括焦距、光圈、景深、分辨率、光學(xué)放大倍率、數(shù)值孔徑、后背焦等。其中，焦距決定了視角的大小，兩者成反比關(guān)系，焦距值越小則視角越大，反之則視角越小。

（3）機(jī)器人控制裝置需要完成圖像預(yù)處理、圖像分割、特征提取、識(shí)別判斷和信息輸出的工作。首先，控制裝置將采集到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，實(shí)際獲得的圖像由于受到各種噪聲的影響，圖像成像質(zhì)量較差、圖像模糊，甚至淹沒(méi)特征，控制系統(tǒng)通過(guò)圖像灰度化、圖像濾波和二值化等方式，可以加強(qiáng)圖像有用信息，衰減不必要信息，以便提取圖像特征。其次，特征提取，從圖像中提取有用的數(shù)據(jù)和信息，生成各種數(shù)值、符號(hào)信息，從而找到并抽取圖像特征，識(shí)別視覺(jué)圖像。這些特征不僅包括亮度、邊緣的輪廓、紋理或色彩等自然特征，同時(shí)也包括需要通過(guò)變換或測(cè)量才能得到的人為特征。最后，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)的標(biāo)定和轉(zhuǎn)換，將活塞的位置和角度等矢量信息應(yīng)用于活塞的抓取動(dòng)作，完成機(jī)器人的自動(dòng)識(shí)別抓取活塞。

2 角向識(shí)別系統(tǒng)的原理

（1）相機(jī)的安裝可以分為固定相機(jī)和固定于機(jī)器人兩種方式：前者是將相機(jī)固定設(shè)置在支架上檢測(cè)工件，固定相機(jī)始終由相同的距離拍攝相同的場(chǎng)所，控制系統(tǒng)可以在執(zhí)行其他作業(yè)時(shí)同步執(zhí)行圖像處理，所以可以縮短總體循環(huán)時(shí)間；后者是將相機(jī)設(shè)置在機(jī)器人的手腕部分，通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)相機(jī)測(cè)量不同的位置，提高了相機(jī)的使用效率，但由于相機(jī)需要移動(dòng)后才能采樣，增加了機(jī)器人整體的循環(huán)時(shí)間，且由于相機(jī)移動(dòng)后工件位置可能發(fā)生偏移，增加了采樣難度并降低了工件位置的準(zhǔn)確性?？梢愿鶕?jù)工件的大小和配置來(lái)決定相機(jī)的安裝方式。由于轎車活塞生產(chǎn)線對(duì)循環(huán)節(jié)拍要求嚴(yán)格，同時(shí)活塞的角向識(shí)別應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)為同一場(chǎng)所使用，因此采用固定相機(jī)的安裝方式。

（2）工件的大小和數(shù)量、決定了相機(jī)的視野尺寸。視野尺寸由成像元件尺寸、鏡頭的焦點(diǎn)距離、從相機(jī)到工件的距離3 個(gè)要素來(lái)決定。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)會(huì)產(chǎn)生誤差，需要根據(jù)實(shí)測(cè)情況確認(rèn)正確的視野尺寸。如果希望增大視野尺寸，可通過(guò)延長(zhǎng)從相機(jī)到工件的距離或替換為焦點(diǎn)距離更短的鏡頭的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，相機(jī)到工件的距離過(guò)近時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致鏡頭無(wú)法完成對(duì)焦，因此從鏡頭前端到工件的距離應(yīng)大于最近距離。

（3）在實(shí)際工作過(guò)程中，圖像的數(shù)據(jù)和實(shí)際可能存在誤差，機(jī)器人的姿態(tài)可能也有所不同，通過(guò)補(bǔ)償機(jī)器人的形態(tài)可彌補(bǔ)一些誤差，補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ形恢醚a(bǔ)償和抓取偏差補(bǔ)償。位置補(bǔ)償是通過(guò)相機(jī)拍攝放置于工作臺(tái)上的活塞測(cè)量其偏移狀況對(duì)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行補(bǔ)償，以確保對(duì)對(duì)活塞執(zhí)行正確的夾持作業(yè)。抓取偏差補(bǔ)償是通過(guò)相機(jī)拍攝偏離基準(zhǔn)位置狀態(tài)下被機(jī)器人夾持的工件，測(cè)量其偏移狀況，對(duì)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行補(bǔ)償，以確保對(duì)活塞執(zhí)行正確的夾持作業(yè)。

3 轎車活塞生產(chǎn)線角向識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

轎車活塞生產(chǎn)線角向識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，通常由系統(tǒng)的原點(diǎn)標(biāo)定、補(bǔ)償用坐標(biāo)系的設(shè)定、視覺(jué)處理程序的創(chuàng)建和示教、機(jī)器人程序的創(chuàng)建和示教4 個(gè)步驟完成。

3.1 角向識(shí)別系統(tǒng)的原點(diǎn)標(biāo)定

視覺(jué)系統(tǒng)的標(biāo)定有兩種方法，分別是點(diǎn)陣板標(biāo)定和機(jī)器人生成網(wǎng)格標(biāo)定。點(diǎn)陣板標(biāo)定是通用的相機(jī)標(biāo)定，使用點(diǎn)陣板夾具的相機(jī)標(biāo)定夾具執(zhí)行相機(jī)校準(zhǔn)。相機(jī)拍攝點(diǎn)陣板后，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別點(diǎn)陣板夾具與相機(jī)的位置關(guān)系、鏡頭的形變、焦點(diǎn)距離等相關(guān)參數(shù)。點(diǎn)陣板的所有黑圓圈均配置在正方格子內(nèi)。中心附近有4個(gè)黑色大圓圈，表示坐標(biāo)系原點(diǎn)及方向。點(diǎn)陣板根據(jù)應(yīng)用程序固定于工作臺(tái)或安裝于機(jī)器人手部使用。我們采用固定相機(jī)安裝，因而點(diǎn)陣板需固定于活塞料臺(tái)表面，將從機(jī)器人的基本坐標(biāo)系看到的點(diǎn)陣板的坐標(biāo)系位置設(shè)定為機(jī)器人的用戶坐標(biāo)系區(qū)域。

固定設(shè)置點(diǎn)陣板、設(shè)置點(diǎn)陣板的信息時(shí)，在機(jī)器人的用戶坐標(biāo)系區(qū)域中設(shè)定從機(jī)器人的基本坐標(biāo)系看到的點(diǎn)陣板的坐標(biāo)系位置。在機(jī)器人的機(jī)械手上準(zhǔn)備用于修正的定位銷，在銷的前端設(shè)定TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）之后，以用戶坐標(biāo)系中的4 點(diǎn)記錄方法進(jìn)行設(shè)定。

分別將機(jī)器人移動(dòng)至指示位置后，在對(duì)應(yīng)的X 軸始點(diǎn)、X軸方向、Y 軸方向、坐標(biāo)原點(diǎn)光標(biāo)位置點(diǎn)擊示教功能鍵，記錄相關(guān)位置信息至控制系統(tǒng)。

3.2 角向識(shí)別系統(tǒng)的補(bǔ)償坐標(biāo)系設(shè)定

補(bǔ)償用坐標(biāo)系的設(shè)定，是在位置偏差計(jì)算中使用的坐標(biāo)系?；钊臋z出位置、方向等信息將被作為在這里設(shè)定的坐標(biāo)系上的位置變量而輸出。在進(jìn)行角向識(shí)別補(bǔ)償時(shí)，將補(bǔ)償用的坐標(biāo)系設(shè)定為用戶坐標(biāo)系。需要注意的是，設(shè)定補(bǔ)償用坐標(biāo)系的XY 平面，必須使該坐標(biāo)系與放置活塞的工作臺(tái)平面平行。

補(bǔ)償坐標(biāo)系的設(shè)定方法有通過(guò)觸針碰觸設(shè)定和使用“網(wǎng)格坐標(biāo)系設(shè)置”兩種方法。

通過(guò)觸針碰觸設(shè)定時(shí)，需要有進(jìn)行了TCP 設(shè)置的觸針。對(duì)安裝在機(jī)械手上的觸針進(jìn)行正確設(shè)定TCP 極為重要，TCP 設(shè)置的精度較低時(shí)，機(jī)器人搬運(yùn)活塞的精度也會(huì)下降。在任意工具坐標(biāo)系上設(shè)定的TCP 需要確保安裝再現(xiàn)性。TCP 的設(shè)定使用“3 點(diǎn)示教法”，即設(shè)定工具前端點(diǎn)（工具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)器人法蘭盤中心的X、Y、Z 向的位置偏移。示教時(shí)使機(jī)器人在空間中以3 種不同的姿態(tài)下指向空間中的同一固定點(diǎn)，由此自動(dòng)計(jì)算TCP 的位置。

“網(wǎng)格坐標(biāo)系設(shè)置”是使用點(diǎn)陣板夾具設(shè)置信息的一種方法。將點(diǎn)陣板夾具的XY 平面平行于放置有活塞的平面，一邊移動(dòng)安裝在機(jī)器人手爪上的點(diǎn)陣板夾具一邊進(jìn)行測(cè)量。識(shí)別從機(jī)器人的手腕部法蘭盤看到的點(diǎn)陣板夾具的位置，并將結(jié)果寫(xiě)入到工具坐標(biāo)系中。與基于碰撞的方法相比，該方法可不受用戶技能的約束而正確設(shè)定，無(wú)需準(zhǔn)備用于碰觸的碰針，也無(wú)需設(shè)置觸針的TCP，采用半自動(dòng)方式操作簡(jiǎn)單。

3.3 角向識(shí)別系統(tǒng)的視覺(jué)處理程序的創(chuàng)建和示教

首先在控制系統(tǒng)中新建“2-D Single-View Vision Process”的視覺(jué)程序。在程序數(shù)據(jù)的一覽畫(huà)面上選擇已創(chuàng)建的視覺(jué)程序，單擊“編輯”后，即會(huì)顯示視覺(jué)數(shù)據(jù)的編輯畫(huà)面。通過(guò)“相機(jī)”的下拉框選擇使用的相機(jī)數(shù)據(jù)。通過(guò)“補(bǔ)正方法”的下拉框選擇“位置補(bǔ)正”。通過(guò)“補(bǔ)正用坐標(biāo)系”的下拉框選擇設(shè)定的用戶坐標(biāo)系。其次，進(jìn)行命令工具的示教。設(shè)置系統(tǒng)需要識(shí)別的活塞樣品。在Soap Tool 處設(shè)定拍攝活塞樣本示教和檢測(cè)用圖像的工具，設(shè)定拍照范圍以及曝光時(shí)間等拍照條件。通過(guò)樹(shù)狀視圖選擇檢測(cè)用工具執(zhí)行檢測(cè)用活塞樣本的示教。最后進(jìn)行基準(zhǔn)位置的設(shè)定。操作步驟如下：

（1）通過(guò)樹(shù)狀視圖選擇“2-D Single-View Vision Process”，設(shè)定為1 臺(tái)相機(jī)進(jìn)行視覺(jué)補(bǔ)償。

（2）通過(guò)“檢測(cè)面Z 高度”將活塞的檢測(cè)部位高度輸入文本框。

（3）單擊“基準(zhǔn)位置”的設(shè)定按鈕，確認(rèn)“基準(zhǔn)位置X”“基準(zhǔn)位置Y”“基準(zhǔn)位置R”的數(shù)值是從補(bǔ)償用坐標(biāo)系看到的活塞原點(diǎn)的位置。

（4）單擊“保存”單擊“結(jié)束編輯”，完成設(shè)定。

3.4 角向識(shí)別系統(tǒng)機(jī)器人程序的創(chuàng)建和示教

機(jī)器人程序如圖2 所示。其中，第6 行為運(yùn)行視覺(jué)檢出程序，本程序中將視覺(jué)檢出程序名命名為“A”；第7 行中讀取檢測(cè)的的活塞的位置數(shù)據(jù)；第10 行表示機(jī)器人向活塞位置趨近移動(dòng)；第11 行表示機(jī)器人移動(dòng)至活塞的取出位置；第13 行表示機(jī)器人抓取活塞后移動(dòng)至回退位置。

圖2 角向識(shí)別系統(tǒng)機(jī)器人程序

運(yùn)行程序確認(rèn)能夠檢出位置在工作臺(tái)上的活塞，并對(duì)其進(jìn)行正確搬運(yùn)。將活塞放置在基準(zhǔn)位置附近，進(jìn)行視覺(jué)角向識(shí)別，確認(rèn)能否正確搬運(yùn)。若在該狀態(tài)下搬運(yùn)精度不夠充分，則需要重新進(jìn)行基準(zhǔn)位置的設(shè)定。將活塞平行移動(dòng)至工作臺(tái)其他位置進(jìn)行視覺(jué)角向識(shí)別，確認(rèn)能否正確搬運(yùn)，若在基準(zhǔn)位置附近可確保精度進(jìn)行搬運(yùn)，但在其他位置精度變差的話，則說(shuō)明相機(jī)的視野設(shè)定出現(xiàn)問(wèn)題，需要重新設(shè)定活塞的“檢出面Z 向高度”。對(duì)活塞旋轉(zhuǎn)操作，進(jìn)行視覺(jué)角向識(shí)別，確認(rèn)是否能正確搬運(yùn)。如果前兩種情況均可確保精度進(jìn)行搬運(yùn)，但在活塞旋轉(zhuǎn)后精度變差的話，需要重新設(shè)定點(diǎn)陣板夾具設(shè)置信息和補(bǔ)償用坐標(biāo)系。