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)。