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，隨著市場的不斷變化，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，原有自動生產(chǎn)線設(shè)備品種多，工裝復(fù)雜，上下料機械手柔性差，更換生產(chǎn)品種時往往需要花費一周甚至數(shù)周才能達到生產(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)機器人和CNC（Computerized Numerical Control，計算機數(shù)控）機床組成的活塞加工生產(chǎn)單元，可以準確、快速、高效地完成乘用車活塞生產(chǎn)加工中的全自動上下料，提高了生產(chǎn)效率，降低了人力成本。關(guān)節(jié)機器人具有高柔性、高智能的特點，為自動線的工藝動作流程要求奠定了物理的高基準平臺，尤其是智能識別能力的機器視覺和機器人的綜合應(yīng)用為高柔性的自動線應(yīng)用提供了物理保障和實現(xiàn)基礎(chǔ)。下面將從角向識別系統(tǒng)的部件組成、原理及實現(xiàn)來講述本次設(shè)計。

1 角向識別系統(tǒng)的部件組成

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

圖1 角向識別系統(tǒng)部件組成

（1）相機和鏡頭是機器視覺中關(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，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器是當前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是通過感光二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(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。

（2）工業(yè)相機鏡頭的主要參數(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轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，實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，甚至淹沒特征，控制系統(tǒng)通過圖像灰度化、圖像濾波和二值化等方式，可以加強圖像有用信息，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、符號信息，從而找到并抽取圖像特征，識別視覺圖像。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，同時也包括需要通過變換或測量才能得到的人為特征。最后，經(jīng)過坐標的標定和轉(zhuǎn)換，將活塞的位置和角度等矢量信息應(yīng)用于活塞的抓取動作，完成機器人的自動識別抓取活塞。

2 角向識別系統(tǒng)的原理

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

（2）工件的大小和數(shù)量、決定了相機的視野尺寸。視野尺寸由成像元件尺寸、鏡頭的焦點距離、從相機到工件的距離3 個要素來決定。在實際應(yīng)用過程中，計算結(jié)果和實測會產(chǎn)生誤差，需要根據(jù)實測情況確認正確的視野尺寸。如果希望增大視野尺寸，可通過延長從相機到工件的距離或替換為焦點距離更短的鏡頭的方式來實現(xiàn)。另外，相機到工件的距離過近時，可能會導(dǎo)致鏡頭無法完成對焦，因此從鏡頭前端到工件的距離應(yīng)大于最近距離。

（3）在實際工作過程中，圖像的數(shù)據(jù)和實際可能存在誤差，機器人的姿態(tài)可能也有所不同，通過補償機器人的形態(tài)可彌補一些誤差，補償?shù)姆椒ㄓ形恢醚a償和抓取偏差補償。位置補償是通過相機拍攝放置于工作臺上的活塞測量其偏移狀況對機器人動作進行補償，以確保對對活塞執(zhí)行正確的夾持作業(yè)。抓取偏差補償是通過相機拍攝偏離基準位置狀態(tài)下被機器人夾持的工件，測量其偏移狀況，對機器人動作進行補償，以確保對活塞執(zhí)行正確的夾持作業(yè)。

3 轎車活塞生產(chǎn)線角向識別系統(tǒng)實現(xiàn)

轎車活塞生產(chǎn)線角向識別系統(tǒng)的實現(xiàn)，通常由系統(tǒng)的原點標定、補償用坐標系的設(shè)定、視覺處理程序的創(chuàng)建和示教、機器人程序的創(chuàng)建和示教4 個步驟完成。

3.1 角向識別系統(tǒng)的原點標定

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

固定設(shè)置點陣板、設(shè)置點陣板的信息時，在機器人的用戶坐標系區(qū)域中設(shè)定從機器人的基本坐標系看到的點陣板的坐標系位置。在機器人的機械手上準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，以用戶坐標系中的4 點記錄方法進行設(shè)定。

分別將機器人移動至指示位置后，在對應(yīng)的X 軸始點、X軸方向、Y 軸方向、坐標原點光標位置點擊示教功能鍵，記錄相關(guān)位置信息至控制系統(tǒng)。

3.2 角向識別系統(tǒng)的補償坐標系設(shè)定

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

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

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

“網(wǎng)格坐標系設(shè)置”是使用點陣板夾具設(shè)置信息的一種方法。將點陣板夾具的XY 平面平行于放置有活塞的平面，一邊移動安裝在機器人手爪上的點陣板夾具一邊進行測量。識別從機器人的手腕部法蘭盤看到的點陣板夾具的位置，并將結(jié)果寫入到工具坐標系中。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，無需準備用于碰觸的碰針，也無需設(shè)置觸針的TCP，采用半自動方式操作簡單。

3.3 角向識別系統(tǒng)的視覺處理程序的創(chuàng)建和示教

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

（1）通過樹狀視圖選擇“2-D Single-View Vision Process”，設(shè)定為1 臺相機進行視覺補償。

（2）通過“檢測面Z 高度”將活塞的檢測部位高度輸入文本框。

（3）單擊“基準位置”的設(shè)定按鈕，確認“基準位置X”“基準位置Y”“基準位置R”的數(shù)值是從補償用坐標系看到的活塞原點的位置。

（4）單擊“保存”單擊“結(jié)束編輯”，完成設(shè)定。

3.4 角向識別系統(tǒng)機器人程序的創(chuàng)建和示教

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

圖2 角向識別系統(tǒng)機器人程序

運行程序確認能夠檢出位置在工作臺上的活塞，并對其進行正確搬運。將活塞放置在基準位置附近，進行視覺角向識別，確認能否正確搬運。若在該狀態(tài)下搬運精度不夠充分，則需要重新進行基準位置的設(shè)定。將活塞平行移動至工作臺其他位置進行視覺角向識別，確認能否正確搬運，若在基準位置附近可確保精度進行搬運，但在其他位置精度變差的話，則說明相機的視野設(shè)定出現(xiàn)問題，需要重新設(shè)定活塞的“檢出面Z 向高度”。對活塞旋轉(zhuǎn)操作，進行視覺角向識別，確認是否能正確搬運。如果前兩種情況均可確保精度進行搬運，但在活塞旋轉(zhuǎn)后精度變差的話，需要重新設(shè)定點陣板夾具設(shè)置信息和補償用坐標系。