機器視覺系統在連接器自動裝配中的應用

魏 寶，陳玉成，戶 凱，陳明山

(中航光電科技股份有限公司，洛陽 471003)

1 機器視覺系統的概念

為了提高產品質量一致性，降低工人的勞動強度，提高生產效率，我公司研制了定位鎖緊端子自動裝配機，可完成塑膠件的自動上料、塑膠件孔位自動識別、定位鎖緊端子自動上料、定位鎖緊端子自動裝配、成品自動卸料等全自動作業。現就其中最關鍵的核心技術－－機器視覺系統的應用介紹如下。

機器視覺系統的目的就是給機器或自動生產線添加一套視覺系統。其原理是由計算機或圖像處理器以及相關設備來模擬人的視覺行為，完成得到人的視覺系統所得到的信息。

人的視覺系統是由眼球、神經系統及大腦的視覺中樞構成，機器視覺系統則是由圖像采集系統、圖像處理系統及信息綜合分析處理系統構成。機器視覺系統綜合了光學、機械、電子、計算機軟硬件等方面的技術，涉及到計算機、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機電一體化等多個領域。圖像處理和模式識別等技術的快速發展，也大大地推動了機器視覺的發展。

2 機器視覺與人類視覺的對比

機器視覺與人類視覺各有優劣，其詳細對比如下表所示。

人類視覺機器視覺適應性 適應性強，可在復雜及變化的環境中識別目標適應性差，容易受復雜背景及環境變化的影響智能性 具有高級智能，可運用邏輯分析及推理能力識別變化的目標，并能總結規律雖然可利用人工智能及神經網絡技術，但智能很差，不能很好地識別變化的目標彩色識別能力 對色彩的分辨能力強，但容易受人的心理影響，不能量化受硬件條件的制約，目前一般的圖像采集系統對色彩的分辨能力較差，但具有可量化的優點灰度分辨力 差，一般只能分辨64個灰度級 強，目前一般使用256灰度級，采集系統可具有10bit、12bit、16bit 等灰度級

人類視覺機器視覺空間分辨力 分辨率較差，不能觀看微小的目標 目前有4K×4K的面陣攝像機和8K的線陣攝像機，通過備置各種光學鏡頭，可以觀測小到微米大到天體的目標速度 0.1秒的視覺暫留使人眼無法看清較快速運動的目標快門時間可達到10微妙左右，高速像機幀率可達到1000以上，處理器的速度越來越快感光范圍 400nm－750nm范圍的可見光 從紫外到紅外的較寬光譜范圍，另外有X光等特殊攝像機環境要求 對環境溫度、濕度的適應性差，另外有許多場合對人有損害 對環境適應性強，另外可加防護裝置觀測精度 精度低，無法量化 精度高，可到微米級，易量化其它 主觀性，受心理影響，易疲勞 客觀性，可連續工作

3 機器視覺系統的構成

一般來說，機器視覺系統包括了照明系統、鏡頭、攝像系統和圖像處理系統。

圖1 定位鎖緊端子自動裝配機視覺系統構成示意圖

3.1 照明光源

每一個生產區的環境照明條件都互不相同，這會使工件的表面特征表現出相當大的差異。幾乎每個機器視覺解決方案都需要某種特定的打光方式，才能使它達到最佳的性能。由于攝像效果與光線有很大關系，光源的穩定性也就影響了機器視覺的穩定性。可以說，選擇好了光源，機器視覺系統就成功了60%。

3.1.1 常見光源形式及作用

表面光環狀光源，能全方位實現均勻柔和的照明;

輪廓光背光源，能使工件和背景的對比度最大化;

漫反射照明光源，提供全角度照明，使對工件表面的不平整處能夠清晰成像

3.1.2 照明光源主要性能要求

壽命長，穩定性好。光源的半衰期要長，且在半衰期內，光譜穩定，亮度衰減小。

響應速度快，信噪比高，抗干擾能力強。外形尺寸適中，便于安裝。

3.1.3 定位鎖緊端子自動裝配機光源的選擇

光源的選擇需要依據被測產品而定，亮度要可調。太暗則照不出產品形狀，太亮則反光，影響攝像效果。在必要時，為了到達較好的效果，還可以采用一些光學器件來改變光源的特性。如采用漫射片來柔化光的分布，提高均勻性;采用濾光片來過濾修正光源的光譜屬性;利用反射器來改變光的角度等。

定位鎖緊端子自動裝配機所裝配的塑膠零件主要分為兩種顏色，在具體應用時，需要精確判別塑膠件的孔位。因此，光源的選擇要求能針對不同顏色的塑膠件拍攝出對比度分明的黑白圖像。因塑膠件顏色不同，同樣的光源打上去后反光率會稍有差別。

圖2 塑膠件孔位拍攝效果圖

為此，經過多次試驗，最終選擇了白光低角度光源。在裝配時，針對不同的塑膠所需要的亮度有所差別。切換產品時，為使亮度調節更準確，通過在PLC上增加模擬量輸入模塊，通過內部程序，對光源亮度也做了相應自動調節。

3.2 鏡頭

鏡頭的好壞，對成像的質量起著至為關鍵的作用，如下表所示:

圖像質量的參數影響圖像質量的因素分辨力，指能分清楚物體的能力，單位LP/mm 鏡頭 攝像機圖像采集卡 顯示器對比度 鏡頭 照明光源 攝像機景深，指鏡頭當物體在對焦清晰范圍內，維持一定品質的能力 鏡頭失真，也叫畸變 鏡頭投影誤差 鏡頭

3.2.1 鏡頭的光學幾何關系

圖3 鏡頭的成像原理示意圖

根據鏡頭成像原理圖，選擇鏡頭時，就要綜合考慮鏡頭距離被測零件的距離是多少、鏡頭的拍攝范圍多大、放大率為多少等。而對于鏡頭參數而言，主要為景深、變倍比例、視野等。另外，還有一個關鍵因素:畸變。

3.2.2 鏡頭的分類

通常，鏡頭主要分為以下幾種:標準鏡頭、遠心鏡頭、廣角鏡頭、近攝/遠攝鏡頭等。使用時，要根據相機接口、物距、拍攝范圍、CCD尺寸、畸變允許的范圍、放大率、焦距、光圈等綜合考慮。

3.2.3 影像測量誤差的產生

在測量系統中，物距常發生變化，從而使像高發生變化，所以測得的物體尺寸也發生變化，即產生了測量誤差;即使物距是固定的，也會因為CCD敏感表面不易精確調整在像平面上，同樣也會產生測量誤差;常見的測量誤差表現形式為:

a)物體距離變化引起比例尺改變;

b)投影誤差;

c)畸變;

d)物體邊緣測量誤差等。

圖4 相同截面不同高度零件非遠心鏡頭誤差

圖5 遠心鏡頭拍攝效果改善

由圖4和圖5可以看出，同樣截面積高度不同的零件，在鏡頭下方所處的區域不一樣。采用普通鏡頭時，導致成像的面積與實際大小會有一定差別。而采用遠心鏡頭則可以極大地改善這一狀況。

圖6 普通鏡頭投影誤差的產生示意圖

圖7 遠心鏡頭對投影誤差的改善效果示意圖

由圖6和圖7可以看出，四個相同的零件，在鏡頭下方所處的區域不一樣，采用普通鏡頭時，導致成像后產生一定的投影誤差。而采用遠心鏡頭則可以極大地改善這一狀況。

圖8 普通鏡頭成像的畸變

3.2.4 鏡頭產生誤差的機理對比

圖9 鏡頭產生誤差的機理對比圖A

3.2.5 鏡頭產生誤差的原因和遠心鏡頭對成像效果的改善

圖10 鏡頭產生誤差的機理對比圖B

在使用過程中，被測產品的零件高度有一定的差異。此時，產生測量誤差的機理如下圖所示:普通鏡頭f=12 mm，相機CCD為1/3〃，觀察距離s=200 mm，高為H=20 mm的物體。如果物體由原位置移動了s=1mm，則高度測量值的變化為DH=(ds/s)·H=(1/200) ·20 mm=0.1 mm。

而對于較好的遠心鏡頭，其遠心斜率為0.1°(1.7 mrad)左右。這就意味著，在與前面物體同樣移動1 mm的情況下，測量值只變化了0.0017 mm，如下圖所示。

圖11 遠心鏡頭在檢測距離變化時誤差產生機理

3.2.5 定位鎖緊端子自動裝配機鏡頭的選擇

在定位鎖緊端子自動裝配機研制初期，就對其提出了較高的通用性。要求同一臺自動機可以適用于多種定位鎖緊端子和相應塑膠件。

在設備調試初期，由于選用了非遠心鏡頭，所拍攝圖像產生了類似圖5的投影誤差。針對不同長寬范圍的塑膠件，均需要通過程序來補償，調試工作量巨大且效果不太好。最終選用了視野能夠包括40×40mm范圍的遠心鏡頭。針對不同高度的塑膠件，光源和相機鏡頭組件通過馬達高低可調，這樣就保證不同高度的塑膠件所處焦距一致，從而保證了塑膠件表面孔位影像的圖像精度。

雖然該設備采用了遠心鏡頭，遠心鏡頭沒有視差畸變，是尺寸測量的理想鏡頭，可以在工作距離變化的條件下精密測量。但是，遠心鏡頭的口徑至少要與需要觀察的物體尺寸相等或更大，所以遠心鏡頭非常貴。對于定位鎖緊端子自動裝配設備而言，采用遠心鏡頭后為設備的通用性和調試過程中程序的簡便性、設備運行穩定性均帶來了莫大的益處。

3.3 機器視覺系統圖像的采集

圖像采集主要工作過程如下:

工件定位檢測器探測到物體已經運動至接近攝像系統的視野中心，向圖像采集部分發送觸發脈沖。

圖像采集部分按照事先設定的程序和延時，分別向攝像機和照明系統發出啟動脈沖。

攝像機停止目前的掃描，重新開始新的一幀掃描，或者攝像機在啟動脈沖來到之前處于等待狀態，啟動脈沖到來后啟動一幀掃描。

攝像機開始新的一幀掃描之前打開曝光機構，曝光時間可以事先設定。

另一個啟動脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時間應該與攝像機的曝光時間匹配。

攝像機曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出。

3.4 機器視覺系統圖像的處理

就定位鎖緊端子自動裝配機而言，要想使采集到的圖像能夠用于轉換為孔位的中心坐標，則必須對圖像經行高精度的預處理并對機器視覺系統進行標定，讓像素值轉換為物理單位mm。

3.4.1 圖像的預處理

圖像預處理的目的:改變原始圖像，以加強期望的特征，并消減不期望的特征。這樣的處理可以最優化圖像以便于后續處理，還可以明顯改善整個系統的準確度。

預處理的工作內容主要包括:增強工件和背景的對比度;屏蔽不重要的或可能造成混淆的圖像特征;消除工件表面的高亮反射點;平滑粗糙的表面紋理。

3.4.2 機器視覺系統坐標的標定

圖像進行預處理后，則需要將像素單位轉換為物理單位。相機坐標系是工業相機自身特定的坐標系統。定位鎖緊端子自動裝配機所使用的為百萬像素的相機。它是笛卡爾直角坐標系，橫軸為X軸，縱軸為Y軸。相機照片上的任何一個點即為一個像素。它能用X、Y兩個坐標表示出其在相機坐標系中的位置。這樣，根據拍攝到的塑膠件上每個孔位像素值的多少，以及每個像素方格對應的物理單位數值，通過處理軟件，就可以確定其面積和每個孔位中心像素坐標。這樣就完成了機器視覺系統的標定。將孔位坐標輸出后，機器視覺系統的工作就完成了。

4 機器視覺系統與機器運動機構的聯機

機器視覺系統輸出相機中的圖像坐標信息后，還需要將機器視覺系統與機器運動機構進行聯機，才能實現定位鎖緊端子與塑膠件相應孔位的自動裝配。

4.1 機器視覺系統與機械運動機構坐標系的匹配

4.1.1 電機坐標系和電機單位

電機坐標系是設備上用伺服電機驅動的電缸搭建起來的一個笛卡爾直角坐標系。它的坐標零點由傳感器和伺服電機內部的Z向脈沖共同確定。一旦設備安裝調試完成。電機坐標系也就不再改變。

在定位鎖緊端子自動裝配機中，X、Y兩個方向的運動是靠兩個電機帶動絲杠組件完成的。通過計算電機電子齒輪的脈沖和絲桿螺距的對應關系，即可完成PLC發出的脈沖數和X、Y軸運動距離對應關系的建立。這樣，由電機驅動的X、Y軸坐標系就建成了。

4.1.2 機器視覺系統和機械結構X、Y坐標系組成的系統坐標系的建立

相機的X、Y坐標系和機械結構X、Y坐標系是相互獨立的。為了將兩者聯系起來，首先需要找一個帶中心孔的標準治具，在相機下拍照，通過圖像處理后計算出其在相機坐標系中的中心坐標位置。在機械結構XY坐標系統中，用一個與標準治具中心孔相配的軸，插入標準治具的孔內，然后將兩者坐標進行對比匹配，建立系統坐標系的工作就完成了。

4.2 機器視覺系統與機械運動機構坐標數據的傳遞

圖12 兩坐標系數據傳遞圖

4.3 定位鎖緊端子自動裝配機整機工作流程

定位鎖緊端子自動裝配機主要完成往塑膠件孔內自動裝配定位鎖緊端子的過程。控制系統采用"可編程控制器PLC+觸膜屏"，具有良好的人機操作界面，工藝參數設定簡單方便。工藝流程如下:

塑膠件由人工放入傳送帶上輸送到塑膠件上料工位，再由塑膠件上料機構放入轉盤工裝內;

轉盤機構轉90°到下工位影像系統，影像系統對塑膠件進行拍照、識別塑膠件上孔的大小并把所需要插入定位鎖緊端子的相對坐標計算出后并傳給系統PLC;

轉盤機構轉90°到下工位，高速高精度三軸伺服裝配系統。高速高精度三軸伺服系統是由PLC前一工序給出坐標后進行工作的，定位鎖緊端子采用帶料方式自動給料的，帶料采用伺服電機送料;

轉盤機構轉90°到下工位下料，由下料機構把插好定位鎖緊端子的塑膠件從轉盤工裝取出放在輸出的傳送機構上送出，后由人工取走。整個裝配流程結束。

其流程圖如下:

圖13 整機裝配流程圖

5 機器視覺系統選型注意事項

機器視覺系統是一套相對比較復雜的系統，要得到成功的應用，需要將光源、鏡頭、相機、圖像處理軟件、機械運動機構等有機的結合起來。結合定位鎖緊端子自動裝配機，機器視覺系統在選型中應注意以下事項:

5.1 光源的選擇要適當

相機對光的依賴性特別強，不同的照明效果，會生成截然不同的視覺效果，為了達到需要的效果，初步選定光源后，要反復做實驗，以達到理想效果。

5.2 鏡頭的選擇要合適

選擇適當的鏡頭可以提高成像的質量，以便于后期對圖像的處理。

5.3 相機的選擇要適宜

根據應用的需要，要選擇視野與被測零件大小相匹配、像素精度夠用即可的相機。視野范圍過大、像素精度過高都會造成設備成本的大幅增加。

5.4 圖像的預處理很重要

有時候，硬件上無法解決的問題可以通過軟件解決。如拍攝的零件表面有輕微的毛刺，但并不影響使用，這時需要軟件處理，把毛刺造成的影響屏蔽或弱化掉。另外，如果相機軟件功能強大的話，可以擴大硬件的適用范圍，提高整臺設備的通用性。

6 總結

隨著公司新產品的不斷增加，生產過程中多品種小批量的特點會更加明顯。對于自動裝配機而言，機器視覺系統的推廣應用，設備的智能化程度會越來越高，在裝配過程中設備通用性更強，針對不同料號之間的切換時間更少。隨之帶來的效益是對操作工人的操作要求更低，產品的質量一致性和加工效率的大幅度提高。

通過本文系統地介紹機器視覺系統在我公司定位鎖緊端子自動裝配機上的應用，希望能夠拋磚引玉，為各位以后類似自動裝配機的設計、應用提供參考。

［1］趙鵬.機器視覺理論及應用.電子工業出版社，2011

［2］韓九強.機器視覺技術應用.高等教育出版社，2009