基于視覺的活塞環槽定位測量系統

程 金，段明皞，張 希，孫 鵬，彭昌陞

（北京機械工業自動化研究所有限公司 流體傳動與汽車裝備中心，北京 100120）

0 引言

隨著世界經濟迅速的發展與成長，智能化制造工廠將給所有產業升級帶來沖擊，也將引領全球制造業發展模式的前進與革新，對于中國制造業的產業升級來說已是必然選擇。智能制造技術是未來先進制造技術發展的必然趨勢和制造業發展的必然需求，是搶占產業發展的制高點，實現我國從制造大國向強國轉變的重要保障。

目前工廠在發動機活塞環裝配過程中一直采用單品種專機半自動裝配或人工手動裝配的方式完成，不能實現多品種柔性自動化裝配生產。其根本原因是未能準確、便捷、可靠的定位活塞環槽的相對位置。此外，現有技術用量具直接測量活塞環槽位置的方式，需要接觸工件，有可能造成零件的表面損傷，不能滿足要求。因此，如何定位活塞環槽位置，成為實現活塞環智能柔性自動化裝配亟待解決的問題。

為解決這一問題，本文設計了一種基于視覺的活塞環槽定位測量系統。

1 機械結構

基于視覺的活塞環槽定位測量系統設置在活塞環柔性自動裝配設備上，是設備實現智能柔性自動化裝配的關鍵。該設備由視覺定位測量系統、活塞輸送系統、活塞環裝配系統等部分組成。

圖1 定位測量裝置示意圖

圖1為活塞環槽定位測量裝置示意圖，包括：活塞托盤110；具有環槽121的活塞120；視覺相機220；光源210；安裝在升降伺服滑臺320上并載有活塞環331的壓頭330；平移伺服滑臺310；設備框架340。

2 視覺定位測量系統配置

根據實際應用需求和造價成本約束，本系統選用品牌為基恩士的視覺產品，定位系統硬件配置如下：

1）選擇型號CV-200M的200萬像素黑白相機，以滿足檢測范圍和精度要求。

2）選擇型號為CV-X420A的控制器與相機匹配。

3）根據使用環境和安裝距離，選用型號為CALH35、焦距為220mm的定焦鏡頭。

4）依據被檢測活塞表面材質，選用型號為CADBW13的13mm條形光源。

3 視覺定位測量系統工作原理

相機、被檢測活塞、光源三者之間的位置關系是影響機器視覺系統成像的重要因素，直接影響圖像的質量和應用效果。針對每個特定的應用實例，都要經過多次調整測試，以使成像效果最佳。同時通過增加屏蔽罩的方式來盡量減少環境光對圖像質量的影響，降低干擾。

圖2 定位測量裝置的測量光路圖

圖2為視覺定位測量裝置的測量光路圖。相機220、光源210和被檢測活塞120位于同一平面。相機設置在活塞的一側，相機光路中心線221與托盤行進方向Y成53°±1°角；光源設置在所述活塞120的另一側，光源光路中心線211與托盤行進方向Y成67°±1°角；光源與相機的光路中心線聚集點500在環槽121底面；相機光路中心線221與光源光路中心線211 成120°角。

視覺系統拍攝活塞環槽所在區域的圖像，圖像識別計算單元將接收到的圖像轉換成可以用于識別計算的灰度值信息，對灰度值信息進行運算處理抽取目標特征，可得到環槽位置與灰度變化差值對應關系。

圖3 環槽位置與灰度變化差值對應關系示意圖

圖3為活塞環槽區域圖片的灰度變化差值與位置對應關系示意圖，如圖所示，按照由上到下的位置值，繪制出位置坐標值與灰度變化差值的關系曲線，在曲線上使用環槽邊緣判定值m排除干擾找出灰度變化差值最大點400即為需要檢測的環槽上邊緣，從而得出環槽上邊緣的相對位置。此外，圖中灰度變化差值小于環槽邊緣判定值m的突出點，分別為加工痕跡600，以及溝槽底邊700。

活塞環槽相對位置計算完成后，活塞環自動裝配控制系統即可驅動升降伺服滑臺，使載有活塞環的壓頭移動到對準活塞環槽的位置，將活塞環準確裝配到對應環槽中，最終實現活塞環的柔性自動化裝配。

4 結語

本文闡述了基于視覺的活塞環槽定位測量系統的應用環境、系統構成和設計原理，實現了多種活塞環槽位置的精確測量定位，有效解決了活塞環槽位置不確定性給裝配帶來的困難，大大提升了設備的智能化程度。該系統應用在濰柴動力工廠活塞環柔性自動化裝配設備上。從實際應用來看，該系統具有較高的穩定性，降低了設備停機維護時間，提高了產品質量和工作效率。