机器视觉系统在连接器自动装配中的应用

2013-10-12陈玉成陈明山

机电元件 2013年1期

魏宝，陈玉成，户凯，陈明山

(中航光电科技股份有限公司，洛阳 471003)

1 机器视觉系统的概念

为了提高产品质量一致性，降低工人的劳动强度，提高生产效率，我公司研制了定位锁紧端子自动装配机，可完成塑胶件的自动上料、塑胶件孔位自动识别、定位锁紧端子自动上料、定位锁紧端子自动装配、成品自动卸料等全自动作业。现就其中最关键的核心技术－－机器视觉系统的应用介绍如下。

机器视觉系统的目的就是给机器或自动生产线添加一套视觉系统。其原理是由计算机或图像处理器以及相关设备来模拟人的视觉行为，完成得到人的视觉系统所得到的信息。

人的视觉系统是由眼球、神经系统及大脑的视觉中枢构成，机器视觉系统则是由图像采集系统、图像处理系统及信息综合分析处理系统构成。机器视觉系统综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术，涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。图像处理和模式识别等技术的快速发展，也大大地推动了机器视觉的发展。

2 机器视觉与人类视觉的对比

机器视觉与人类视觉各有优劣，其详细对比如下表所示。

人类视觉机器视觉适应性适应性强，可在复杂及变化的环境中识别目标适应性差，容易受复杂背景及环境变化的影响智能性具有高级智能，可运用逻辑分析及推理能力识别变化的目标，并能总结规律虽然可利用人工智能及神经网络技术，但智能很差，不能很好地识别变化的目标彩色识别能力对色彩的分辨能力强，但容易受人的心理影响，不能量化受硬件条件的制约，目前一般的图像采集系统对色彩的分辨能力较差，但具有可量化的优点灰度分辨力差，一般只能分辨64个灰度级强，目前一般使用256灰度级，采集系统可具有10bit、12bit、16bit 等灰度级

人类视觉机器视觉空间分辨力分辨率较差，不能观看微小的目标目前有4K×4K的面阵摄像机和8K的线阵摄像机，通过备置各种光学镜头，可以观测小到微米大到天体的目标速度 0.1秒的视觉暂留使人眼无法看清较快速运动的目标快门时间可达到10微妙左右，高速像机帧率可达到1000以上，处理器的速度越来越快感光范围 400nm－750nm范围的可见光从紫外到红外的较宽光谱范围，另外有X光等特殊摄像机环境要求对环境温度、湿度的适应性差，另外有许多场合对人有损害对环境适应性强，另外可加防护装置观测精度精度低，无法量化精度高，可到微米级，易量化其它主观性，受心理影响，易疲劳客观性，可连续工作

3 机器视觉系统的构成

一般来说，机器视觉系统包括了照明系统、镜头、摄像系统和图像处理系统。

图1 定位锁紧端子自动装配机视觉系统构成示意图

3.1 照明光源

每一个生产区的环境照明条件都互不相同，这会使工件的表面特征表现出相当大的差异。几乎每个机器视觉解决方案都需要某种特定的打光方式，才能使它达到最佳的性能。由于摄像效果与光线有很大关系，光源的稳定性也就影响了机器视觉的稳定性。可以说，选择好了光源，机器视觉系统就成功了60%。

3.1.1 常见光源形式及作用

表面光环状光源，能全方位实现均匀柔和的照明;

轮廓光背光源，能使工件和背景的对比度最大化;

漫反射照明光源，提供全角度照明，使对工件表面的不平整处能够清晰成像

3.1.2 照明光源主要性能要求

寿命长，稳定性好。光源的半衰期要长，且在半衰期内，光谱稳定，亮度衰减小。

响应速度快，信噪比高，抗干扰能力强。外形尺寸适中，便于安装。

3.1.3 定位锁紧端子自动装配机光源的选择

光源的选择需要依据被测产品而定，亮度要可调。太暗则照不出产品形状，太亮则反光，影响摄像效果。在必要时，为了到达较好的效果，还可以采用一些光学器件来改变光源的特性。如采用漫射片来柔化光的分布，提高均匀性;采用滤光片来过滤修正光源的光谱属性;利用反射器来改变光的角度等。

定位锁紧端子自动装配机所装配的塑胶零件主要分为两种颜色，在具体应用时，需要精确判别塑胶件的孔位。因此，光源的选择要求能针对不同颜色的塑胶件拍摄出对比度分明的黑白图像。因塑胶件颜色不同，同样的光源打上去后反光率会稍有差别。

图2 塑胶件孔位拍摄效果图

为此，经过多次试验，最终选择了白光低角度光源。在装配时，针对不同的塑胶所需要的亮度有所差别。切换产品时，为使亮度调节更准确，通过在PLC上增加模拟量输入模块，通过内部程序，对光源亮度也做了相应自动调节。

3.2 镜头

镜头的好坏，对成像的质量起着至为关键的作用，如下表所示:

图像质量的参数影响图像质量的因素分辨力，指能分清楚物体的能力，单位LP/mm 镜头摄像机图像采集卡显示器对比度镜头照明光源摄像机景深，指镜头当物体在对焦清晰范围内，维持一定品质的能力镜头失真，也叫畸变镜头投影误差镜头

3.2.1 镜头的光学几何关系

图3 镜头的成像原理示意图

根据镜头成像原理图，选择镜头时，就要综合考虑镜头距离被测零件的距离是多少、镜头的拍摄范围多大、放大率为多少等。而对于镜头参数而言，主要为景深、变倍比例、视野等。另外，还有一个关键因素:畸变。

3.2.2 镜头的分类

通常，镜头主要分为以下几种:标准镜头、远心镜头、广角镜头、近摄/远摄镜头等。使用时，要根据相机接口、物距、拍摄范围、CCD尺寸、畸变允许的范围、放大率、焦距、光圈等综合考虑。

3.2.3 影像测量误差的产生

在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差;即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样也会产生测量误差;常见的测量误差表现形式为:

a)物体距离变化引起比例尺改变;

b)投影误差;

c)畸变;

d)物体边缘测量误差等。

图4 相同截面不同高度零件非远心镜头误差

图5 远心镜头拍摄效果改善

由图4和图5可以看出，同样截面积高度不同的零件，在镜头下方所处的区域不一样。采用普通镜头时，导致成像的面积与实际大小会有一定差别。而采用远心镜头则可以极大地改善这一状况。

图6 普通镜头投影误差的产生示意图

图7 远心镜头对投影误差的改善效果示意图

由图6和图7可以看出，四个相同的零件，在镜头下方所处的区域不一样，采用普通镜头时，导致成像后产生一定的投影误差。而采用远心镜头则可以极大地改善这一状况。

图8 普通镜头成像的畸变

3.2.4 镜头产生误差的机理对比

图9 镜头产生误差的机理对比图A

3.2.5 镜头产生误差的原因和远心镜头对成像效果的改善

图10 镜头产生误差的机理对比图B

在使用过程中，被测产品的零件高度有一定的差异。此时，产生测量误差的机理如下图所示:普通镜头f=12 mm，相机CCD为1/3〃，观察距离s=200 mm，高为H=20 mm的物体。如果物体由原位置移动了s=1mm，则高度测量值的变化为DH=(ds/s)·H=(1/200) ·20 mm=0.1 mm。

而对于较好的远心镜头，其远心斜率为0.1°(1.7 mrad)左右。这就意味着，在与前面物体同样移动1 mm的情况下，测量值只变化了0.0017 mm，如下图所示。

图11 远心镜头在检测距离变化时误差产生机理

3.2.5 定位锁紧端子自动装配机镜头的选择

在定位锁紧端子自动装配机研制初期，就对其提出了较高的通用性。要求同一台自动机可以适用于多种定位锁紧端子和相应塑胶件。

在设备调试初期，由于选用了非远心镜头，所拍摄图像产生了类似图5的投影误差。针对不同长宽范围的塑胶件，均需要通过程序来补偿，调试工作量巨大且效果不太好。最终选用了视野能够包括40×40mm范围的远心镜头。针对不同高度的塑胶件，光源和相机镜头组件通过马达高低可调，这样就保证不同高度的塑胶件所处焦距一致，从而保证了塑胶件表面孔位影像的图像精度。

虽然该设备采用了远心镜头，远心镜头没有视差畸变，是尺寸测量的理想镜头，可以在工作距离变化的条件下精密测量。但是，远心镜头的口径至少要与需要观察的物体尺寸相等或更大，所以远心镜头非常贵。对于定位锁紧端子自动装配设备而言，采用远心镜头后为设备的通用性和调试过程中程序的简便性、设备运行稳定性均带来了莫大的益处。

3.3 机器视觉系统图像的采集

图像采集主要工作过程如下:

工件定位检测器探测到物体已经运动至接近摄像系统的视野中心，向图像采集部分发送触发脉冲。

图像采集部分按照事先设定的程序和延时，分别向摄像机和照明系统发出启动脉冲。

摄像机停止目前的扫描，重新开始新的一帧扫描，或者摄像机在启动脉冲来到之前处于等待状态，启动脉冲到来后启动一帧扫描。

摄像机开始新的一帧扫描之前打开曝光机构，曝光时间可以事先设定。

另一个启动脉冲打开灯光照明，灯光的开启时间应该与摄像机的曝光时间匹配。

摄像机曝光后，正式开始一帧图像的扫描和输出。

3.4 机器视觉系统图像的处理

就定位锁紧端子自动装配机而言，要想使采集到的图像能够用于转换为孔位的中心坐标，则必须对图像经行高精度的预处理并对机器视觉系统进行标定，让像素值转换为物理单位mm。

3.4.1 图像的预处理

图像预处理的目的:改变原始图像，以加强期望的特征，并消减不期望的特征。这样的处理可以最优化图像以便于后续处理，还可以明显改善整个系统的准确度。

预处理的工作内容主要包括:增强工件和背景的对比度;屏蔽不重要的或可能造成混淆的图像特征;消除工件表面的高亮反射点;平滑粗糙的表面纹理。

3.4.2 机器视觉系统坐标的标定

图像进行预处理后，则需要将像素单位转换为物理单位。相机坐标系是工业相机自身特定的坐标系统。定位锁紧端子自动装配机所使用的为百万像素的相机。它是笛卡尔直角坐标系，横轴为X轴，纵轴为Y轴。相机照片上的任何一个点即为一个像素。它能用X、Y两个坐标表示出其在相机坐标系中的位置。这样，根据拍摄到的塑胶件上每个孔位像素值的多少，以及每个像素方格对应的物理单位数值，通过处理软件，就可以确定其面积和每个孔位中心像素坐标。这样就完成了机器视觉系统的标定。将孔位坐标输出后，机器视觉系统的工作就完成了。

4 机器视觉系统与机器运动机构的联机

机器视觉系统输出相机中的图像坐标信息后，还需要将机器视觉系统与机器运动机构进行联机，才能实现定位锁紧端子与塑胶件相应孔位的自动装配。

4.1 机器视觉系统与机械运动机构坐标系的匹配

4.1.1 电机坐标系和电机单位

电机坐标系是设备上用伺服电机驱动的电缸搭建起来的一个笛卡尔直角坐标系。它的坐标零点由传感器和伺服电机内部的Z向脉冲共同确定。一旦设备安装调试完成。电机坐标系也就不再改变。

在定位锁紧端子自动装配机中，X、Y两个方向的运动是靠两个电机带动丝杠组件完成的。通过计算电机电子齿轮的脉冲和丝杆螺距的对应关系，即可完成PLC发出的脉冲数和X、Y轴运动距离对应关系的建立。这样，由电机驱动的X、Y轴坐标系就建成了。

4.1.2 机器视觉系统和机械结构X、Y坐标系组成的系统坐标系的建立

相机的X、Y坐标系和机械结构X、Y坐标系是相互独立的。为了将两者联系起来，首先需要找一个带中心孔的标准治具，在相机下拍照，通过图像处理后计算出其在相机坐标系中的中心坐标位置。在机械结构XY坐标系统中，用一个与标准治具中心孔相配的轴，插入标准治具的孔内，然后将两者坐标进行对比匹配，建立系统坐标系的工作就完成了。