基于机器视觉的液压阀钢珠压装技术研究

宋佳琪，张宇蒙，胡梦倩，徐志鹏，周乔君

（中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州，310018）

0 引言

液压阀常应用于工程机械中，如水泥泵车、臂架式掘进机、高空作业车、船舶起重设备、消防车等等[1]。液压阀在生产的过程中需加工一些便于内部换向的工艺孔，而这些工艺孔在加工完成后需要采用钢珠压装的模式进行封堵[2]，以保证液压阀的密封性。由于这些工艺孔分布在液压阀的不同表面，且不同的压装面上的工艺孔分布个数和位置不尽相同[3]。在传统的液压阀钢珠压装过程中，需要人工进行翻面、工装匹配、钢珠放入、压装等一系列繁琐的工作，存在速度慢、效率低、安全隐患大等问题。

图1 液压阀示意图

采用基于机器视觉的液压阀钢珠压装技术可以解决液压阀压装面型的识别及工艺孔位的定位问题，并对钢珠的压装效果进行检测，实现了液压阀的自动化压装，有效节约了时间，提高了生产效率，减少材料的报废率，提高了安全性。同时，也可以适应更多不同种类液压阀的压装需求，凸显出更大的灵活性和应对复杂加工环境的能力。

图2 设备示意图

1 视觉系统选型

工业机器视觉系统，往往由工业光源，工业相机和工业镜头组成。对光源的要求主要为：减少光线对图像的影响，突出图像细节信息。视觉系统中工业相机和工业镜头的品质直接影响采集图像的质量，因此要清楚系统对相机分辨率、图像传输速率等功能的要求，同时还要考虑可行性和经济性，综合考量下选择合适的工业相机和工业镜头[4]。

1.1 工业光源的选型

工业光源的选择主要从光源的颜色、亮度、打光方式进行综合考量。在打光中，要降低背景的干扰，突出目标物特征，选择与待测物体相近的光源颜色，使图像检测区域显示效果明显。在合理范围内提高光照强度，可降低对相机曝光时长的要求。最后根据实际情况选择合适的打光方式，待测物体为方形，选择条形光较为合适。

在本技术中对光源的要求为：首先，能覆盖整个待测物体；其次尽可能体现获取到的物体图片的特征信息。综上所述，在考虑可行性和经济性后，选择康视达公司的工业光源，型号为CST-ROS154-W，光源颜色为白色，功率为26w，打光方式为条形光。

1.2 工业相机的选型

本技术需要对液压阀压装面上的工艺孔进行识别与定位，对相机的分辨率要求较高；同时，基于机器视觉的目标识别与定位系统是个实时系统，因此对于相机的图像传输速率也有一定要求。

综上所述，再综合考量经济性和可行性，选取海康威视CMOS工业面阵相机，型号为MV-CA050-10GM，分辨率为500万像素，帧率为23.5fps，灵敏度高，成本低，使用感光区域单元的扫描传感器，每次能采集若干行的图像，并以帧传输的方式进行输出。

1.3 工业镜头的选型

在视觉系统中，工业镜头的质量直接影响图像的品质，在选择镜头时，要考虑镜头本身的性能，重点考虑镜头的参数能否满足视觉系统的需求，同时需要选择与工业相机接口尺寸相匹配的镜头。结合经济性和可行性综合考量，为系统选择合适的工业镜头。

综合上述要求，选取海康威视公司的工业镜头，型号为MVL-MF1220M-5MP，焦距为12mm，分辨率为500万像素。

2 液压阀定位方法

液压阀在被机器人抓取之前安置于物料小车上；小车上存在定位销，可将液压阀限制于特定区域内；由于定位销组成的区域略大于液压阀的尺寸，液压阀在此区域仍能进行一定的移动，此设计有利于操作员进行摆放，但在实际操作中不免出现摆放偏移的情况；为了保证机器人抓取液压阀到工作台的准确性，需结合机器视觉对液压阀位置进行准确定位。

2.1 液压阀坐标转换

在实际操作中液压阀在摆放时难免发生偏移的情况；为了保证机器人抓取液压阀及翻面摆放时的准确性，需根据视觉处理系统的测量结果对机器人的运动轨迹进行修正，要将相机坐标系和机器人坐标系进行关联。在图像处理系统中对图像进行N点标定。在标定后进行转换和角度读取，再对液压阀的空间坐标进行计算。

本技术的坐标定位方法主要通过拍照时相机的X,Y坐标，机器人进行标准抓取动作获取的X,Y坐标，液压阀进行居中标准摆放获得的X,Y坐标，共三组坐标进行关联处理得到液压阀的空间坐标。

3 液压阀压装面型判断

在实际生产过程中不同液压阀需要压装的面数不同，需压装的工艺孔个数和分布也不尽相同，致使压装面类型呈现多样性，所以在传统压装时，工人往往要花费大量的时间去判断面型并手动填入钢珠最后选择相应的模具进行压装。为此，对液压阀压装面型的判断是实现自动压装的关键技术之一。

3.1 液压阀压装面型特征模板创建

要对压装面型进行判断，需先在图像处理系统中制作并存储所需判断的面型的模板，对于压装面型，最大的特征为需压装的孔位的个数及分布的不同，根据此特征进行匹配模板制作。

在图像处理系统中选择快速特征匹配模块，在特征模板中选定所需压装的孔位，创建相对应的模板。

图3 对A压装面Φ3mm钢珠压装孔的特征提取和模板制作

3.2 液压阀面型匹配

在快速特征匹配的基本参数中选择图像增强后的相机图像作为输入源，因压装面所需压装孔位有多有少，需对特征模块由需压装的工艺孔数量从多至少进行排序。

图像程序运行时，系统会对排前的模板优先进行匹配，若匹配度超过80%则视为匹配成功。

4 液压阀钢珠压装效果检测

由于存在外部因素的干扰，导致钢珠并不是每次都能以百分之百的准确率填入压装孔。在传统的压装工艺中，需要工人用肉眼去检验是否存在漏装、错装现象，效率不高同时还存在漏检、错检的可能，采用机器视觉检测钢珠填充效果，可以提高液压阀压装的准确性保证生产效率和质量，降低报废率。

先对压装孔填入钢珠与未填入钢珠的图像进行分析。

如图4，左侧为填入钢珠的成像，右侧为未填入钢珠的成像，左右两侧图像最大的区别在于左侧图像呈现了一个清晰的黑色环状，以这个黑色环状作为匹配模板可对待压装面钢珠填充结果进行检测。

图4 填入钢珠与未填入钢珠的压装孔的成像区别

以图3A1匹配模板为例，A1模板中有4个压装孔需填入钢珠，且每个工艺孔的坐标位置唯一不重合，所以在图像处理程序中将A1模板中4个已填入钢珠的工艺孔的像素坐标存储并作为标准压装孔像素坐标。当进行检测时，依次将所有匹配结果坐标和相对应的标准坐标匹配，若至少有一个匹配结果坐标匹配成功并且像素坐标在标准坐标的容许区间内，则视为该工艺孔填入钢珠。

如果视觉系统识别出钢珠未压装成功的情况，系统会向PLC发送数据，并由PLC根据检测结果，进行补放操作。

5 结论

本文以机器视觉在液压阀压装上应用为例，详细的介绍了视觉系统的选型搭建、液压阀的坐标定位、图像特征提取及模板匹配检测等关键技术，实现了液压阀的自动化压装，提高了液压阀的生产效率，保证了产品的质量[5]。最终实现钢珠自动填入动作，填入钢珠准确率达到99.5%以上，将单个液压阀的钢珠压装耗时控制在4min左右的目标。