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    視覺系統在工業自動化上的應用

    作者:彭惠平來源:《企業科技與發展》日期:2019-04-04人氣:2189

    “中國制造2025”中明確要大力發展機器人產業,其全球產值預期可達4.5萬億美元,其中三分之一可以在工業和服務領域使用智能機器人承擔7500萬個全職工人的工作,但是工業機器人自從誕生以來,就一直在按照工程師編寫的既定程序軌跡重復精確的執行預定的工作,稍有偏差,機器人就報錯怠工,未來的工業智能機器人需要更多的人機交互智能感知的功能,尤其迫切的需要給機器人裝上“眼睛”,視覺系統的應用也越來越廣。

    1  視覺系統的構成

    視覺系統就是用機器代替人眼來做測量和判斷,通過將目標進行攝像拍照獲取圖像信號,傳送給圖像處理系統,轉換為數字化信號,圖像處理系統根據數字化信號進行運算獲取目標的特征,根據邏輯判斷的結果來控制現場機器設備的動作,進行各種裝配或者檢測報警缺陷產品.

    視覺系統的主要構成,一般分為五大塊,照明/鏡頭/相機/圖像采集卡/視覺處理器,其中拍照攝像設備或圖像傳感器,視頻信號數字化設備,視頻信號處理器在應用上不斷推陳出新,技術上從2D到3D不斷進步.

    2  視覺系統的應用

    視覺系統的應用,從功能上分,主要是檢測,測量,定位,跟蹤,引導。在實際工廠應用上可以分為檢查防錯,測量分析,視覺跟蹤,引導抓取件,精確裝配等.

    要實現視覺系統工裝,要明確兩個定義,并在系統中構建測量和定位的設備。

    (1)測量:針對特征點而言,測量結果為特征點在測量坐標系下的坐標(x, y, z); 

    在實際應用中,測量包含2D測量(只測量特征點的x,y坐標)和3D測量(測量特征點的x,y,z坐標),

    通過拍照獲取目標物體特征點的坐標值,在坐標系上確認。

    (2)定位:針對目標物體而言,定位結果為目標物體相對于參考坐標系的姿態(x, y, z, Ra, Rb, Rc);定位包含2D定位(定位目標物體在參考坐標系x,y方向上的移動和繞z方向的旋轉),2.5D定位(定位目標物體在參考坐標系x,y,z方向上的移動和繞z方向的旋轉),3D定位(定位目標物體在參考坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉)。

    工位上的目標物體的姿態定位是基于物體上特征點的坐標測量結果計算得到的,表1分別描述了測量定位的方法和使用設備及應用場景。

    單相機單視角測量   

    2.5D定位   功能: 基于輪廓識別與輪廓匹配識別零件在相機坐標系x,y,z方向上的移動量和繞z方向的旋轉; 

    原理: 單目2D測量; 

    堆垛,傳送帶取件 

    單相機單視角測量          3D定位   功能: 基于特征識別并結合特征之間位置關系,識別零件在相機坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉; 

    前地板/后地板引導取件。 

    多相機多視角測量        3D定位   功能: 基于特征識別并結合特征之間位置關系,識別零件在相機坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉; 

    原理: 多相機關系標定+單目3D姿態測量; 

    四門取件,側圍外板引導取件。 

    結構光測量  3D定位   功能: 基于多個基準特征的3D測量結果,識別零件在參考坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉; 

    原理: 結構光3D測量+321定位原理; 

    頂蓋自動安裝,四門自動安裝。 

    雙目測量    3D定位   功能:基于多個基準特征的3D測量結果,識別零件在參考坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉; 

    原理: 雙目3D測量+321定位原理; 

    滾邊引導。 

    表1  目標物體姿態定位 

    基于工業自動化生產線,目前能快速應用的主要是視覺引導裝配和視覺防錯測量的,本文主要著重于視覺引導裝配應用的研究。

    3  視覺裝配引導的應用 

    視覺引導上件概念:視覺引導上件技術結合了視覺檢測技術和工業機器人運動學原理,為機器人安裝“眼睛”,突破機器人只能單純地重復示教軌跡的限制,使其能根據被操作工件的位置變化實時調整其工作軌跡,準確抓取工件,直接提升整個車身制造過程的自動化效率。

    目前絕大部分國內汽車廠上料主要采用人工上件,合資汽車廠開始嘗試大量采用視覺引導上件,提高自動化程度,減少人工的使用。

    人工上件過程1:人工上件到轉臺工裝,夾具夾緊后轉臺轉180°將四門內板轉至機器人側進行焊接。

    人工上件過程2:人工上件到固定精定位工裝上,然后機器人在工裝上抓件

    以上人工上件的工藝,始終需要有操作工人配合機器人,一件一件的給機器人提供物料,而采用視覺抓件后,操作工可以取消,物流人員直接將產品物料框放到工位指定位置,機器人直接可以直接取件,在物料框零件數量不足時,提醒更換新的滿件物料框.

    視覺引導系統,利用相機拍照,結合零件自身的三維信息,實現零件相對于初始狀態的6自由度(3方向位置及3方向旋轉角度)精確定位。3D引導,x, y, z位置偏移及角度偏轉;結構緊湊,傳感器體積小;移動式/固定式,安裝于機器人6軸或通過固定支架安裝,其主要應用模式分為兩種,其一是,拍照式視覺引導流程: 

    1.測距儀安裝在機器人抓手上,機器人與測距儀通過讀數模塊相連,實時讀取距離值。視覺引導系統與機器通過現場總線相連。 

    2.物料框引導取件流程: 

    3.機器人從等待位置運動至物料框前方某一固定位置; 

    4.機器人沿物料框放件方向直線運動(目標點設置在料箱最后一個零件后方),同時機器人實時讀取測距儀數值,即料箱中最前面零件的位置; 

    5.當機器人讀出距離值為1m(機器人程序設置)時,機器人運動速度降低至50%; 

    6.當機器人讀出距離值為0.8m(機器人程序設置)時,機器人運動速度降低至20%;

    7.當機器人讀出距離值為0.65m(機器人程序設置)時,機器人運動停止;

    8.視覺系統控制相機對零件拍照; 

    9.視覺系統計算零件偏差; 

    10.機器人根據計算結果修正取件軌跡; 

    11.機器人按修正后的軌跡進行取件。 

    技術特點:機器人通過模塊實時讀取測距儀數值,即可實時感知零件位置,又可控制機器人前進運動速度;簡化機器人程序。

     拍照式視覺引導簡單,但對于精密裝配要求不能滿足尺寸要求,需要更激光3D視覺系統解決。即實現零部件最佳匹配安裝視覺引導解決方案。

    利用3D激光傳感器測量零件特征,實時構建零件坐標系,精確定位待裝配零件及車身相對于初始狀態的6自由度偏差(3方向位置及3方向旋轉角度)。同時考慮被裝配件與車體的偏差,3D引導,x, y, z位置偏移及角度偏轉;移動式/固定式,安裝于機器人6軸或通過固定支架安裝

    激光測量式3D定位技術 

    利用多個(至少3個)激光傳感器測量零件特征3D坐標,根據特征測量結果構建零件坐標系,實現零件在參考坐標系下的3D定位(在參考坐標系x,y,z方向上的移動和旋轉)。

    ?利用激光傳感器測量至少3個基準特征的3D坐標,根據測量結果和3-2-1定位原則重建零件坐標系; 

    ?為實現機器人引導,需要對比實際零件坐標系和理論位置(示教位置),因此要求實際零件相對于示教零件的變形量盡可能小; 

    ?可實現零件的3D定位,允許零件x/y/z三方向±25mm位置偏差; 

    ?主要用于機器人四門兩蓋、頂蓋最佳匹配安裝。 

    ?車身頂蓋自動引導裝載系統中 

    ?目標姿態定位方法: 

    ?4點確定Z平面 

    ?4點的中點確定Y方向 

    ?2點的中點確定X位置

    車身頂蓋引導裝配測量流程: 

    (1)車身進入工位后,傳感器檢測車身位置及車頂開檔; 

    (2)抓手抓取頂蓋后,裝配前,傳感器檢測頂蓋位置狀態; 

    (3)根據測量結果計算出車頂需要糾正的偏差,實現精確裝載; 

    (4)放置后,傳感器檢測頂蓋和車身匹配狀態; 

    (5)如果位置偏差較大,需重新引導機器人二次精確裝載。 

    4  視覺裝配引導的應用心得 

    對比兩種視覺引導的技術特點,在表2中進行了詳細對比分析,方便在實際應用選擇.

    相機拍照式3D引導 激光測量式3D引導

    特征測量 2D測量,獲取每個特征的2D圖像坐標 3D測量,測量每個特征的3D坐標

    測量方法 相機拍照,特征匹配 激光三角法測量

    引導結果 3D引導,根據特征的2D圖像坐標和特征之間的相對位置關系,獲取零件在參考坐標系下的3D姿態 3D引導,根據特征的3D測量結果和3-2-1定位原則,獲取零件在參考坐標系下的姿態

    系統容差范圍 容差范圍大,x/y/z方向位置偏差可達0mm,角度偏差可達±5° 容差范圍相對更小,x/y/z方向位置偏差可達±25mm,角度偏差較小

    傳感器數量 最少1個,大型零件3個左右 最少3個,大型零件6個左右 

    傳感器特點 傳感器尺寸小(ISV傳感器光源一體式結構) 單個傳感器尺寸較大(工作距越大尺寸越大)

    傳感器景深大(傳感器景深500~1000mm) 傳感器景深小(景深通常150mm左右)

    測量特征 孔(圓孔/方孔/異型孔),角點 孔(圓孔/方孔/異型孔),棱邊,面點

    零件變形影響 3D定位利用了零件上特征之間的相對位置關系,因此要求零件變形盡可能小。 3D引導需要將實際零件的零件坐標系與理論零件(示教零件)進行對比,因此要求零件變形盡可能小。

    應用范圍 料箱自動上下件,EMS自動下件,,整車車身定位 四門兩蓋最佳匹配安裝,車頂自動裝載,沖孔引導,焊接引導,整車車身定位

    核心優勢 系統容差范圍大; 可以實現表面沒有孔特征零件的引導; 

    對于沖壓件定位精度高。 可以實現外覆蓋件最佳匹配安裝。

    表2  引導方式對比表

    在工廠實踐視覺引導應用以來,綜合考慮人工成本,設備生命周期成本等因素,采用視覺引導帶來的實際效益在門蓋工位就能實現三年節約70多萬元,值得在更多領域推廣使用,另外激光3D引導能夠更柔性的滿足裝配最佳匹配的要求,保證產品質量的穩定。隨著生產線更多元化的要求,視覺系統技術應用將越來越廣越來越深入。



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