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智能视觉检测与机器定位系统的设计与实现.pdf
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2022-11-27
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智能视觉检测与机器定位系统的设计与
实现
摘要:随着“中国制造 2025”与智能制造的概念提出,我国制造业开始从传
统的低端制造业向高端智能制造过度,智能制造是自动化、信息化、智能化的融
合。用于汽油活塞浇铸的盐芯自动识别与盐芯孔的定位技术是当前多品种活塞智
能自动化浇铸系统面临的一大难点。针对该问题设计基于机器视觉的盐芯抓取、
盐芯孔寻找、盐芯裂纹检测的系统,并根据盐芯与盐芯孔的分布特点设计了 2 组
相机分区检测方式,简化了机器人与伺服运动系统的设计。实际应用表明,该视
觉检测系统的重复性精度达到 0.03 mm,节拍在 22s 以内,满足工业现场的应用
需求。
关键词:机器视觉, 盐芯检测, 定位精度
0 引言
早年时候,对盐芯放置主要是采用人工放置的方法。但是,由于人工放置存
在的诸多缺点,现在主要采用单模放置的方法。单模放置是在机器人不加视觉的
基础上,采用对盐芯、盐芯孔硬限位的方式,通过机器人提前示教好位置,抓取
放置到模具上。近些年有些专家提出了基于图像的灰度形态学对物体的表面进行
检测,并基于机器视觉设计了能够自动检测物体的系统
[1]
。精度差的问题,采用
形态学操作对图像的灰度信息进行处理。本课题的主要研究内容是基于机器视觉
对盐芯的盐芯孔进行识别和表面缺陷检测,采用传统的视觉图像检测方法对盐芯
孔的位置进行精确测量,采用机器学习技术对盐芯的表面缺陷进行检测分类
[2]
。
由此主要完成以下部分工作:(1)调查视觉检测技术的国内外研究现状,了解
当前该项领域发展的现状,对比总结各项技术方法的优缺点,并提出自己的解决
方案,同时进行相关领域知识的学习和研究;(2)对盐芯自动取放进行需求分
析,根据实际需要和具体的应用场合,提出总体技术指标,分析整个系统中需要
用到的核心技术,根据所需实现的功能进行系统的总体方案设计,并进行视觉测
量实验平台的搭建和器材选型;(3)对盐芯测量的部分进行算法开发和代码实
现,完成对不同相机驱动的软件实现和集成,对采集到的盐芯图片进行相关处理,
对提取出的盐芯轮廓根据技术指标进行实时测量;(4)采用机器学习法对盐芯
的表面缺陷进行检测,由于样本数量较少, 需通过调研资料,选定几种适合小
数量样本的检测方法,并进行对比实验得出最佳的检测方案;(5)对实验结果
进行精度分析。
1 系统设计与实现
1.1 系统方案设计
系统的总体结构设计如图 1 所示,由盐芯上料柜、机器人机构、盐芯加热机构、视
觉检测系统及浇铸机组成。首先,盐芯在加热炉内达到目标温度被旋转至出口,机器人视觉
拍照识别盐芯位置同时进行盐芯完整度视觉检测后将位置数据传给机器人进行盐芯抓取,机
器人到达柜体视觉位置由柜体视觉拍照识别盐芯孔位置同时进行盐芯完整度视觉检测并将位
置信息传给伺服电机,由伺服电机将盐芯孔旋转到目标位置,再通过机器人将盐芯放于浇铸
机模具上,放置完盐芯再次进行盐芯完整度视觉检测,最后从盐芯上料柜抓取新的盐芯放入
加热炉内,整个过程中将不合格的产品筛选掉。
1、1#浇铸机 2、2#浇铸机 3、视觉柜体 4、盐芯加热炉 5、盐芯上料柜 6、
盐芯 NG 盒
图 1 系统总体设计布局图
1、伺服电机 2、相机 3、光源 4、夹爪 5、盐芯
图 2 机器视觉系统图
1、相机、光源
图 3 柜体视觉系统图
1.2 关键器件的选型与分析
根据方案设计和检测要求,现设计 2 个视觉检测系统的相机与镜头。根据每
个视觉检测系统的不同检测部位的测量范围来设计不同的相机和镜头,以最大程
度的在硬件方面满足方案的精度需求。对于盐芯位置信息测量部分,采用面阵相
机来进行图像采集,其测量原理如图 4 所示
[3]
。
图 4 面阵相机的光学测量原理
设盐芯孔测量的最大长度为检测精度为
D
,盐芯孔到相机光学系统的直线距
离为
L
,相机的焦距为
f
,像素数为
N
,则有关系式如公式 1 所示。
(1)
(1)视觉系统 1
该视觉系统用于检测盐芯直径,盐芯直径的指标要求为:
50.00±0.1
mm
,根据测量指标和精度要求,选定基恩士视觉,镜头为 16
mm
,
相机为 CV-X350+CA-H500M*2,如图 5 所示。
图 5 基恩士相机实物图
该镜头的光学分辨率为 5 ,选定其放大倍率为
K
= 0.155,工作距离 250
mm
。
。假定盐芯直径为
L
= 43
mm
,相机的分辨率为 2048x2048,像元尺寸为 = 7.4
那么可以计算盐芯在像面上的像素数
N
为式 3:
(3)
根据计算出的像素数
N
<2048,表明相机的分辨率符合要求,且可以计算相机
的像素分辨率 为式 4:
(4)
综合比较镜头的光学分辨率 5
的分辨率为 47.78
47.78 /5=9.56
和相机的像素分辨率 47.78 ,视觉系统 1
,再使用亚像素细分算法,细分 5 倍,可使分辨率达到
<12 满足精度需求。
(2)视觉系统 2
该视觉系统用于检测盐芯孔的位置与直径,盐芯孔直径指标要求为:
2
mm
±0.09
mm
,根据测量指标和精度要求,选定的镜头为基恩士的 CV-X470+CA-
H2100M,镜头 16
mm
。如图 6 所示:
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