使用In-Sight视觉系统引导机器人实现活塞的定位抓取

　　山东滨州渤海活塞股份有限公司（以下简称渤海活塞）是国内活塞行业的领军企业，渤海活塞的主导产品为Φ30mm~Φ350mm的高性能活塞，品种达1000多个、年产能力3000万件，是国内唯一一家能够全面生产各种汽车、船舶、工程等动力机械用活塞的专业化企业。

　　企业的所有生产线设备均采用了国内外先进技术，实现了自动上下料、自动料道连接，其中自动化上下料就应用了视觉技术来实现定位引导和检测。

　　过去，渤海活塞的生产都是采用单工位机床进行人工操作生产，自动化水平很低，且生产效率很慢。“之后，虽然使用了贯穿多个加工机床的料道，但还是无法实现自动上下料，占用人力比较多。”渤海活塞的生产主管介绍说，“于是我们决定进行技改，提升自动化生产水平。我们把整个自动化上下料线包给了一家料道设备厂家，对于其中的视觉设备，这个厂家向我们推荐了康耐视公司的In-Sight视觉系统。”

　　但是，在生产现场由于活塞生产检测有其特殊之处，应用视觉系统存在诸多挑战。比如，生产线上的工件为活塞毛坯件，活塞中间区域有一类似“骨节”凹槽，两边区域呈对称状态，外观很接近，视觉一方面要获取活塞的中心点坐标（X、Y），另一方面还要获取工件的角度（0°-360°）。

　　“这里最大的挑战就是由于活塞为毛坯件，工件与工件之间存在差异，毛坯面的反光也会不一样，有些反光比较强，有些稍弱，要准确获取特征还是挺难的，而且还要准确区分出工件是0°位置还是180°位置。”渤海活塞的生产主管表示，“此外，活塞在料道上是面部朝下放置，由于活塞是毛坯件，活塞面不是很平，中间会高出2mm左右的毛坯，之后要削掉，正因为活塞面不平，所以相机拍照时，工件会存在倾斜的情况。”

　　另外的挑战就是，“上料区域较宽，相机取像视野相对大，因此要捕捉‘骨节’两侧较细小的特征点来反馈0°-360°角度。”他接着指出，“工件种类有多种，外观、大小都有差异，‘骨节’凹槽深度在40mm左右，一方面要凸显骨节特征，另一方面还要照顾到凸台小特征，光源比较苛刻。”

　　面临这些检测难题，康耐视的In-Sight视觉系统以其强大的技术性能打消了渤海活塞生产主管的担忧。“生产验证时，工件来料随意，有些工件有时会有适当倾斜，相机依然可以准确检测出活塞的中心位置及角度，从而引导机器人完成正确抓取。”渤海活塞的生产主管惊讶地表示。

　　同时，事实证明，康耐视强大的PatMax工具可以轻松应对活塞的“骨节”特征查找，即使活塞毛坯面反光有一定的差异，有倾斜发生，PatMax工具依然可以准确定位；再加上In-Sight视觉软件强大的图像预处理算法及计算处理能力，可以按照“骨节”凹槽的初定位（获取X值、Y值），之后在凹槽的两侧，判别小凸台的位置，即凸台在凹槽左边还是右边来判别0°角度和180°角度。这样，就可以准确地反映工件的中心坐标及角度。

　　对于“骨节”凹槽有40mm左右的深度，既要凸显凹槽特征，又要照顾凸台表面特征，所以技术工程师就选用了一个较大的高亮度大颗粒环光，中间空洞很大。这样，料道上全部的活塞凹槽都可以看到，而且视野边缘处几乎没有什么影响。

　　此外，在测试的时候，In-Sight视觉系统是与某个品牌的PLC，通过编写VC自定义代码，实现两者之间的通讯功能。“PLC有时需要发送两次触发指令，相机的检测数据才会反馈到PLC，而有时一次就行，比较诡异。”渤海活塞的电气工程师说道，“后来，料道设备厂家就换用施耐德PLC，改成Modbus TCP通讯。至此，就解决了相机与PLC之间的通讯问题。”

　　这样，渤海活塞的生产主管看到，活塞加工线在应用康耐视In-Sight视觉系统之后，“从视觉引导自动上料，到后面的各个机床加工，通过料道加6轴机器人，提升了产品质量，产能得到快速提升。”他高兴的表示，“实现了相机与PLC的直接通讯，保证了机器人抓取位置真实有效，避免抓取失败。对于我们经常生产的几种型号的活塞，相机事先编辑好程序后，PLC就可以自动控制相机程序的切换。”

　　结合项目验证和测试时的经验，技术工程师们共同努力优化了视觉引导检测流程和机器人抓取流程，两者流程如下。

　　视觉引导检测流程：料道光电感应拍照区域无工件时，PLC控制料道向前运动，直至光电感应拍照区域有工件存在时，料道停止运动；PLC提供相机触发信号，相机拍照检测；先使用Find PatMax工具获取“骨节”凹槽特征，计算出活塞的中心坐标，之后以“骨节”为定位，检测两侧的小凸台，判别小凸台在凹槽的左侧还是右侧，继而判别活塞是0°还是180°位置；期间会使用多种图像处理工具及逻辑判别；检测结束后，相机把X、Y、Angle值通过Modbus TCP通讯发送给PLC，继而控制机器人抓取。

　　机器人抓取流程：PLC接收相机发送的X、Y、Angle值后，控制机器人调整相应姿态，抓取工件；放置工件到料道旁圆环形工装台上；之后机器人调整另一个抓手抓取并放置到运动的机床加工料道上，返回机器人等待位，触发相机拍照；视野内若无工件，料道向前运动一段距离停止，相机再进行拍照，机器人再次抓取，之后周期循环。

　　现在，自从渤海活塞采用康耐视In-Sight视觉系统后，整条活塞加工线实现了无人化生产，大大提高了生产效率，生产合格率可达99.8%以上。“对于活塞毛坯面差异较大的工件，In-Sight视觉系统也能提示机器人抓取并放置到废料盒中，”渤海活塞的生产主管最后总结说，“对于后面的活塞打码及后续几条自动上下料线，我们也会考虑增加视觉技术来进行检测。”

　　相机固定安装，满足较大视野，引导机器人抓取得分最高工件，之后再拍照进行抓取。

　　机器人抓取后放置固定工装台，切换另一个抓手抓取工件倒置工件180°（凹槽朝下）放置机床料道上。

　　Insight软件程序界面-自定义视图，按客户要求，显示主要检测数据。