基于机器视觉的机械零件尺寸测量与组装系统设计

1. 引言

1.1 背景

1.1.1 工业生产中的测量需求

• 在工业生产中，测量是进行质量管理的手段，是贯彻质量标准的技术保证。
• 机械零件的尺寸检测作为产品加工的一个关键环节，其检测结果不仅影响产品的质量，而且对后续零件的再加工和装配产生决定性的作用。
• 常规的零件尺寸测量手段主要采用游标卡尺、激光测量仪和轮廓仪等完成检测环节。这些方法要么受测量工具限制，其测量精度有限；要么检测仪器过于昂贵且操作复杂，同时其准确率往往受人为因素的影响。

1.1.2 机器视觉技术的应用

• 随着机器视觉技术的发展，它已成为工业生产中测量和检测的重要工具。
• 机器视觉技术可以获取工件的图像数据，利用图像处理对工件尺寸进行测量及对测量的数据进行处理，从而实现尺寸的精准测量。
• 通过测得的数据判定和分析零件的合格性，将所得的数据与实际尺寸进行对比，对误差进行分析并判断是否合格进行进行组装，提高了检测精度，检测系统的准确性与可靠性也得到了保障。

1.2 研究目的和意义

• 本文提出了一种运用机器视觉系统实现对机械零件尺寸测量及组装的方法。
• 该方法不仅可以提高测量精度，而且可以提高检测系统的准确性与可靠性。
• 该研究对于提高工业生产的自动化程度和效率具有重要意义。

2. 项目要求

2.1 机械零件平面尺寸综合测量任务

2.1.1 硬件选型及安装

• 完成相机、镜头和光源的选型以及相关参数的设置，并将相机、镜头、光源和治具等安装在合理的位置。
• 要求单个视野能满足覆盖一个机械零件的规格尺寸，并能清晰的识别二维码并辨别小圆颗粒的颜色。
• 根据测量精度最高的原则，要求工作距离为350mm-380mm。

2.1.2 机械零件平面尺寸测量

• 完成2D手眼标定，完成图像坐标系与世界坐标系的标定。
• 完成4个小圆颗粒随机摆放于料盘孔中，通过示教小圆颗粒的拍照位，定位4个小圆颗粒的位置、角度信息并识别各个小圆颗粒的颜色。
• 完成4个机械零件随机摆放于料盘工位中，通过示教机械零件拍照位，完成4个机械零件的尺寸测量。
• 尺寸测量的内容包括每个机械零件的大圆直径、角度、线间距、点到线距离、圆心距。

2.2 机械零件合格判定与组装任务

2.2.1 机械零件合格判定

• 在四个机械零件测量相同的拍照位置，拍照识别机械零件上表面的二维码，二维码的内容包含各类测量尺寸的标准数值。
• 每个机械零件测量得到的数据，与该机械零件表面的二维码识别的标准值并结合允许的公差进行数据比较，判断机械零件的尺寸是否合格。
• 所有尺寸数据合格即判定该机械零件为“OK”，相反只要有一个数据不合格就判定该机械零件为“NG”。

2.2.2 机械零件组装

• 机械零件合格判定完成后需通过吸嘴将测量结果为“OK”合格的机械零件大圆孔中组装绿色小圆颗粒。
• 测量结果为“NG”不合格的机械零件大圆孔中组装红色小圆颗粒。

2.3 测量数据处理、保存与显示任务

2.3.1 测量数据处理与保存

• 通过视觉软件分别计算4个机械零件的“大圆直径”的平均值和方差、“大圆-小圆圆心距”的平均值和方差、“半圆圆心距”的平均值和方差、“点线距”的平均值和方差、“线间距”的平均值和方差、“线夹角”的平均值和方差。
• 计算完成后需将这12个平均值和方差数据按要求保存。

2.3.2 测量数据显示

• 测量数据分为4个窗口显示，每个窗口显示对应工位机械零件的测量数据与图像。
• 要求显示所有测量项的轮廓、距离、标记线以及相关测量数据，同时要求以文本的格式显示二维码识别结果及上述6个测量数据。
• 每个窗口要求显示各工位机械零件的最终判定结果，要求机械零件判定合格时需以绿色的文本显示“OK”，判定不合格时需以红色的文本显示“NG”。

3. 项目实施

3.1 相机选型

• 根据项目的要求，选择型号为MV-G2592C彩色2D相机。
• MV-G2592C彩色2D相机的相关参数如表2-1所示。

3.2 工业镜头计算与选型

3.2.1 像长的计算

• 根据MV-G2592C彩色2D相机的像元尺寸和像素，计算得到MV-G2592C彩色2D相机内部芯片的像长。

3.2.2 焦距的计算

• 根据项目的要求，计算得出长边焦距f等于31.4 mm，短边焦距f等于35.36mm。
• 选择型号为HN-P-3528-6M-C2/3焦距为35mm的镜头。

3.2.3 工业镜头的选型

• 根据公式计算得出长边焦距f等于31.4 mm，短边焦距f等于35.36mm。
• 考虑到实际误差、工业镜头±5%的焦距微调区间，并结合设备所提供的3种镜头，选择型号为HN-P-3528-6M-C2/3焦距为35mm的镜头。

3.3 光源选型

• 根据任务的要求，需测量并识别4块机械零件的圆直径、圆心距、线间距、点线距、线夹角和二维码，为提高识别、测量的准确度和精度，需将外界环境的影响降至最低。
• 因此选择安装平行背光源和小号环形三色上光源，提供上下垂直的光照，使拍摄的图像更加清晰、精度更高。

3.4 视觉程序编写

3.4.1 XY标定工具组

• “XY标定”工具组用于实现对标定图形的拍摄、仿射矩阵的变换及像素坐标与世界坐标的转换功能。
• 按照操作的顺序需要依次用到“拍照位”、“开启光源”、“相机”、“关闭光源”、“标定板找圆”、“XY标定”等工具。

3.4.2 标定的偏移

• 2D手眼标定用于实现标定图形的拍摄、仿射矩阵的变换及像素坐标与世界坐标转换的功能。
• 对于本例的这种情况，需要利用单个视野的2D手眼标定并配合世界坐标的偏移来实现全料盘的运动控制。

3.4.3 N点标定工作组

• 根据上文所述，选择颗粒检测点1作为2D手眼标定的区域。
• 首先取下料盘并更换标定板A，并在“N点标定”工作组中按照操作的顺序依次添加相关工具。

3.4.4 测量组装模块

• “测量组装”模块与“XY标定”工具组、“N点标定”工具组并列位于初始流程中，且为开始模块。
• 该模块是用于完成4个工位机械零件的测量组装及数据处理工作。

3.4.5 测量组装模块——1号位测量与组装模块

• “1号位测量与组装模块”是“测量组装模块”中的开始模块，该模块按照流程共包括12个工具组。
• 该模块用于实现1号工位的机械零件平面尺寸的综合测量与组装。

3.4.6 1号工位拍照工具组

• “1号位测量与组装”模块中首先需对1号工位的零件执行拍照。

3.4.7 1号工位测量工具组

• 根据题目的要求，需识别工件上的二维码并测量工件的大圆直径、大小圆心距、半圆圆心距、尖点到直线的点线距、凹形短边到长边的线间距以及线夹角。
• 添加相关工具，并在该工具组中依次添加相关工具，用于实现1号工位的机械零件平面尺寸的综合测量与组装。

4. 结论

• 本文提出了一种运用机器视觉系统实现对机械零件尺寸测量及组装的方法。
• 该方法不仅可以提高测量精度，而且可以提高检测系统的准确性与可靠性。
• 该研究对于提高工业生产的自动化程度和效率具有重要意义。