應(yīng)用In-Sight 8405智能相機(jī)實(shí)現(xiàn)3D空間的定位抓取

寧波海天集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱海天集團(tuán))是中國目前最大的注塑機(jī)生產(chǎn)基地。海天集團(tuán)年產(chǎn)注塑機(jī)3萬余臺(tái)，其中很多零部件都是公司內(nèi)部加工，加工的自動(dòng)化、高柔性成為海天集團(tuán)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的重要一環(huán)。

海天集團(tuán)十一分廠主要完成連桿的機(jī)加工工作，“塑機(jī)種類繁多，本項(xiàng)目中的兩臺(tái)機(jī)床加工的連桿規(guī)格有五十余種，尋找一個(gè)全部通用的上料機(jī)構(gòu)非常困難，絕無可能。”海天集團(tuán)的生產(chǎn)工程師指出，“為了實(shí)現(xiàn)快速換型加工，機(jī)器人如何自動(dòng)上料是個(gè)難點(diǎn)，在這個(gè)問題上公司花費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，但是結(jié)果卻事倍功半。”

2012年，康耐視在蘇州舉行了一次產(chǎn)品推介會(huì)，海天集團(tuán)的生產(chǎn)工程師正好參會(huì)，了解到康耐視是全球視覺行業(yè)的領(lǐng)先者。

“后來正好有這個(gè)項(xiàng)目需求，自然就想到了康耐視，他們向我們推薦了一直以來有合作的金測(cè)公司。”海天集團(tuán)的生產(chǎn)工程師介紹說，“金測(cè)公司專門為該項(xiàng)目做了大量的測(cè)試和調(diào)研，最終確定使用康耐視強(qiáng)大的高精度定位算法PatMax視覺工具幫我們解決棘手難題。”

“因?yàn)檫B桿規(guī)格很多，康耐視直接帶來相機(jī)對(duì)不同款的產(chǎn)品，進(jìn)行了很多實(shí)際測(cè)試，直接將結(jié)果體現(xiàn)出來，最后發(fā)現(xiàn)效果很好。”海天集團(tuán)的生產(chǎn)工程師指出，“我們同時(shí)也找了其他機(jī)器視覺公司進(jìn)行測(cè)試比較，他們也采用了幾何圖案匹配的概念。但是詮釋概念的方式各有不同，所以最終的性能特點(diǎn)差別很大，不能很好的適應(yīng)海天集團(tuán)的工況。”

最終，在綜合考量相機(jī)的處理量、準(zhǔn)確度、速度和圖案對(duì)準(zhǔn)等各方面的指標(biāo)，海天集團(tuán)選用了康耐視In-Sight 8405系列智能相機(jī)，其特有的PatMax成為這個(gè)自動(dòng)化項(xiàng)目中的關(guān)鍵利器。

使用圖案匹配技術(shù)是決定機(jī)器視覺產(chǎn)品應(yīng)用成功與否的關(guān)鍵。在線檢測(cè)時(shí)，需要在相機(jī)的視野范圍內(nèi)搜索模板圖案即圖案匹配。圖案匹配有時(shí)會(huì)非常困難，因?yàn)橛性S多的因素會(huì)影響物體在視覺系統(tǒng)中的顯示方式。

傳統(tǒng)的圖案匹配技術(shù)通常以正規(guī)化相關(guān)性的像素網(wǎng)格分析流程為基礎(chǔ)。這種方法尋找某物體的灰度級(jí)別(或基準(zhǔn)圖像)與圖像各部分之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)相似性，然后確定物體的X/Y位置。這種方法盡管在某些情況下非常有效，但當(dāng)生產(chǎn)線的外界環(huán)境經(jīng)常有明暗、產(chǎn)品角度、尺寸和外形發(fā)生變化時(shí)，尋找物體的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性會(huì)受到限制。

為克服這些限制，康耐視推出了基于幾何特征的圖案匹配技術(shù)專利算法——PatMax。PatMax不受圖案灰度變化的影響，根據(jù)像素網(wǎng)格的邊界曲線獲取物體的幾何形狀，然后在圖像中尋找相似的形狀，允許產(chǎn)品特征有角度和縮放的自由度。這樣，不管物體角度、大小和形狀如何變化都能準(zhǔn)確地定位到產(chǎn)品特征。

PatMax®作為業(yè)界工件和特征定位的黃金標(biāo)準(zhǔn)，可在最棘手的條件下提供準(zhǔn)確和可重復(fù)的檢測(cè)。PatMax技術(shù)作為機(jī)器視覺中首項(xiàng)高準(zhǔn)確度、高速度、高處理量的物體定位技術(shù)于 1997 年首次獲得專利認(rèn)證，是諸如PatMax SA、PatMax XLC、Synthetic PatMax、PatInspect®、PatFlex®、OCVMax™和 IDMax®等輔助工具的基礎(chǔ)，涵蓋業(yè)界使用范圍最為廣泛的圖案匹配和檢測(cè)。

康耐視 In-Sight 視覺系統(tǒng)具有卓越的工件檢驗(yàn)、識(shí)別和引導(dǎo)功能。這種工業(yè)級(jí)獨(dú)立的視覺系統(tǒng)包含有高級(jí)視覺工具庫，具有高速圖像采集和處理功能。

在海天集團(tuán)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，In-Sight視覺系統(tǒng)結(jié)合機(jī)器人自動(dòng)定位抓取實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料，完美解決了生產(chǎn)難題，如下：1)大大小小50余種連桿的識(shí)別;2)2個(gè)托盤不同產(chǎn)品的識(shí)別和自動(dòng)切換程序;3)相機(jī)將圖像特征自動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)器人對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn);4)相機(jī)將定位的坐標(biāo)傳輸給機(jī)器人，機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)定位抓取;5)最終實(shí)現(xiàn)50余款塑機(jī)連桿的自動(dòng)定位識(shí)別抓取上料，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的高柔性，快速換型的需求。

在該項(xiàng)目中，機(jī)床連桿自動(dòng)上下料總共分為個(gè)6個(gè)步驟：1)視覺識(shí)別引導(dǎo)機(jī)器人定位抓取進(jìn)行拆垛;2)液壓工裝自動(dòng)夾持;3)連桿孔位加工后自動(dòng)在線檢測(cè);4)機(jī)器人下料進(jìn)行激光打碼;5)機(jī)器人進(jìn)行下料碼垛;6)左右兩臺(tái)機(jī)床加工不同的零件，機(jī)器人自動(dòng)更換夾爪后，康耐視智能視覺系統(tǒng)自動(dòng)切換模板進(jìn)行另一型號(hào)連桿上下料。這樣，機(jī)器人根據(jù)相機(jī)拍攝的產(chǎn)品特征(孔徑大小)自動(dòng)識(shí)別層數(shù)，自動(dòng)進(jìn)行逐層的定位識(shí)別抓取，大大降低了成本。

“我們采用了PatMax利用高級(jí)幾何圖案匹配技術(shù)定位工件，既可靠又準(zhǔn)確。即使在最為極端的條件下，比如工件上有鐵屑、油污、鐵銹等，康耐視也能準(zhǔn)確穩(wěn)定的找出工件，”海天集團(tuán)的生產(chǎn)工程師評(píng)價(jià)說，“這個(gè)工具也能大大減少或消除固定要求和成本，原本如此多規(guī)格的產(chǎn)品定位機(jī)構(gòu)是無法實(shí)現(xiàn)的，或者需要很多套復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于定位零件或特征來說，PatMax是視覺系統(tǒng)中視覺檢測(cè)處理量最大和最為可靠的工具。”

“整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了視覺引導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)抓取上下料，注塑機(jī)零件實(shí)現(xiàn)智能智造，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了機(jī)床效率，以后所有機(jī)加工要大規(guī)模推廣應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)。”海天集團(tuán)的生產(chǎn)負(fù)責(zé)人最后強(qiáng)調(diào)，“很多客戶來海天集團(tuán)參觀考察后，對(duì)海天集團(tuán)的實(shí)力有了進(jìn)一步的深刻了解，相信我們憑借‘注塑機(jī)+整廠規(guī)劃+信息化集成+周邊輔助集成+自動(dòng)化集成’的強(qiáng)大利器，就能全方位實(shí)現(xiàn)從‘只能’注塑到‘智能’注塑的轉(zhuǎn)變。”

圖片

現(xiàn)場(chǎng)總布局圖

雙工位上下料區(qū)(兩堆料不一樣，托盤前半部分毛坯區(qū)，后半部分成品區(qū))

視覺安裝位