(桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002)

1 引言

軍用繼電器以其體積小、能耗低、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)在軍用航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，該類產(chǎn)品涉及不同材料、工藝以及不同的連接技術(shù)等，往往不能一次加工制造成型，多是由微小型零件組裝而成。裝配是繼電器產(chǎn)品制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，微小型零件的尺寸一般在零點(diǎn)幾個(gè)毫米到十幾個(gè)毫米之間，尺寸跨度較大，外形復(fù)雜、裝配精度要求高。為了保證裝配精度，在裝配前需要對(duì)零件尺寸進(jìn)行測(cè)量篩選，然后在裝配時(shí)采用分組互換法進(jìn)行組合裝配。目前，微小型零件的篩選測(cè)量多是由熟練的操作人員用千分尺手工完成，生產(chǎn)效率低、測(cè)量結(jié)果一致性差，并且測(cè)量對(duì)操作人員的專業(yè)技能要求較高。隨著公司對(duì)產(chǎn)量需求和質(zhì)量水平要求的不斷提高，手工作業(yè)已難以適應(yīng)，迫切要求進(jìn)行精密測(cè)量自動(dòng)化等相關(guān)領(lǐng)域的研究。設(shè)計(jì)一種基于人工智能和自動(dòng)化技術(shù)的微小型零件精密測(cè)量的裝置，可以成為替換人工操作的有效途徑。

圖1 繼電器軛鐵外形圖

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)控制組件、軟件和裝置振動(dòng)上料、前級(jí)傳送帶、進(jìn)料槽、間歇放料、測(cè)量室、CCD檢測(cè)部分(機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng))、卸料伺服、出料滑軌、合格(不合格)分類盒等機(jī)構(gòu)組成。其整體框架圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 上料盤(pán)圖

裝置啟動(dòng)后，在計(jì)算機(jī)控制組件的驅(qū)動(dòng)下，零件按圖中序號(hào)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行流轉(zhuǎn)。首先將需要測(cè)量的零件倒入振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)中，在振動(dòng)作用下零件進(jìn)入前級(jí)傳送槽。前級(jí)傳送槽尾端部位的電控間歇投料裝置控制零件有序進(jìn)入到進(jìn)料槽中，零件由進(jìn)料槽滑入到測(cè)量室。CCD檢測(cè)部分采集測(cè)量室中檢測(cè)窗圖像，由計(jì)算機(jī)軟件處理后給出測(cè)量結(jié)果，同時(shí)發(fā)指令到卸料伺服機(jī)構(gòu)，將零件推入到指定出料滑軌處，零件隨著滑軌利用重力落入到合格或不合格(各尺寸檔位)的分類盒中。

3 電磁式間歇放料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

零件外形形狀復(fù)雜且兩頭不對(duì)稱。為保證能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量，需將零件小端正面投放到測(cè)量窗中。在多個(gè)零件在振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌末端定向排隊(duì)后，需確保將零件按唯一的姿態(tài)間歇投放到測(cè)量室的檢測(cè)窗定位。為完成該動(dòng)作，設(shè)計(jì)了電磁式放料間歇機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖4。

放料電磁鐵固定安裝在振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌固定架上，放料電磁鐵滑軸端頭與零件拖框連接，零件拖框與振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌并接。振動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的振動(dòng)帶動(dòng)零件從導(dǎo)軌平移至零件拖框內(nèi)；由于零件拖框設(shè)置了特殊的狀態(tài)錐、確保了零件在拖框內(nèi)的姿態(tài)不變；當(dāng)電磁鐵吸合工作時(shí)帶動(dòng)拖框?qū)⒘慵弦频铰┝蟼}(cāng)位置時(shí)，在振動(dòng)上料諧振的共同作用下，零件將大頭向下的翻滾進(jìn)入待檢座定位。這個(gè)拖框內(nèi)特殊的狀態(tài)錐還起到了零件按唯一指定的姿態(tài)投放到待檢座的測(cè)量窗定位的作用。檢測(cè)窗零件被測(cè)量后，受控的檢座電磁鐵帶動(dòng)檢座抽板移動(dòng)，將被零件漏入到出料分檔倉(cāng)再移回始位。

該機(jī)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了零件的間歇投放，同時(shí)也保證了測(cè)量室中只有一個(gè)零件。

圖4 電磁式放料間歇機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理圖

4 高精度測(cè)量的方法設(shè)計(jì)

由于零件測(cè)量精度高，測(cè)量誤差達(dá)到±0.005。為保證在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)保證測(cè)量精度的同時(shí)又能達(dá)到高準(zhǔn)確度，采用標(biāo)準(zhǔn)尺對(duì)比法進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和校正，見(jiàn)圖5所示。

圖5 在測(cè)量室中的標(biāo)準(zhǔn)尺

測(cè)量時(shí)首先建立測(cè)量基準(zhǔn)，檢測(cè)對(duì)象通過(guò)算法計(jì)算建立統(tǒng)一的基準(zhǔn)，可以隨著零件的位置改變而調(diào)整；將經(jīng)過(guò)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)件固定在測(cè)量室左側(cè)，軟件每100件會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行一次校正測(cè)量，如出現(xiàn)誤差運(yùn)用補(bǔ)償算法進(jìn)行校正。通過(guò)以上方式實(shí)時(shí)地對(duì)整個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確。解決了零件尺寸跨度較大、測(cè)量精度和分辨率要求較高時(shí)工業(yè)相機(jī)視場(chǎng)小的矛盾。

5 軟件設(shè)計(jì)及視覺(jué)處理算法

系統(tǒng)從控制機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)、零件的原始圖像采集到圖像預(yù)處理、定位再到模式識(shí)別，最后到計(jì)算分檔整個(gè)過(guò)程是一個(gè)全面、整體的設(shè)計(jì)。

5.1 軟件主流程圖

圖6 軟件主流程圖

5.2 視覺(jué)算法

系統(tǒng)視覺(jué)處理的主要任務(wù)是完成源圖像的去噪處理和零件邊緣的定位和分離。下面是其中主要的算法部分，運(yùn)用OPENCV和VC++實(shí)現(xiàn)。

(1)灰度處理

考慮到系統(tǒng)成像時(shí)受到干擾后可能會(huì)出現(xiàn)的高斯噪聲、脈沖噪聲以及圖像細(xì)節(jié)點(diǎn)在零件邊緣上的連續(xù)性等具體問(wèn)題。圖像采用灰度圖像處理方案，是解決這些問(wèn)題比較經(jīng)濟(jì)的做法。

灰度處理采用灰度權(quán)值法，對(duì)于RGB圖像的三個(gè)分量進(jìn)行加權(quán)平均得到最終的灰度值，某點(diǎn)的灰度計(jì)算為：

Gray=0.5B+0.31G+0.19R

(2)零件的邊緣提取算法

鑒于圖像處理后的背景較為清晰，采用Canny函數(shù)易于實(shí)現(xiàn)邊緣提取。該函數(shù)對(duì)單一邊緣僅有唯一響應(yīng)，定位精度高，可以準(zhǔn)確地把零件的邊緣點(diǎn)定位在灰度變化最大的像素上，并抑制虛假邊緣。下面是部分測(cè)試用的代碼實(shí)例。

int main()

{

Mat img_rgb, img_gry, img_cny;

namedWindow("77 Gray",WINDOW_AUTOSIZE);

namedWindow("77 Canny",WINDOW_AUTOSIZE);

cvtColor(img_rgb,img_gry,COLOR_BGR2GRAY);

int x = 16, y = 32;

Vec3b intensity = img_rgb.at< Vec3b >(y, x);

uchar blue = intensity[0];

uchar green = intensity[1];

uchar red = intensity[2];

……

imshow("77 Gray",img_gry);

Canny(img_gry,img_cny,10,60,3,true);

imshow("77 Canny",img_cny);

waitKey(0);

getchar();

return 0;

}

圖7 零件邊緣提取效果

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可根據(jù)零件的三檔尺寸進(jìn)行分揀，單個(gè)零件在3秒內(nèi)完成測(cè)量和收納操作。為驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和精確性，將零件進(jìn)行手工對(duì)標(biāo)檢驗(yàn)，按分檔尺寸分為三組，每組50個(gè)零件。這三組零件依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)方法，由系統(tǒng)進(jìn)行尺寸測(cè)量，手工測(cè)量結(jié)果與機(jī)測(cè)結(jié)果一致。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信息化接口將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到公司大數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心將批次尺寸分析匯總后發(fā)送質(zhì)量管理部門。

本文詳細(xì)介紹了分揀裝置的整體結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)綜合運(yùn)用人工智能、自動(dòng)化、信息化和機(jī)械制造等技術(shù)。設(shè)計(jì)的自動(dòng)分揀系統(tǒng)沒(méi)有按照慣例使用機(jī)械手進(jìn)行抓取投放，而用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的間歇機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這樣的設(shè)計(jì)制造成本低、維護(hù)性好。該系統(tǒng)不僅測(cè)量效率高，而且測(cè)量精度高。本設(shè)計(jì)已在軍用繼電器生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中投入使用，較之以前的人工檢測(cè)效率大大提高，質(zhì)量水平也得到了提升。