一家来自日本的齿轮和差速器制造商为其比利时驻地选用了专门为其开发的一套视觉系统，该系统可在各部件型号间快速切换，极大地节约了时间，非常适合这家公司的灵活生产单元。而相应设计的图像处理软件为上述应用奠定基础。

Jtekt Torsen 是一家为汽车工业制造齿轮和差速器的公司。为了生产一款新型差速器，该公司将现有机床组建成一套灵活加工单元。出于经济方面的考虑，他们决定借助一台基于机器人的装卸系统彻底实现生产自动化。

具体来说，他们的想法是：为一台机器人装备一个“箱中取物系统”(Bin Picking)，由这台机器人为灵活加工单元中的两个子加工装置供应部件。机器人制造技术系统集成商 Ceratec 公司接受了该项目的委托。Ceratec 在项目规划期间便将 3D 视觉的部件和服务提供商 Phaer 公司招入麾下，共同实现并达成了客户的愿望。解决新路子——在汽车工业中，要生产一个新部件，典型做法是逐步开发生产项目：首先设计部件并制造样品，接下来就是据此拟定生产方案。最后，逐渐提高产量，直至达到目标产量。

而具体到本文中的案例，该项目涉及安装在齿轮装置中的四种部件，它们都在这一个灵活加工单元内加工。Jtekt 最开始的做法是人工为材料加工机床补料。但很明显，这种做法是无法长久的，因为给机床补料的工作非常单调枯燥，难以长期坚持。而且，由于时间紧迫，操作人员无法在为所有机床装料的同时还能兼顾质量。因此，Jtekt 必须给这项任务找到一种与生产流程相匹配的自动化解决方案。

灵活加工单元的构成

一个部件分三个步骤完成加工，这三个步骤视部件类型而定总共需要大约 1 分钟到 1.5 分钟。加工过程本身借助两台 CNC（计算机数控）机床完成：一台是加工齿轮用的铣床，一台是配备两个刀具的车床。在这两台 CNC 机床中间有一台装卸机器人，它们三者被一个安全框架包围起来，形成一个整体。控制单元位于安全框架之外。

坯件的表面扫描

加工步骤

坯件杂乱地装在一个金属箱内。箱子里大约有 3500 个钢坯件，总重约为一吨。箱子被放在两根滑轨之间，并用一个锁止器锁止，因此箱子就可以被带到并固定在图像采集系统下方。一条激光线投射到箱子表面上，被一台摄像机采集。这样就可以对箱子表面进行分析，并精确确定部件的空间位置。

接着，图像处理系统将决定夹取哪个部件，并向机器人发出相应指示，由此避免机器人在工作中发生碰撞。机器人夹取所选工件，将其交给一台用于空间定位的控制装置。工件被放到一条作为给料系统给铣床上料的传送带上。在第一个加工步骤结束后，机器人再次夹取该部件，将其递给下一台机床的第一个加工头。

在后面的加工中，此处会自动换刀。部件完成加工后，被自动从车床运送至一个提取系统，该提取系统又将工件交给控制装置。所有这些步骤并非是串行的，而是在相互细致协调的前提下部分并行运作，因此各个加工阶段的加工时间并非简单地累加，而且部分重叠。

三角测量摄像机记录激光线的像点

视觉系统

目前，图像处理系统已被集成在机器人内，为客户提供标准解决方案。Phaer 专门开发的视觉系统装设在材料箱上方，由一个激光线投影仪和一个摄像机组成，摄像机是安装在一个可移动装置上的。激光线投影仪在箱子表面投射激光线，摄像机负责记录。摄像机以 20° 的角度定向，这样就可以完整记录激光线的走向。该视觉系统基于三角测量原理工作。扫描线由 1000 个像点组成。激光器在表面上投射出点阵，摄像机将此点阵拍摄下来。图像处理软件将点阵拼合成一个 3D 点云，该点云反映的就是扫描出的箱内部件的表面。

该图像处理软件基于 MVTec 公司的 HALCON 开发。合成的 3D 图像的分辨率为每 2 至 3 mm 一个像点。该图像处理软件能够识别箱内部件在三维空间内的精确位置。识别到的部件被标上颜色，颜色代表了部件的可达性。

为预测可达性，软件会在一个识别到的工件的坐标处模拟出一个虚拟圆柱体，并检查该圆柱体与所测得的 3D 表面的交点。这个圆柱体就代表了机器人夹爪的所占体积。这样做能确保夹爪绝不会与其他部件发生碰撞。类似的方法也可避免夹爪与箱子边缘发生碰撞。在实践中，系统并非总是需要对整个箱子的表面进行分析，一旦找到一个合适的坯件，将立即停止分析。由于灵活加工单元是针对四种部件的生产而设计的，因此所开发的软件也由四个模块组成。但子加工装置的数量是没有限制的，系统可随时扩展，从而加工新的部件型号，增添其他功能。

控制单元，用于配备了 3D 视觉软件的灵活加工单元。识别到的部件根据机器人可达性用颜色编码

产量提升

生产已达到全负荷。每年总产量可达到 800,000 件。汽车工业奉行“Just in Time”原则。仓储管理在这里行不通。因此，一种部件类型是不能一次性生产整个批次的。在实践中，该公司选择使用中小型生产装置，同时生产四种不同类型的部件。在此，这套视觉系统的灵活性就展现出了决定性的优势，它能够在各部件型号间快速切换，极大地节约了时间。