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领航自动化回收
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2017年3月14日,Vision China 2017（上海）在上海新国际博览中心N2馆正式召开。本次展会约有200多家参展商参展，包括美国康耐视Congex、德州仪器TI；加拿大Teledyne DALSA；德国Basler、Allied Vision、The Imaging Source映美精、堡盟Baumer、意大利OPTO、日本基恩士Keyence、JAI、索尼Sony、韩国Vieworks、以及国内三宝兴业、海康机器人、浙江华睿、北京微视图像、大恒图像、北京凌云、深圳?像、东莞奥普特、上海纬朗、上海视谷、福建浩蓝、佛山华国光学等国内外知名企业。视觉中国2017年基恩士展来了。

这次展会吸引了国内外大量的业界内外人士，展会第一天现场登记观展的人们早已排起了长队，现场报名登记可以扫描二维码在线注册或现场填写表格以及提前在网上登记打印参会牌，我们可以看到现代化的技术已时时刻刻都影响着我们的生活。
如今一般比较大型的展会中国外的参展商在国内出现的次数越来越多了，很明显中国市场对于全世界的商人来说在这里购买力很大，商机无限。
KEYENCE基恩士是一家做传感器和测量仪器的大型企业，目前展示的是一款快速测量物品尺寸的测量仪，现场有很多观众主动上前体验产品。据了解这款IM系列的图传测量仪无需定位、调整焦距、调整测量台只需2秒即可测出物品的所有相关尺寸，本网记者上前体验了一下只需要将螺帽等类似的小配件放到测量平台上摁一下测试按钮，不到2秒该物品的宽度、厚度、直径和周长等等会立马显示在屏幕上。

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建立自动驾驶车辆系统需要很多部件，但其中一个比其他的更重要且更有争议性。这一重要部件就是Keyence激光雷达传感器。

这是一种通过向四周环境发射激光束，并接收反射光束来感知周围3D环境的装置。由Alphabet，Uber和丰田公司进行测试的自驾车在很大程度上依赖激光雷达，帮助他们在详细的地图上定位，并识别行人和其他车辆。最好的传感器能够在100米以外的地方观测到几厘米的细节。

在自驾车的商业化竞争中，大多数公司认为激光雷达必不可少（特斯拉是个例外，因为它仅依赖摄像头和雷达）。雷达传感器在弱光和强光条件下看不到太多的细节。去年，一辆特斯拉汽车撞到一辆拖拉机拖车，导致驾驶员丧生，主要原因是自动驾驶软件未能区分拖车车身和明亮的天空。丰田公司负责自动驾驶的副总裁Ryan Eustice最近告诉我，这是一个“开放性问题”——一个不那么先进的自动驾驶安全系统，没有它是否可以正常运行。

但自动驾驶技术发展如此之快，以至于新兴产业正在遭遇雷达滞后的问题。生产和销售激光雷达传感器在以前是一项相对小众的业务，且这项技术要作为数以百万计的汽车标准件，还显得不够成熟。

你看一眼现在的自动驾驶原型车，就会发现一个很明显的问题：激光雷达传感器体积偏大。这就是为什么Waymo和Alphabet的自驾车单元所测试的车辆顶部都有一个巨大的黑色圆顶，而丰田和Uber的车顶有一个咖啡罐大小的激光雷达。

激光雷达传感器还十分昂贵，每件成本数千甚至数万美元。接受测试的大部分车辆都装有多个激光雷达。尽管道路上测试车辆数量相对较少，但需求也已成为一个问题。据The Information上周报告称，激光雷达制造商正在努力跟上，新的激光雷达传感器交付期至少为六个月。

这一切都有助于解释上个月Waymo对Uber提起的诉讼。Waymo称，有证据表明，他们的一个顶级工程师Anthony Levandowski在离开他们，开始创建Otto之前，窃取了自定义激光雷达传感器的设计，此自驾车公司后来被Uber收购。

去年我参观Otto的车库时，Otto另一个创始人Lior Ron告诉我，Otto建立自己的传感器是因为市场上的传感器不具备让18轮卡车在高速公路上自动驾驶的探测范围和功能。Waymo表示Otto的技术实际上是由他们自己的团队耗资数千万美元开发的。因而用了比前几年成本低90%多的成本做出了用途更大的传感器。

设计出更好的激光雷达是Waymo使自驾车成为大众市场且盈利计划的核心内容。公司已开发出三种不同的传感器，可在不同的范围内寻找目标。激光传感器技术将和Waymo其他自动驾驶技术共同授权给现有的汽车制造商。

Waymo不是唯一一家斥资数百万解决雷达滞后问题的公司。去年，福特和百度都投资了自驾车，在世界领先激光雷达供应商Velodyne共同投资了1.5亿美元。该公司正在圣荷西建造“巨型工厂”，计划明年开始生产激光雷达。

自动驾驶汽车产业的很多人仍然认为，要重新设计激光雷达才能实现真正的实用。Velodyne是众多公司中的一个，他们致力于实现无需旋转镜直接把激光束射出去的设计。用电路改变激光投射方向，称为固态激光雷达，这种设计应该更便宜，体积更小，更强大，因为他们没有移动部件。

这是个尚未被充分证明的理论。去年12月Velodyne的报告称，这个项目已取得“突破”使激光雷达价格低至50美元，但它没说什么时候提供固态激光雷达。去年获得9000万美元资金的初创公司Quanergy称，他们今年将在马萨诸塞州的一家工厂生产固态激光雷达传感器，以250美元的价格销售，但他们的进展详情还不清楚。汽车零部件供应商Continental 和Valeo正致力于他们类似的技术，但他们称将会在两三年内才能进入市场。

汽车制造商，包括福特和宝马都表示，他们希望在2021年之前能够大批量生产自动驾驶汽车。那些汽车的性能，成本和外观都将随着固态激光雷达的改进而改变，所有这些对今天的原型都至关重要。

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当前，铸造行业中铸件的清理打磨仍然使用大量的人工，工资的不断上涨加重了铸造企业的负担，同时粉尘飞扬的打磨环境对工人身体健康造成极大危害，职业病预防、工伤赔偿进一步提高了人工成本，作业环境差、劳动强度大也使企业陷入了招工难的困境。大型铸件使用人工打磨，需要大量的场地，效率低下，打磨质量不能保证，这些都无形地增加了企业的生产成本。针对以上问题，提出了利用工业机器人的多自由度柔性化加工的特点，研究用其替代人工对铸件浇口及飞边进行打磨。

　　经过查阅相关资料，发现很多机器人具备柔性、多维度、自动化特点，且能持续不间断地工作，可以满足铸件打磨操作。随着打磨工具、检测技术等相配套技术的升级，人工打磨将逐步被机器人自动打磨所替代将是必然发展趋势。

　　工业机器人在精铸件打磨中的应用研究发现：由于精铸件具有结构复杂，轮廓尺寸不一，曲面多,单重轻等特点，因此关键要解决机器人选型、工装夹具设计、检测识别系统及打磨工具的匹配应用，力求达到对铸件浇口及飞边打磨的效果最佳。

　　一、系统方案设计

　　１．机器人的选型

　　对于打磨机器人的选型，主要从机器人最大载荷、工作轨迹范围、重复定位精度、防护等级等要求方面进行考虑：

　　（1）机器人最大载荷 根据产品、夹具的最大单重，并预留一定的余量。机器人最大载荷≥210kg。

　　（2）工作轨迹范围 需要保证机器人运动轨迹完全覆盖产品打磨的表面。机器人工作半径R≥2700mm。

　　（3）重复定位精度 产品打磨精度要求±0.5mm，所以机器人重复定位精度≤±0.5mm。

　　（4）防护等级 打磨作业工况恶劣，机器人防护等级要求较高。

　　本课题选择KUKA的KR2000打磨机器人，该机器人最大载荷210kg，工作半径达到 2700mm，重复定位精度≤0.06mm，设备防护等级达到IP65，并具有重复定位精度高，设备可靠性高等特点，并能在严苛环境和高危环境下作业。

　　2.工装夹具系统的设计

　　工装夹具是机器人和打磨产品连接的部件，必须具备稳定性强、柔性化高、更换效率高及自带防错等功能。

　　本系统的工装夹具分为三部分：①双工位工作台。②机器人抓手。③抓手库。

　　（1）双工位工作台 即有两个产品上下料的工作台，可单独实现产品的上下料。工作台根据不同的产品设计产品定位工装，实现柔性化生产；同时，工作台设计了检测系统，能够自动识别人工上零件与系统设置零件是否匹配，避免工人零件误放而导致事故发生。

　　（2）机器人抓手 是根据铸件尺寸进行非标制作。机器人与抓手连接采用标准法兰连接，管线通过航插连接，可达到快速更换工装的效果。同时，抓手设计了检测系统，能够自动识别抓取零件与系统设置零件是否匹配，检测抓手抓取零件的准确性，进一步保证系统的安全性。

（3）抓手库 是用于存放暂时闲置的抓手。抓手库设计抓手定位工装，保证抓手存放位置的一致性。需要更换抓手时，人工能快速、轻便地更换。

　　3. 打磨工具的设计

　　本系统选用双头大功率、大扭矩砂轮机，配置一厚一薄砂轮片，分别用于切割和打磨，使砂轮机打磨工件更灵活，可用于处理铸件的浇冒口残留和较大飞边、飞针、毛刺。本系统打磨的产品主要是铸钢件，因此砂轮选择CBN（立方氮化硼）砂轮。该砂轮具有硬度较高、耐热性强、耐磨损等优点。可以较好地保证打磨效率和打磨质量。

　　同时，系统还配置了两组打磨动力头，分别为柔性动力头和钢性动力头。柔性动力头采用柱塞式结构，具有大功率、高扭矩、柔性摆动、安全保护及自动补偿等特点。柔性动力头的结构原理如图1所示。

图1 柔性动力头结构原理
　　 柔性动力装置能在打磨过程中随打磨力的变化产生自适应偏移，保持打磨力的动态平衡，保证打磨质量，并能起到保护工具的作用。

　　4. 检测系统的设计

　　激光检测系统能够在打磨前对铸件各部位特征进行扫描检测，以获得铸件的相对外形尺寸误差，通过相应软件自动计算出补偿量，并自动调整打磨轨迹进行误差补偿，以提高打磨质量。本系统配置一款基恩士IA系列的CMOS模拟激光传感器，该传感器具有精度高、抗干扰能力强，以及通信兼容性好等特点。

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　Keyence基恩士创立于1974年，全球总部位于日本大阪，2010年全球销售额为22，8150，6000美元。随着工业自动化方面的迅速发展，KEYENCE作为传感器和测量仪器的主要供应商，在不断开发制造更新、更可靠的产品，以满足各制造行业的需求。

　　Keyence基恩士名列《商业周刊》（BusinessWeek）的“1000家最有价值公司”，在日本的日经、东京证券交易所及新闻报纸的“日本十佳公司”排行中持续排在索尼与本田汽车等公司之前，2011年美国著名财经杂志《福布斯》最新发布的“全球最具创新能力企业”排行榜中，排名第17位。

　KEYENCE对于充满热情、想最大限度地发挥自己潜能及想挑战自己的年轻人来讲，是一个理想的工作场所。KEYENCE没有内部竞争、对个人成长非常重视，从进公司的新入员工开始到实际投入到工作的员工，都提供良好的培训，使每一位员工都能成为一名自动化领域的专家。在KEYENCE公司提供非常平等的平台，只要有能力，就能获得更高的评价，不会因为进公司的年限长短或之前的工作经验影响发展。其调查给出的平均工资水平为8093元/月。

近年来，随着电子产品越来越小，包括电子部件和印刷电路板在内的这类装置中使用的各种部件，也已经小型化并且越来越复杂。因此，对包括钻孔在内的超精密加工的进一步小型化和提高质量的需求，正不断增长。作为满足这种需求的一种手段，利用短脉冲、短波长激光的加工方法已经引起关注。使用诸如皮秒脉冲激光的短脉冲激光器，能够实现没有热效应的冷烧蚀，从而获得质量优异的高精度加工。

此外，使用短波长激光器可以使激光束的聚焦光斑直径更小，从而实现更精细的微加工。如图1所示，目前用于微加工的常见短脉冲激光器包括Nd：YAG激光器（波长1064nm）、通过Nd：YAG激光器的二次谐波产生的绿光激光器（波长532nm）、以及通过Nd：YAG激光器的三次谐波产生的紫外（UV）激光器（波长355nm）。另一方面，由四次谐波产生的深紫外（DUV）激光器（波长266nm），由于其处理困难而未被广泛使用，作为微加工系统几乎没有实际成就。然而，短波长使得聚焦激光光斑直径在照射点更小，从而可以实现更精细的钻孔。此外，DUV激光能被各种材料高度吸收，并且具有很高的光能量，其将有望应用于加工传统方法难以加工的材料。

三菱重工机床有限公司（MAT）已经向市场推出了配有皮秒绿光激光器的“ABLASER”激光微加工系统。此外，公司还开发了使用皮秒DUV激光器的光学系统和加工技术，以实现更高质量的更精细钻孔。本文将阐述皮秒DUV激光器的基本加工特性，以及利用ABLASER实现的超精密钻孔应用。

DUV激光光学系统的结构及其加工特性

（1）DUV激光器的光学激光聚焦系统

在激光微加工中，激光束被聚焦并照射在目标工件的表面上，利用光的能量，可以去除目标工件加工所产生的碎屑。在照射时，当聚焦光斑直径较小时，需要去除碎片的区域也变小，这提高了微加工的质量。有多种手段可以实现更小的聚焦光斑直径，例如利用短波长激光器，在聚焦之前扩大光斑直径并缩短焦距。然而，当激光的波长处于紫外波段时，玻璃材料对激光的吸收增加。因此，需要减轻透镜等光学元件材料的应变。在其他方法中，会聚角较大，其可能导致孔在激光入口和出口之间尺寸的间隙，并减小焦深，从而限制钻孔加工所产生的孔的形状。

新开发的光学激光聚焦系统采用DUV激光器，提供更小直径的会聚光。因此，通过预先测试用于光学元件的玻璃对DUV激光束的耐久性，同时选择最佳玻璃材料并设定适当的激光照射强度，可以确保透镜的耐久性。此外，通过优化焦距和透镜形状，使会聚角最小化并实现长焦深，而聚焦激光光斑直径保持非常小。

（2）DUV激光聚焦光斑直径的评价

基于上述研究，三菱重工创建了用于DUV激光的原型光学激光聚焦系统，以便通过测量聚焦光斑直径和能量分布来确认预期的微加工水平。图2给出了光斑直径测量系统的结构。从DUV激光振荡器发射的光束，通过全反射镜传播，模拟要安装的激光加工装置和通过聚焦透镜会聚的光束传输路径。

图3给出了由CCD相机测量仪器测量的焦点处的能量分布。能量分布与预期的高斯分布大致一致，这是非常理想的结果，测量的光斑直径为5.7μm。另一方面，根据理论公式计算的设计直径为5.5μm，与测量值基本一致。与利用MAT公司的传统绿光激光器的ABLASER所获得的光斑直径相比，DUV激光束的光斑直径大约是绿光激光器光斑直径的一半，从而可以预期更精细的钻孔。此外，焦点处的椭圆度为0.998，这也证实了可以期望高精度的钻孔。

（3）DUV激光束对各种材料制造速率的检验

需要获得DUV激光束和绿光激光束（波长515nm）针对各种不同材料的钻孔速度，以便比较和评估它们的特性。在类似于聚焦光斑直径测量系统的一个光学系统结构中，不同的材料被放置在焦点位置中列出的材料分别用聚焦的DUV或绿光激光束，仅照射1个脉冲，以便测量钻孔形成的孔的深度，这项测量是通过基恩士公司的3D激光扫描共聚焦显微镜（VK-X150/160）实现的。由于钻孔后孔的横截面是坑状，根据孔中心的最大深度进行测量。使用不同的脉冲能量水平进行加工和测量，从而获得每种材料的钻孔速度。

通过比较DUV激光束和绿光激光束的钻孔速度，确定了用它们加工每种材料时的显著差异。图5给出了由两种激光器钻出的孔的图像和横截面图。单晶碳化硅晶圆（SiC）是一种化合物半导体材料，具有较高的硬度和化学稳定性，基于化学作用的精密SiC加工和制造都非常困难。因此，人们迫切期望基于激光的精密加工能够处理这种材料。但由于带隙大，因此具有更高光能量的短波长激光束更适合加工这种材料。在该实验结果中，绿光激光束的钻孔速度相当低，并且材料在激光照射范围内会发生熔化。

相比之下，具有高能量的DUV激光束实现了相对较高的钻孔速度，并且钻出的孔的横截面近似于高斯分布，因此，有望在超细钻孔中实现精密加工。DUV激光束能成功地在硼硅酸盐玻璃上钻出清晰的孔。绿光激光束大部分穿透材料，导致加工非常困难，加工速度非常慢。

使用DUV激光，确认钻出的孔在工件表面上具有非常少的熔化，其中几乎观察不到被移除碎屑的再次附着。因此，可以假定产生了理想的烧蚀现象，进而可以实现高质量的超细钻孔。

当加工不锈钢材料时，DUV激光束能比绿光激光束获得更高的加工速度。此外，在用绿光激光束加工聚苯二甲酸乙二醇酯材料（一种高分子材料）时，会产生气泡，这表明材料发生了熔化。相反，使用DUV激光束加工这种高分子材料，只产生较少热效应，并且加工速度足够快。

因此，经过对多种材料的加工对比，证实了DUV激光相比于绿光激光束的优越性，并且还可以估计最佳脉冲输出，获得针对每种材料所需的加工深度。因此，DUV激光束将有望改进很多材料的加工质量和，优化产品性能。

机器视觉行业竞争格局

工业4.0战略的展开方向之一就是智能工厂，在这场新变革中，机器人的研制和开发起到了决定性的作用。正如上文中提到，机器视觉的最先应用来自于“机器人”的研制，机器人行业的蓬勃发展也为机器视觉的研制提供了极大的推动力，而机器视觉的发展水平也是工业4.0进程中的重要一环。

在当前的市场环境下，机器视觉的产业的发景十分广阔，自动化越来越高的产业体系对机器视觉的需求度日益提高。硬件制作水平的提高和软件研发队伍的壮大也使得机器视觉的识别水平不断提高，完全可以满足工业自动化的要求。

从行业应用来看，电子制造业是拉动需求高速增长的主要因素。一方面，电子制造业的高需求促进了机器视觉市场的扩大和完善；另一方面，机器视觉系统的成熟和应用也加速了各行业的生产力进步，二者相互作用。

从产业区域分布来看，美日的创新水平和产业完整水平最高，其主导地位在短期内难以撼动。而中国也逐渐成为一个新的爆发点，其市场占有额也有追赶美日的趋势。

1、美国康耐视（Cognex Corp）——视觉读码专家

康耐视公司是为制造自动化领域提供视觉系统、视觉软件、视觉传感器和表面检测系统的全球领先提供商。同时也是领先的工业ID读码器提供商。

近年来，康耐视公司在机器视觉的应用方面做出了很大成绩，通过遍布北美、欧洲、日本、亚洲和拉丁美洲的办公室，以及集成与分销合作伙伴全球网络为国际客户提供服务。

在这30余年的发展之路中，康耐视遭遇了各种各样的技术和应用问题，但随着生产水平的不断提升，这家国际机器视觉巨头不断突破难关，打开市场，也完成了一次又一次的商业转型。

2、日本基恩士（Keyence）——机器视觉行业的世界领跑者

基恩士自1974年以来一直稳步成长，现已成为开发与制造传感设备的世界领先者，产品范围包括传感器、测量仪器、视觉系统、激光刻印机以及数码显微镜。不仅能够满足许多制造与研究行业客户现在的需求，而且还能够满足它们将来的需求。

二、机器视觉的技术路径

目前，微软Kinect、英特尔RealSense、Orbbec等3D深度视觉整体解决方案广泛应用在各类消费级产品。随着光学元器件集成度提升、模组方案成本下降以及相关算法不断优化，3D深度视觉技术将进一步渗透到其他工业级应用领域。

3D深度视觉技术实现路径包括：双目视觉技术、结构光技术、ToF（Time of Flight）技术。

（一）双目视觉技术

双目视觉的基础原理是基于三角测量原理，我们并排放置两个相机，利用投影光学系统可使两个相机视野在所需求的物距发生重叠，通过每个相机拍摄的图片，我们可以捕捉到不同视角的场景。

结构光技术是一种主动式光学测量技术，其基本原理是由结构光（有特殊模式的光，比如离散光斑、条纹光、编码结构光等等）投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器（如摄像机）获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。双目视觉技术是采用两个2D的传感器模拟人眼，而结构光技术和ToF技术都是利用主动光源技术，主动发射红外波段光源，照射场景，再根据反射回的成像来计算深度。

基恩士倍受欢迎的图像识别传感器家族又新添一名成员，IV-H系列。本次全新IV-H系列图像识别传感器提高了视觉检测的稳定性和功能性。

新的IV-H系列有两种型号：IV-H和IV-HG。提供彩色和黑白两种型。IV系列图像识别传感器能够轻松应付高难度检测应用。对于要检测多个零件的应用，基恩士图像识别传感器通常能够取代一体化解决方案中的多个传感器。

全新IV-H型号拥有更高的稳定性和通用性，新追加了更多工具。而之前型号上的三种工具依然保持很高的使用频率：用于形状和图案检测的轮廓工具;颜色和辉度检测的面积工具;用于补正位置偏移的位置修正工具;基恩士扩展了新IV-H型号的工具。这些新工具提高了检测稳定性，增加了IV应用数量。除了早期型号中的三种工具外，IV-H还包含以下新工具：宽度/高度检测、直径检测、边缘存在验证、边缘像素工具(用于检测加工/抛光)。

通常，视觉软件可能非常麻烦，且难以使用。要在IV软件中设置新项目，用户只需完成四个步骤。工具简单而直观，视觉软件操作能力各异的操作员都能在约一分钟内设置项目。通过Ethernet/IP和Profinet通信设置向导，IV系列图像识别传感器可轻松联网。

基恩士IV-H系列轻松处理各种应用的能力将为图像识别传感器市场带来变革。

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