機(jī)器視覺(jué)側(cè)圍涂膠檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

胡莊穩(wěn)，陸華才，高文根

(安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

隨著人們生活條件的提高，人們對(duì)車的質(zhì)量的要求越來(lái)越高，汽車生產(chǎn)商要想造出高質(zhì)量的車子，必須嚴(yán)格控制生產(chǎn)線每道工位的工藝水平，人工目檢已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化汽車行業(yè)需求，機(jī)器視覺(jué)在智能化裝配技術(shù)中已經(jīng)成了主流的檢測(cè)方法。

傳統(tǒng)的涂膠軌跡寬度測(cè)量采用抽檢的方法，用游標(biāo)卡尺測(cè)量，直接接觸測(cè)量易導(dǎo)致軌跡變形，測(cè)量不準(zhǔn)確，影響節(jié)拍，返工頻率高。機(jī)器視覺(jué)采用的是非接觸性測(cè)量，它既可以在復(fù)雜環(huán)境下檢測(cè)工件，也可以檢測(cè)精度要求高的工件。由于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)具有速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為智能化生產(chǎn)線的主流檢測(cè)工具。該系統(tǒng)選用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)測(cè)量膠寬，用張正有標(biāo)定法[1]對(duì)工業(yè)相機(jī)標(biāo)定，采用雙邊濾波[2]和邊緣檢測(cè)[3]融合圖像處理技術(shù)，最后運(yùn)用改進(jìn)的最小二乘擬合算法得到被測(cè)物體的寬度。經(jīng)反復(fù)檢測(cè)表明用機(jī)器視覺(jué)測(cè)量涂膠軌跡寬度誤判率低、節(jié)拍快、系統(tǒng)運(yùn)行可靠，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有效地提高了側(cè)圍涂膠質(zhì)量及安全性能。

1 系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)專為焊裝涂膠側(cè)圍門工位所設(shè)計(jì)，系統(tǒng)組成如圖1所示。由圖1可知，系統(tǒng)由六自由度機(jī)器人、視覺(jué)系統(tǒng)、供膠系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、工業(yè)計(jì)算機(jī)等組成。

圖1 系統(tǒng)組成圖

系統(tǒng)選用庫(kù)卡系列機(jī)器人，機(jī)器人本體包括六關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)機(jī)器人[4]、示教器、電氣控制柜和連接電纜。KUKA機(jī)器人在示教軌跡時(shí)有3種編程方法，分別為PTP、LINE、CIRCLE，在手動(dòng)示教時(shí)要根據(jù)具體的情況設(shè)定好目標(biāo)移動(dòng)速度，3種示教軌跡的目標(biāo)移動(dòng)速度如表1所示。

表1 目標(biāo)移動(dòng)速度

電氣控制系統(tǒng)主要用來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)作及傳輸信號(hào)，六自由度庫(kù)卡機(jī)器人用來(lái)完成涂膠運(yùn)動(dòng)軌跡和安裝白車身側(cè)圍。在第六軸上設(shè)計(jì)側(cè)圍夾具裝置[5]，當(dāng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，機(jī)器人從home點(diǎn)移動(dòng)到門工位通過(guò)夾具抓取，PLC給機(jī)器人信號(hào)執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)，最后系統(tǒng)主程序調(diào)用手動(dòng)示教好的子程序通過(guò)發(fā)送程序號(hào)來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人完成涂膠任務(wù)。

供膠系統(tǒng)主要是用來(lái)提供涂膠量，該系統(tǒng)理想氣壓設(shè)置范圍為4～6 bar,系統(tǒng)設(shè)計(jì)用行程開關(guān)來(lái)控制雙泵切換運(yùn)行。供膠系統(tǒng)包括溫控單元，因?yàn)槟z具有黏性，所以通過(guò)加熱才能從涂膠嘴均勻流出，溫度是影響膠流量和質(zhì)量的主要因素，加熱區(qū)域溫度低于正常設(shè)定值會(huì)導(dǎo)致涂膠軌跡偏窄或者斷膠，加熱區(qū)域溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致膠老化而造成質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。選用PID溫控器來(lái)控制加熱區(qū)域溫度值，溫度設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)范圍為25 ℃～35 ℃，如果溫度超出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定范圍會(huì)發(fā)出報(bào)警，該單元可以實(shí)時(shí)監(jiān)控加熱區(qū)域情況，提高涂膠質(zhì)量。涂膠寬度的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 膠寬參數(shù)

2 視覺(jué)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)不管是用來(lái)測(cè)量產(chǎn)品還是檢測(cè)產(chǎn)品表面缺陷，需要注意幾個(gè)問(wèn)題。首先要搭建硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，硬件搭建選型合理和相機(jī)安裝位置合理都有利于確保后期軟件調(diào)試的成功率。其次要拍攝目標(biāo)物體獲得清晰圖像，相機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲取圖片時(shí)會(huì)受到光線干擾以及關(guān)聯(lián)工位運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)等因素影響，這些因素都會(huì)導(dǎo)致最終的檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，為了減小這些干擾因素的影響，將相機(jī)在涂膠槍旁邊的支架上固定好，不能安裝在運(yùn)動(dòng)物體上。同時(shí)設(shè)計(jì)防護(hù)罩將光源單元與外界隔離，這些措施可以有效避免外界干擾。系統(tǒng)選擇CCD相機(jī)拍攝圖片,光源采用LED白光，因?yàn)榘坠怍敯粜栽诖谁h(huán)境下是最優(yōu)的。用工業(yè)計(jì)算機(jī)來(lái)監(jiān)控采集圖像，圖像采集卡主要用來(lái)采集和處理圖片,使用西門子S7-300PLC與外部交接信號(hào)。

工業(yè)相機(jī)在測(cè)量圖像前必須要通過(guò)標(biāo)定，標(biāo)定過(guò)程中參數(shù)穩(wěn)定或者不穩(wěn)定會(huì)直接影響相機(jī)在檢測(cè)中的準(zhǔn)確性。主流的標(biāo)定方法有halcon和張正友兩種，帶有棋盤格的標(biāo)定板是常用的視覺(jué)標(biāo)定工具，如圖3所示[6]。標(biāo)定步驟是移動(dòng)標(biāo)定板不同位置和距離讓攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定板進(jìn)行拍照，再通過(guò)拍攝棋盤格板上圖像的點(diǎn)與匹配模板上的點(diǎn)進(jìn)行邏輯計(jì)算[7]，最后推導(dǎo)出照相機(jī)內(nèi)參和外參。

圖2 視覺(jué)硬件結(jié)構(gòu) 圖3 標(biāo)定板

理想坐標(biāo)(x,y)與相機(jī)坐標(biāo)(xa,ya,za)關(guān)系表達(dá)式為：

(1)

(2)

全局坐標(biāo)與理想坐標(biāo)的映射投影矩陣表達(dá)式為：

(3)

式中,M為相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣；N是攝像機(jī)外參；R是相對(duì)模型攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)；T是平移量。將M、R、T用矩陣表示如下：

(4)

(5)

理想P點(diǎn)和匹配模板P點(diǎn)中的單應(yīng)性N=M[a1a2T]矩陣相關(guān)聯(lián)，假設(shè)矩陣N為照相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，通過(guò)變化求出透視數(shù)學(xué)模型和變換后U、V表達(dá)式如式(6)所示。

(6)

由于相機(jī)會(huì)受到外界的影響，導(dǎo)致實(shí)際圖像點(diǎn)上會(huì)產(chǎn)生畸變，所以重建時(shí)需要考慮畸變存在。假設(shè)理想的圖像坐標(biāo)為(xu,yu)，圖像發(fā)生畸變的坐標(biāo)為(xd,yd)，可得出式(7)：

(7)

相機(jī)受到其他因素的影響會(huì)發(fā)生畸變現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像點(diǎn)發(fā)生偏移的表達(dá)式為：

(8)

由式(7)、式(8)可以算出內(nèi)部參數(shù)M為：

3 圖像處理技術(shù)

要想使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，須進(jìn)行圖像預(yù)處理來(lái)消除圖像的干擾信息，把一些無(wú)關(guān)的信息去除。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)由于受到環(huán)境等因素制約，CCD相機(jī)拍攝的圖像存在噪聲干擾，從而采集的圖像清晰度達(dá)不到理想的要求，因此在采集圖像前要對(duì)圖像進(jìn)行處理。圖像處理技術(shù)有雙邊濾波、中值濾波、二值化、圖像分割、模板匹配等，為了使相機(jī)能更好識(shí)別到測(cè)量物體，保證測(cè)量精度，采取雙邊濾波和邊緣提取圖像處理技術(shù)。常用的邊沿檢測(cè)方法有Sobel、Robert、Prewitt、Log、Canny邊沿檢測(cè)，用Matlab2016a仿真，幾種不同算法邊緣提取仿真圖如圖4所示。經(jīng)過(guò)仿真比對(duì)選用Canny邊沿提取測(cè)量效果最好。

圖4 Matlab仿真圖

4 測(cè)量方法

通過(guò)Canny算子對(duì)圖像邊沿提取得到圖像的輪廓，在測(cè)量前先要找到圖像輪廓擬合的直線。因此，研究使用改進(jìn)的最小二乘擬合算法測(cè)量涂膠軌跡寬度。設(shè)直線方程為：

y=ax+b,

(9)

計(jì)算值y與真實(shí)值yi誤差記為fi，其表達(dá)式為：

fi=yi-axi-b,

(10)

當(dāng)計(jì)算值與真實(shí)值誤差最小時(shí)，擬合直線與實(shí)際檢測(cè)的軌跡邊緣點(diǎn)最接近，為了確定y=ax+b中的常數(shù)和最小值，聯(lián)立方程組：

(11)

由式(11)推導(dǎo)出：

求出a、b的值，通過(guò)直線擬合得到邊沿圖像如圖5所示。由圖5可知，兩條邊沿直線d1和d2之間的距離就是需要測(cè)量的寬度。

圖5 直線擬合

圖6 系統(tǒng)邏輯控制圖

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及工作流程

該控制系統(tǒng)軟件選用西門子博途1500PLC，它主要由電源模塊、CPU、接口模塊、IO模塊等組成[8]。機(jī)器人系統(tǒng)、視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等控制模塊通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送和接收信號(hào)來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制，具體如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)電源開關(guān)打開時(shí)，各個(gè)控制模塊上電后系統(tǒng)開始準(zhǔn)備就緒。當(dāng)側(cè)圍總成到達(dá)涂膠工位時(shí)，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)白車身，PLC給機(jī)器人發(fā)送程序號(hào)，機(jī)器人通過(guò)程序號(hào)調(diào)用運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)抓取側(cè)圍。機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為0.9 m/s，通過(guò)PLC與機(jī)器人之間的交接信號(hào)，機(jī)器人用主程序調(diào)用子程序，按照示教好的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行涂膠，視覺(jué)實(shí)時(shí)檢測(cè)涂膠軌跡是否合格。如果視覺(jué)檢測(cè)兩次不合格，機(jī)器人會(huì)把抓取的側(cè)圍總成自動(dòng)放到待處理區(qū)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，等待維修人員處理故障。當(dāng)視覺(jué)檢測(cè)合格情況下機(jī)器人完成一次涂膠，機(jī)器人自動(dòng)把側(cè)圍總成安裝到白車身上，流程結(jié)束機(jī)器人回home,等待下次執(zhí)行任務(wù)，如此循環(huán)運(yùn)行工作。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了觀察檢測(cè)結(jié)果，研究以Matlab 2016a軟件作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。用理想涂膠軌跡為5 mm寬度分別進(jìn)行人工測(cè)量和機(jī)器視覺(jué)測(cè)量20次，測(cè)量數(shù)值如圖7所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明人工測(cè)量數(shù)值與理想測(cè)量數(shù)值對(duì)比誤差值大，檢測(cè)精度低。機(jī)器視覺(jué)測(cè)量數(shù)值與理想測(cè)量數(shù)值對(duì)比誤差值小，測(cè)量數(shù)值在5±1 mm要求范圍內(nèi)，檢測(cè)精度高。

圖7 測(cè)量誤差偏移

通過(guò)上述數(shù)據(jù)結(jié)果比對(duì)可知，用機(jī)器視覺(jué)測(cè)量涂膠軌跡寬度誤差小、誤判率低，有效地解決了焊裝生產(chǎn)線白車身側(cè)圍總成涂膠工位漏水、漏膠等問(wèn)題。從節(jié)拍上分析可知，用人工測(cè)量時(shí)間最少要180 S，全部檢測(cè)無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，用機(jī)器視覺(jué)測(cè)量60 S就可以完成，后期因生產(chǎn)需求無(wú)論怎樣提高生產(chǎn)節(jié)拍都可以滿足生產(chǎn)。由此可知，在側(cè)圍涂膠工位使用機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)有利于提高汽車生產(chǎn)線涂膠工位節(jié)拍和檢測(cè)精度。

7 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)視覺(jué)側(cè)圍涂膠檢測(cè)控制系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的硬件組成和軟件的邏輯控制順序，搭建視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，采用視覺(jué)技術(shù)測(cè)量涂膠軌跡寬度，實(shí)現(xiàn)了流體智能化測(cè)量，提高生產(chǎn)線作業(yè)的工作效率，避免了涂膠軌跡偏寬造成裝配時(shí)漏膠，涂膠軌跡偏窄造成側(cè)圍總成漏水的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)驗(yàn)中多次測(cè)量，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。因此，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)有利于在汽車生產(chǎn)流水線涂膠工位上的廣泛應(yīng)用。