整合視覺系統(tǒng)方案，有效提高自動化生產(chǎn)線效率

Steve Zhu

Teledyne Dalsa

導(dǎo)讀：通過介紹3 個應(yīng)用案例，展示了先進(jìn)的機(jī)器視覺軟件及其圖像預(yù)處理技術(shù)如何促使2D 和3D 視覺檢測的性能成倍提升。

前言

3D 成像技術(shù)和智能相機(jī)現(xiàn)已增強(qiáng)了機(jī)器視覺檢測的靈活性和性能，若是將其與先進(jìn)的圖像預(yù)處理工具和智能化的軟件相結(jié)合，則可以進(jìn)一步解決過去難以或幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的自動化檢測應(yīng)用。

這些技術(shù)的進(jìn)步可以帶來更高質(zhì)量的產(chǎn)品，同時減少廢物的生成，大大降低成本。在制造過程前期，對各零件進(jìn)行缺陷檢測，可以在產(chǎn)品最終組裝之前替換或修理好零件，從而縮短生產(chǎn)時間，減少生產(chǎn)成本。

通過下文提及的3 個實(shí)際的應(yīng)用案例不難發(fā)現(xiàn)，2D 和3D 成像在共同的一個軟件平臺，外加與先進(jìn)靈活的2D 和3D圖像處理算法相結(jié)合，給視覺系統(tǒng)檢測帶來了顯著的優(yōu)勢，并提高了軟件運(yùn)行的效率。第1 個應(yīng)用案例是馬桶的自動檢測和制造，鑒于馬桶所使用的材料和形狀，檢測過程無疑是復(fù)雜的；第2 個應(yīng)用是汽車剎車盤的機(jī)器人抓取和檢測，幾經(jīng)嘗試后最終實(shí)現(xiàn)這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化，并探索了多個解決方案；第3 個檢測應(yīng)用是用于制造汽車電池的鋰電池極片，檢測速度更快、精度更高。

快速檢測和制造馬桶

馬桶的制造過程比想象的復(fù)雜，自動化生產(chǎn)也頗具難度。馬桶所使用的陶瓷和材料有其特有的反射能力，對其帶弧度的瓷面進(jìn)行質(zhì)量控制可謂是挑戰(zhàn)重重，即使是最基本的配件，如水箱、便池、進(jìn)出水口和排污管道等，均需要在制造過程中進(jìn)行仔細(xì)的檢測。此外，設(shè)計師們正在設(shè)法豐富馬桶的功能，如一些知名馬桶品牌中會增加可加熱型馬桶座圈、集成坐洗器和雙沖洗系統(tǒng)，這使得馬桶的制造更為復(fù)雜。

由于在幾個制造節(jié)點(diǎn)中的質(zhì)量檢查都必不可少，對一個普通的馬桶進(jìn)行人工組裝和檢測可能需要多達(dá)20 人，整個手動裝配和檢測的過程則需要耗時5 至6 分鐘。

如果等到最后的外觀檢驗(yàn)環(huán)節(jié)才發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，那么生產(chǎn)周期可能會被延長。比如馬桶左側(cè)比右側(cè)稍高一點(diǎn)，則需要在右側(cè)增加一個墊片才能使兩側(cè)持平，而這一小小的修正會使得人工生產(chǎn)的時長額外增加5 至 6 分鐘。

在一條典型的馬桶流水生產(chǎn)線上，我們借助了20 臺相機(jī)來完成自動化檢測任務(wù)和實(shí)現(xiàn)機(jī)器操作的功能。在這一過程中所使用的檢測相機(jī)主要是智能相機(jī)，它們可以用于質(zhì)檢、零件定位、標(biāo)簽位置確認(rèn)或完成機(jī)器拾取和放置操作。

這類機(jī)器人系統(tǒng)依靠機(jī)器視覺來精確識別孔的位置，并引導(dǎo)機(jī)械臂末端工具將螺釘放入孔中，另外，安裝好螺釘后，相機(jī)再次確認(rèn)螺釘是否安裝到正確位置。

在視覺軟件的幫助下，一臺激光三角法的3D 相機(jī)執(zhí)行了最終檢測的任務(wù)。該軟件能夠?qū)?D 和3D 算法應(yīng)用于圖像數(shù)據(jù)中，把相機(jī)的3D 點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2D 圖像數(shù)據(jù)，以支持常規(guī)圖像預(yù)處理，并使得模式匹配或邊緣檢測更為便捷。2D圖像數(shù)據(jù)還有助于將機(jī)器人引導(dǎo)到正確的位置，隨后，相機(jī)將憑借其三維成像的功能確保從馬桶的頂部和側(cè)面拍照時所有的零件都是正確放置和對齊的。相機(jī)還能確認(rèn)每個螺釘和標(biāo)簽是否處于正確的位置，并能檢測出馬桶蓋和便池之間以及便池和地板之間的間隙。

傳統(tǒng)的機(jī)器視覺和3D 機(jī)器視覺的結(jié)合有助于實(shí)現(xiàn)這一生產(chǎn)線的自動化，而生產(chǎn)自動化在縮短生產(chǎn)時間、降低人工成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量上的顯著優(yōu)勢也得以進(jìn)一步突顯。

通過實(shí)現(xiàn)自動化，如今在生產(chǎn)線上組裝馬桶的時間從原來的5 至6 分鐘縮短至 65 秒，所需的勞動力也從20 人減少到僅需3 個人。此外，從根本上說，自動化精確度更高，且操作可重復(fù)，能夠生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

減少剎車盤飛出

在第2個應(yīng)用案例中輔以 2D 和3D 相機(jī)協(xié)同工作，將有助于實(shí)現(xiàn)汽車剎車盤的生產(chǎn)自動化，從而提高生產(chǎn)效率。這一生產(chǎn)過程所需的剎車盤通常涂有可提高性能并延長剎車盤使用壽命的防腐材料，如鋅或聚合物。

在汽車剎車盤的生產(chǎn)過程中，導(dǎo)入自動化設(shè)備之前，剎車盤放置于1 平方米的料倉中，再由工人手動將每個盤從料倉中轉(zhuǎn)移并放置在傳送帶上。隨后，另一名工人將制動盤從傳送帶上逐個取下并拿到噴涂室，使剎車盤在涂層棒上保持平衡，涂層棒將旋轉(zhuǎn)以確保涂料可以均勻分布。大多數(shù)涂層室都有玻璃窗或玻璃門，方便工人觀察。

涂料工序完成后，工人將每個剎車盤從涂層棒上取下并放到另一條傳送帶上，繼續(xù)進(jìn)行制動系統(tǒng)的生產(chǎn)。若每天工作時長為8 小時，工人可對200 個剎車盤涂上防腐材料。

普通轎車規(guī)定使用的制動盤平均重量通常為9.5 公斤（約合21 磅），這可能導(dǎo)致工人容易疲勞，因剎車盤掉落造成人身傷害或因操作不當(dāng)造成背部拉傷。

由于這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)是高度重復(fù)的，因此第2個自動化應(yīng)用案例提供了一個理想的解決方案，但它實(shí)際操作起來也具有一定難度，最大的挑戰(zhàn)是在涂層棒上進(jìn)行準(zhǔn)確定位并平衡平衡盤的位置，如若不然，剎車盤可能會從棒上飛出，對涂層室的玻璃門窗等造成破壞。如果發(fā)生這種事故，裝配線將不得不關(guān)停維修，從而大大增加了成本。不同的供應(yīng)商嘗試了7次才最終明確如何自動化精準(zhǔn)定位剎車盤在涂層棒上的位置，以避免對作業(yè)室造成破壞。

這一難題的成功解決有賴于2D 和3D 相機(jī)在兩個生產(chǎn)流程節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用。其中，3D 相機(jī)主要用于銑出托盤上堆放著剎車盤的槽的輪廓，以幫助引導(dǎo)機(jī)器人手臂將剎車盤轉(zhuǎn)移到移動的傳送帶上。3D 相機(jī)則專門安裝在距離料倉約2.5 米遠(yuǎn)的地方，以捕捉該區(qū)域及其周圍的影像。2D 相機(jī)最初檢測到的信息則可以用于引導(dǎo)第2個機(jī)器人拿起剎車盤，并將其放置在涂層室的一根棒上。2D 相機(jī)安裝在涂層室外，并借助軟件對相機(jī)與室內(nèi)涂層棒之間的傾斜角度進(jìn)行校準(zhǔn)。在圖像生成時，軟件校正了剎車盤的方向，以確保其在放置前與豎向的涂層棒完全垂直，否則，機(jī)器人可能會錯誤地將剎車盤放在半途，從而導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生。

噴涂完成后，在機(jī)器人手臂的操作下，圓盤與涂層棒分離，隨后繼續(xù)下一個作業(yè)流程。最終，自動化技術(shù)的運(yùn)用促使覆上涂料的剎車盤從每天 200 張增加到400 張，精度和可靠性更高，工人出現(xiàn)安全事故的風(fēng)險也進(jìn)一步降低。

減少鋰電池生產(chǎn)缺陷

第3個應(yīng)用案例依靠機(jī)器視覺軟件中廣泛應(yīng)用的預(yù)處理和前沿算法，以實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)代電動汽車中使用的鋰電池組件進(jìn)行精確檢測。

鋰電池是由電芯組成的分層結(jié)構(gòu)，包括電極片，也稱為鋰紙。鋰極片由幾層材料層層疊起，包括隔膜和集電極箔，例如陰極側(cè)的鋁箔和陽極側(cè)的銅箔。在生產(chǎn)鋰紙時，隔膜和集電極箔需按以下順序堆疊：隔膜/陽極/隔膜/陰極/隔膜。成品鋰極片的寬度在100 至400 毫米之間。

任何諸如污垢、劃痕、異物、亮點(diǎn)或暗點(diǎn)、陰極/陽極片不完整等缺陷都可能導(dǎo)致鋰電池爆炸，從而造成安全隱患。

在這一環(huán)節(jié)中，鋰紙的質(zhì)量控制至關(guān)重要，且通常需要對連續(xù)的材料進(jìn)行卷材檢測。因此，應(yīng)用案例要求線掃描相機(jī)和高度智能的軟件結(jié)合圖像預(yù)處理技術(shù)，以消除背景噪聲和顏色。

可供使用的相機(jī)為4K 或8K 線掃描相機(jī)，具體使用何種相機(jī)取決于廠家所要求的生產(chǎn)線運(yùn)行速度和檢測精度水平。例如，具有26 kHz 線速的4K 相機(jī)可以以超過150米/分鐘的速度檢測400毫米寬的鋰電池紙，并能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)陽極和陰極極片是否存在0.01 毫米級的缺陷。8K 線掃描相機(jī)則能將4K 線掃描相機(jī)的精度提高一倍，但其運(yùn)行速度相對地也會放緩一半。

在實(shí)踐中，自動化檢測并不總是基于硬件的規(guī)格進(jìn)行簡單地計算。高級校準(zhǔn)工具可為線性、非線性和透視圖像失真校正提供助力，前沿的軟件算法則能消除或盡可能減少圖像中多余的噪聲，以突出顯示重要的圖案、特征或邊緣。

工人每分鐘可以檢測 15 米長的鋰紙，但無法一直識別出所有潛在缺陷。若使用4K 和8K 線掃描相機(jī)，每分鐘可自動檢測60 至150 米的鋰紙，生產(chǎn)率從400%大幅提高至800%，新環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用成本也相對降低。

未來軟件開發(fā)

以上3 個應(yīng)用案例展示了如何將各種成像、預(yù)處理和軟件技術(shù)相結(jié)合，從而提高產(chǎn)品的性能，保證更高的產(chǎn)品質(zhì)量，更低的制造成本和更快的生產(chǎn)速度，獲得1+1+1 ＞3 的效果。

將2D 和3D 數(shù)據(jù)集成到單個軟件平臺中有助于生產(chǎn)過程的自動化，這也是未來機(jī)器視覺軟件的基本功能之一。

技術(shù)的進(jìn)步帶來更多的自動化工具，而軟件則能使這些工具更高效地協(xié)同工作。