基于圖像識(shí)別技術(shù)的輸送轉(zhuǎn)掛穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)和應(yīng)用探析

宋昊鵬，劉巖，彭勛

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

視覺(jué)識(shí)別設(shè)備在“工業(yè)4.0”的自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色，在自動(dòng)化生產(chǎn)線中常用于有效地區(qū)分混線生產(chǎn)的產(chǎn)品型號(hào)、檢測(cè)產(chǎn)品工藝質(zhì)量、識(shí)別產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)碼等，能夠可靠穩(wěn)定地避免生產(chǎn)過(guò)程中的安裝裝配與實(shí)際不符、次品放行等事件。

北京奔馳汽車有限公司噴漆車間成立于2005年，車間輸送在電氣控制系統(tǒng)上 使用羅克韋爾PLC，磷化電泳在輸送機(jī)械層上使用懸鏈-擺桿式傳輸結(jié)構(gòu)（如圖1）。此形式的輸送機(jī)械機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直觀性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但在轉(zhuǎn)掛穩(wěn)定性上較Rodip式傳輸結(jié)構(gòu)存在差距。

圖1 懸鏈-擺桿輸送系統(tǒng)的實(shí)物圖

懸鏈擺桿式輸送系統(tǒng)需要從懸鏈入口的升降臺(tái)處接收轉(zhuǎn)掛的托架及車身（如圖2），轉(zhuǎn)掛不良將導(dǎo)致托架掛耳在槽體內(nèi)從擺桿掛鉤上脫開，造成車身墜入槽體的嚴(yán)重停機(jī)事故。車間自成立以來(lái)，為避免轉(zhuǎn)掛不良，磷化電泳轉(zhuǎn)掛入口由專人值守檢測(cè)。為了避免專人值守造成的人工成本投入浪費(fèi)，2019年，在磷化電泳入口將康耐視IS2000視覺(jué)相機(jī)安裝在轉(zhuǎn)掛處的工位，用于檢測(cè)輸送轉(zhuǎn)掛的成功性。

圖2 升降臺(tái)向懸鏈-擺桿系統(tǒng)轉(zhuǎn)掛的實(shí)物圖

視覺(jué)相機(jī)自安裝以來(lái)，及時(shí)有效避免將轉(zhuǎn)掛失敗的車身傳輸至槽體內(nèi)，將轉(zhuǎn)掛失敗引起的車身墜落的概率降低至0。此系統(tǒng)在安裝及調(diào)試后，將磷化電泳輸送設(shè)備的自動(dòng)化和智能化有效提升，避免了轉(zhuǎn)掛失敗引起的嚴(yán)重停機(jī)，有效提高生產(chǎn)效率，降低了人工成本投入，減少企業(yè)的損失。

1 可行性分析

在被檢測(cè)點(diǎn)的可視性上，被檢測(cè)物實(shí)際為車身托架的掛耳是否在擺桿的掛鉤內(nèi)，視野開闊，可視性程度較高。

在視覺(jué)相機(jī)本體的功能性上，視覺(jué)相機(jī)集成了拍攝、I/O通訊、實(shí)時(shí)視頻傳輸、二維坐標(biāo)系建立與或非邏輯運(yùn)算、圖片與邏輯的存儲(chǔ)等功能。能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)拍攝方式自動(dòng)尋找訓(xùn)練的擺桿特征點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)調(diào)試賦予的坐標(biāo)偏移量的渠道，抓取被檢測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)（亮度、與被檢測(cè)點(diǎn)的相似度）。

在視覺(jué)相機(jī)與本地PLC的通訊上，視覺(jué)相機(jī)支持PNP模式PLC的I/O通訊，將執(zhí)行拍攝與檢測(cè)成功的信號(hào)通過(guò)PLC遠(yuǎn)程模塊的I/O點(diǎn)接線的方式與視覺(jué)相機(jī)通訊。

在遠(yuǎn)程監(jiān)控上，視覺(jué)相機(jī)支持TCP/IPv4的通訊協(xié)議，能夠以100Mbps的通訊速度向遠(yuǎn)程軟件端傳輸實(shí)時(shí)視頻。

經(jīng)過(guò)上述的分析，通過(guò)視覺(jué)相機(jī)進(jìn)行懸鏈入口轉(zhuǎn)掛的控制與監(jiān)測(cè)的可行性很高。

圖3 康耐視InSight2000視覺(jué)相機(jī)應(yīng)用的實(shí)物圖

2 硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1 邏輯控制器的選型

在邏輯控制器上的選擇，北京奔馳汽車有限公司MRA1噴漆車間廣泛使用了ROCKWELL品牌1756-Lxx型號(hào)的PLC，此類PLC屬于PNP模式的PLC，高電位為有效的輸入/輸出信號(hào)，故在其他現(xiàn)場(chǎng)也可以使用西門子S7系列PLC進(jìn)行視覺(jué)相機(jī)的邏輯控制。

2.2 遠(yuǎn)程I/O適配器及模塊的選型

在遠(yuǎn)程I/O通訊適配器與I/O模塊上，使用了1756-EN2TR與1734-AENTR的Ethernet適配器，使遠(yuǎn)程I/O模塊與PLC以環(huán)型Ethernet網(wǎng)的拓?fù)湫问竭B接。此類網(wǎng)絡(luò)具備通訊速度快、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，PLC能夠快速檢測(cè)到遠(yuǎn)程I/O的狀態(tài)。

圖4 通過(guò)I/O通訊的視覺(jué)相機(jī)柜內(nèi)接線的實(shí)物圖

2.3 視覺(jué)相機(jī)的選型

在視覺(jué)相機(jī)上的選擇上，使用了Cognex Insight 2000系列視覺(jué)相機(jī)，此產(chǎn)品集成了拍攝、I/O通訊、實(shí)時(shí)視頻傳輸、二維坐標(biāo)系建立與或非邏輯運(yùn)算、圖片訓(xùn)練、圖片與邏輯的存儲(chǔ)等功能。此相機(jī)為黑白相機(jī)，故僅通過(guò)亮度、位置關(guān)系以及相似度進(jìn)行圖像處理，通過(guò)升級(jí)型號(hào)也可以實(shí)現(xiàn)字符檢測(cè)、RGB顏色判斷等功能。

圖5 視覺(jué)相機(jī)運(yùn)行中的實(shí)物圖

在圖像識(shí)別控制轉(zhuǎn)掛穩(wěn)定性的應(yīng)用中，控制驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的關(guān)鍵電器元件仍然是PLC。在轉(zhuǎn)掛完成的時(shí)機(jī)，PLC通過(guò)輸出模塊向視覺(jué)相機(jī)的Trigger端口輸入高電位脈沖，視覺(jué)相機(jī)執(zhí)行拍攝及圖像分析處理的工作，并通過(guò)視覺(jué)相機(jī)的輸出端口向PLC反饋分析處理的結(jié)果。然后，視覺(jué)相機(jī)參與驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制中。

3 硬件安裝與調(diào)試

3.1 視覺(jué)相機(jī)的接線

視覺(jué)相機(jī)使用了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)相機(jī)12芯線纜，故實(shí)現(xiàn)I/O通訊需要將相機(jī)的24V供電、輸入/輸出信號(hào)線及其COMM端線，與24V電源、PLC遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)正確連接（如圖6、圖7）。視覺(jué)相機(jī)除正確的連接外，仍需要參數(shù)配置、邏輯規(guī)劃、圖片訓(xùn)練以及通訊配置后方可投入使用。

圖6 視覺(jué)相機(jī)與PLC通訊的示意圖

圖7 視覺(jué)相機(jī)12芯線接線原理圖

3.2 視覺(jué)相機(jī)的曝光度和增益度

以懸鏈轉(zhuǎn)掛的被檢測(cè)點(diǎn)為例，需要的參數(shù)配置如拍攝觸發(fā)方式（I/O單次觸發(fā)、I/O連續(xù)觸發(fā)、本地觸發(fā)等），延遲拍攝時(shí)間、PLC類型、曝光時(shí)間、增益度、輸出延遲時(shí)間等，其中曝光時(shí)間和增益度直接影響拍攝的圖片的質(zhì)量，因此至關(guān)重要。曝光時(shí)間和增一度的調(diào)試以凸顯特征點(diǎn)和被檢測(cè)點(diǎn)為目的，優(yōu)化至特征點(diǎn)和被檢測(cè)點(diǎn)的清晰程度；但是，同時(shí)要避免因?yàn)閳D像過(guò)度清晰造成不必要的細(xì)節(jié)差別被凸顯，從而造成圖像與訓(xùn)練圖片之間的相似度大幅降低。

圖8 視覺(jué)相機(jī)曝光與增益的調(diào)整

3.3 視覺(jué)相機(jī)的觸發(fā)方式

相機(jī)觸發(fā)方式的選擇應(yīng)與PLC邏輯相匹配，避免不觸發(fā)、誤觸發(fā)以及重復(fù)觸發(fā)等狀況，例如，PLC邏輯控制以0.1秒/次的速度持續(xù)Trigger相機(jī)1秒，相機(jī)觸發(fā)方式同時(shí)為I/O連續(xù)觸發(fā)，每次接收拍攝次數(shù)為10次，拍攝間隔為0.1秒/次。實(shí)際拍攝時(shí)每隔0.1秒，相機(jī)均接收到接下來(lái)的1秒內(nèi)拍攝10次的指令，接收到10次。故在調(diào)試時(shí)，應(yīng)考慮PLC輸出信號(hào)的條件與相機(jī)觸發(fā)方式、周期動(dòng)作的匹配性，反之亦然。

圖9 視覺(jué)相機(jī)觸發(fā)方式的調(diào)整

3.4 視覺(jué)相機(jī)的邏輯規(guī)劃

在視覺(jué)相機(jī)的邏輯規(guī)劃上，利用手動(dòng)觸發(fā)相機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行定位-監(jiān)測(cè)。為檢測(cè)被測(cè)件，首先，應(yīng)該精準(zhǔn)定位被測(cè)件。具體方法如圖10，為在配置-檢查部件中，框選圖片中的特征點(diǎn)，作為訓(xùn)練圖片。

在定位工具內(nèi)，集成了圖形查找功能，在圖像查找功能中，主要設(shè)定參考圖形查找范圍，參考圖形和視角內(nèi)圖形的相似度，圖形查找范圍即為在給定區(qū)域內(nèi)尋找參考圖形，在給定區(qū)域內(nèi)設(shè)定參考圖形（如圖10框選區(qū)域，即訓(xùn)練查找的參考圖片），在照相機(jī)掃描圖像時(shí)，照相機(jī)會(huì)根據(jù)掃描圖像與參考圖像的相似度檢測(cè)掃描圖像是否是目標(biāo)圖像，當(dāng)相似度大于給定的圖像相似度時(shí)，照相機(jī)即識(shí)別掃描圖像為目標(biāo)圖像。

圖10 捕獲并訓(xùn)練特征點(diǎn)作為定位基準(zhǔn)

在完成特征點(diǎn)的檢測(cè)后，需要建立特征點(diǎn)與被檢測(cè)點(diǎn)的形位關(guān)系，具體方法如圖11，為在配置-定位部件中，定位示教圖片上被檢測(cè)點(diǎn)的位置，將特征點(diǎn)與被檢測(cè)點(diǎn)的位置偏移關(guān)聯(lián)建立。故視覺(jué)相機(jī)檢測(cè)到特征點(diǎn)后，根據(jù)矢量坐標(biāo)能夠定位到被檢測(cè)點(diǎn)。

圖11 通過(guò)坐標(biāo)定位的被檢測(cè)點(diǎn)

3.5 視覺(jué)相機(jī)檢測(cè)結(jié)果的合格性

完成被檢測(cè)點(diǎn)的定位后，需要確定被檢測(cè)區(qū)域和檢測(cè)合格條件，根據(jù)實(shí)際需求選擇被檢測(cè)區(qū)域的形狀、大小，并選擇檢測(cè)合格條件，例如，亮度、與訓(xùn)練圖片的相似度、形位關(guān)系。以懸鏈轉(zhuǎn)掛的檢測(cè)區(qū)域?yàn)槔粰z測(cè)點(diǎn)為懸鏈擺桿的掛鉤中心是否懸鏈著托架的掛耳。根據(jù)點(diǎn)光源光照強(qiáng)度與距離的公式可知，垂直距離的二次方與光照度成反比。

其中，由于點(diǎn)光源為垂直照射，故偏移角θ為0，故光照度隨著垂直距離增大而驟減。轉(zhuǎn)掛良好的擺桿掛鉤中心被滑撬的掛耳遮擋，距離約0.8m，而轉(zhuǎn)掛不良的掛鉤中心未被遮擋，其背景景深約為1.2m，此時(shí)，掛鉤中心的照度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)掛良好時(shí)的照度。故使用亮度值作為判斷被檢測(cè)區(qū)域是否合格的條件。

視覺(jué)相機(jī)判定亮度是否合格的條件為閾值，根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和需求修改閾值，能夠有效地區(qū)分被檢測(cè)區(qū)域和影像中的臨近區(qū)域。

3.6 視覺(jué)相機(jī)的通訊配置

通訊配置實(shí)際的作用是將相機(jī)線纜內(nèi)承擔(dān)輸入/輸出作用的線以及視覺(jué)相機(jī)的LED指示燈與相機(jī)的輸入/輸出信號(hào)相關(guān)聯(lián)。除了常開式、常閉式的響應(yīng)，也可以旁通地響應(yīng)方式更改配置。其中，Trigger信號(hào)源只有Trigger線纜，故在配置觸發(fā)方式后無(wú)需另外操作；輸出信號(hào)共兩個(gè)，需要將實(shí)際接線的端口與檢測(cè)結(jié)果相關(guān)聯(lián)。

圖12 托架掛耳處的亮度值為129

圖13 托架縱梁處的亮度值為96

圖14 視覺(jué)相機(jī)檢測(cè)合格的閾值大于100

圖15 視覺(jué)相機(jī)的通訊配置

4 邏輯控制程序的編寫

懸鏈系統(tǒng)與懸鏈入口的升降臺(tái)的轉(zhuǎn)掛時(shí)機(jī)控制，由位于懸鏈入口側(cè)懸鏈的編碼器和安裝在懸鏈入口處的接近開關(guān)實(shí)現(xiàn)，因此，每組懸鏈的擺桿在運(yùn)動(dòng)至指定位置時(shí)，編碼器的數(shù)值接近一個(gè)常數(shù)。故完成轉(zhuǎn)掛后，擺桿運(yùn)動(dòng)到視覺(jué)相機(jī)成像范圍內(nèi)的編碼器數(shù)值區(qū)間也是穩(wěn)定的。

當(dāng)擺桿運(yùn)動(dòng)到視覺(jué)相機(jī)成像范圍內(nèi)時(shí)，相視覺(jué)機(jī)將執(zhí)行連續(xù)拍攝動(dòng)作，若視覺(jué)相機(jī)的檢測(cè)結(jié)果為合格，則程序?qū)z測(cè)成功標(biāo)簽的值自鎖，直至下一個(gè)檢測(cè)任務(wù)的開始。如果視覺(jué)相機(jī)在成像范圍內(nèi)檢測(cè)結(jié)果始終為不合格，將懸鏈前進(jìn)的使能值置0，懸鏈將停止運(yùn)行，避免轉(zhuǎn)掛不良的車身進(jìn)入槽內(nèi)。

圖16是PLC程序自動(dòng)化控制的梯形圖模型，其中梯形圖的第一行是相機(jī)拍攝的條件：設(shè)備處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在擺桿運(yùn)行至視覺(jué)相機(jī)視野內(nèi)的編碼器數(shù)值范圍內(nèi)，視覺(jué)相機(jī)將以0.1秒/次的拍攝頻率拍攝，直至檢測(cè)成功或不具備上述條件。

圖16 視覺(jué)相機(jī)的邏輯控制程序

梯形圖的第二行和第五行是PLC確認(rèn)視覺(jué)相機(jī)檢測(cè)合格的邏輯：設(shè)備處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在視覺(jué)相機(jī)反饋檢測(cè)結(jié)果的編碼器數(shù)值范圍內(nèi)，若接收到視覺(jué)相機(jī)的檢測(cè)合格信號(hào)，則將此結(jié)果自鎖直至下一檢測(cè)任務(wù)開始。

梯形圖的第三行和第四行是視覺(jué)相機(jī)的檢測(cè)結(jié)果參與驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制的邏輯：設(shè)備處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在視覺(jué)相機(jī)反饋檢測(cè)結(jié)果的編碼器數(shù)值范圍內(nèi)，始終無(wú)法接收到視覺(jué)相機(jī)的檢測(cè)合格信號(hào)，則報(bào)警并切斷驅(qū)動(dòng)器的使能信號(hào)。

圖17 是視覺(jué)相機(jī)最終檢測(cè)結(jié)果為不合格，懸鏈停止前進(jìn)運(yùn)行時(shí)的圖片，在視覺(jué)相機(jī)的遠(yuǎn)程軟件端，能夠清晰地看到托架掛耳未轉(zhuǎn)掛至擺桿的掛鉤內(nèi)。

圖17 視覺(jué)相機(jī)檢測(cè)結(jié)果為不合格

5 結(jié)語(yǔ)

基于圖像識(shí)別技術(shù)的輸送轉(zhuǎn)掛穩(wěn)定性應(yīng)用的視覺(jué)相機(jī)系統(tǒng)，使用近一年后，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、人機(jī)交互性強(qiáng)、智能化程度高。檢測(cè)轉(zhuǎn)掛不良情況的正確率達(dá)到了100%，故障誤報(bào)警低于1%，起到了對(duì)轉(zhuǎn)掛失敗結(jié)果檢測(cè)的作用，避免了因轉(zhuǎn)掛不良而導(dǎo)致車身墜入槽體的事故3次，為企業(yè)減少了重大停機(jī)事故造成的欠產(chǎn)、產(chǎn)品報(bào)廢等損失，節(jié)約了雙班次共計(jì)4名操作工的人工成本。同時(shí)，在搭建系統(tǒng)過(guò)程中提高了搭建、使用視覺(jué)系統(tǒng)的技能，在增強(qiáng)企業(yè)設(shè)備自動(dòng)化、智能化的程度上起到了積極的效果。此系統(tǒng)的成功應(yīng)用可為同行業(yè)提供一定參考。