視覺檢測系統(tǒng)在缸蓋零件識別中的應(yīng)用

王乙楠 赫嘉琪

摘要：凸輪軸瓦蓋是發(fā)動機(jī)缸蓋主要零部件，不同機(jī)型缸蓋凸輪軸瓦蓋不同，人工手動裝配瓦蓋容易錯裝。視覺檢測系統(tǒng)是近些年來較為先進(jìn)的檢測方式，具備多形式檢測防錯功能。本文對視覺檢測系統(tǒng)在缸蓋凸輪軸瓦蓋安裝識別中的應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹，為機(jī)加工行業(yè)檢測及防錯提供新思路。

Abstract： Camshaft cover is the main component of engine cylinder head with different camshaft cover， manual assembly is easy to cause errors.Visual inspection system is relatively advanced detection means ，it has many forms of testing mistake proofing function. We introduce visual inspection system in the application of camshaft cover recognition， to provide new ideas of the detection and error proofing for machining industry.

關(guān)鍵詞：視覺系統(tǒng);檢測;零件識別

Key words： visual system;detection;part recognition

中圖分類號：TH165+.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0148-02

0? 引言

目前汽車制造行業(yè)正在向智能制造轉(zhuǎn)變，大部分工作內(nèi)容都可以使用自動數(shù)控機(jī)床或者機(jī)器人完成。但仍有部分裝配和檢測工作無法使用機(jī)器替代，依然需要人工完成，不僅工作效率低下，而且在裝配和檢測過程中容易出錯，無法100%保證安裝和檢測準(zhǔn)確性。視覺檢測是新興技術(shù)行業(yè)，已在自動化系統(tǒng)、汽車零部件檢測和智能識別等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)產(chǎn)品識別定位、尺寸和表面缺陷檢測等功能。缸蓋是發(fā)動機(jī)主要零部件之一。缸蓋凸輪軸瓦蓋目前使用人工安裝，由擰緊設(shè)備將螺栓擰緊。缸蓋產(chǎn)品型號眾多，不同型號缸蓋凸輪軸瓦蓋不同，人工安裝存在錯裝風(fēng)險，還會對凸輪軸裝配和運行造成影響。本文將簡要介紹視覺檢測系統(tǒng)及其在缸蓋不同機(jī)型凸輪軸瓦蓋識別中的應(yīng)用。

1? 自動化視覺檢測簡介

肉眼進(jìn)行外觀檢測曾是質(zhì)量管理中不可欠缺的工序。然而隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，自動化視覺檢測已經(jīng)普及到各個領(lǐng)域制造現(xiàn)場。檢測種類和裝置更加多樣，導(dǎo)入難度越來越低。自動化視覺檢測系統(tǒng)指的是使用工業(yè)相機(jī)對檢測對象進(jìn)行拍攝，通過電腦處理圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行外觀檢測。自動化視覺檢測系統(tǒng)可檢測的項目包括：工件有無、尺寸位置、顏色差異、顏色偏移、缺口、污點、毛邊、凸出、凹陷等。

1.1 目視化檢測過程? 目視化檢測圖像處理主要按“拍攝”→“處理”→“輸出”3個階段進(jìn)行（見圖1）。

1.1.1 拍攝階段? 拍攝階段使用工業(yè)相機(jī)拍攝工件圖像，得到穩(wěn)定、正確圖像處理效果，并將數(shù)據(jù)傳送到“處理”階段。此階段用到的主要設(shè)備有：相機(jī)、鏡頭、照明。相機(jī)用于拍攝工件圖像，相機(jī)型號要根據(jù)工件種類、大小、形狀、顏色以及工作環(huán)境等在不同像素數(shù)、傳輸速度、尺寸型號中進(jìn)行選擇。鏡頭由多個鏡片、光圈、調(diào)焦裝置構(gòu)成，根據(jù)監(jiān)視畫面進(jìn)行光圈調(diào)焦，可以得到明亮清晰的圖像。選擇鏡頭時，視野、焦距、焦點、失真等因素都需考慮，可從大容量像素型或高分辨率型等外觀檢測專用鏡頭中選擇。照明光源可通過鏡面反射、漫反射、透射等不同形式，在光線不好工況下得到清晰圖像。不同照明光源可支持金屬、塑料等各種工件外觀，可以根據(jù)識別內(nèi)容、工件尺寸、材料、距離等選擇LED、熒光燈或鹵素?zé)舻取?/p>

1.1.2 處理階段? 處理階段主要硬件是圖像處理控制器，主要對拍攝的圖像進(jìn)行處理判斷，此階段分為預(yù)處理、檢測處理、判斷輸出三個階段。預(yù)處理階段主要對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，使其特征明顯以方便檢測，此階段主要進(jìn)行照明校正、2值化、濾鏡處理、提取顏色處理等工作。檢測處理階段主要對加工數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)以及前期設(shè)置內(nèi)容對檢測對象損傷、尺寸等測量。判斷輸出階段是將檢測內(nèi)容與設(shè)定內(nèi)容進(jìn)行比較，并將結(jié)果輸出，如測量形狀是否與標(biāo)準(zhǔn)圖案匹配，通過區(qū)域傳感器測量面積是否符合設(shè)置要求等。

1.1.3 輸出階段? 輸出階段主要輸出檢測結(jié)果，根據(jù)圖像處理控制器的判斷結(jié)果，控制檢測工位各裝置下一步動作。PLC是輸出階段程序控制的必要設(shè)備，用于驅(qū)動生產(chǎn)線上各種裝置。最終結(jié)果可以選擇通過顯示器實時確認(rèn)檢測情況，也可以使用電腦統(tǒng)計檢測結(jié)果，創(chuàng)建報告。

1.2 目視化檢測原理? 缸蓋凸輪軸瓦蓋識別主要用到輪廓形狀搜索這一功能。輪廓形狀搜索是一種以通過物體輪廓抽取的形狀為基礎(chǔ)的高速度、高精度識別檢查對象功能，從圖像中提取作為搜索標(biāo)準(zhǔn)邊緣實現(xiàn)物體定位和特征尺寸測量。

1.2.1 輪廓搜索預(yù)處理? 由于鏡頭直接獲取的原始圖像存在干擾，通常需要對圖像進(jìn)行濾波、增強(qiáng)等處理來改善圖像質(zhì)量。對于輪廓搜索，圖像濾波器主要是去除圖像內(nèi)干擾，繪制出輪廓從而進(jìn)行邊緣提取。有些濾波器在圖像橫向和縱向上分別進(jìn)行邊緣提取，并對兩者合成的邊緣提取處理。搜索時，先進(jìn)行粗略搜索，再進(jìn)行細(xì)微搜索，從而實現(xiàn)搜索的高速型和高精度。

1.2.2 輪廓圖像對比? 在圖像對比時，首先會設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)圖像存于程序中，在相機(jī)視野范圍內(nèi)，可以設(shè)置多個觀察檢測區(qū)域，通過輪廓搜索識別出的圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行對比，用戶根據(jù)實際情況設(shè)置匹配比例，比如用戶設(shè)置匹配比例為90%，則檢測圖像和標(biāo)準(zhǔn)圖像相似度達(dá)到90%以上則認(rèn)為合格，反之則不合格。

2? 自動化視覺檢測應(yīng)用

某發(fā)動機(jī)工廠每種缸蓋產(chǎn)品的凸輪軸瓦蓋都不相同，在同一種產(chǎn)品上也安裝有不同的凸輪軸瓦蓋，使用自動化視覺檢測功能對瓦蓋進(jìn)行判斷識別，可以防止安裝錯誤導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷逃逸。

2.1 確定檢測特征? 如圖2所示，某缸蓋后三檔瓦蓋與第二檔瓦蓋不同，兩者易裝錯。第一檔凸輪軸有兩種類型，同樣易裝錯。易混裝的凸輪軸瓦蓋相似，僅有局部結(jié)構(gòu)不同，視覺檢測就是通過這些同樣位置不同形狀的特征識別不同瓦蓋，這些特征必須易識別，且要在相機(jī)視野平面上選擇。如圖2所示，本次視覺檢測找到的特征是凸輪軸瓦蓋頂部凸臺，一種為圓形，一種為方形，通過此特征可以識別兩種瓦蓋。大瓦蓋上一種有文字，一種沒有文字，通過文字的有無識別也可以區(qū)分兩種大瓦蓋的不同。

2.2 搭建視覺檢測系統(tǒng)? 找到識別特征后，根據(jù)檢測特征類型、工作環(huán)境等選擇合適相機(jī)型號和光源型號，使其能夠準(zhǔn)確清晰的識別檢測特征。根據(jù)檢測特征位置和工位環(huán)境設(shè)計相機(jī)和光源位置及固定裝置，搭建視覺檢測系統(tǒng)。如圖3所示，根據(jù)工件特征，選擇高像素相機(jī)及條狀光源。凸輪軸瓦蓋位于工件頂部，所以將相機(jī)放置于工件正上方，根據(jù)相機(jī)檢測視野范圍確定相機(jī)高度，光源放置于相機(jī)旁邊，使其易于檢測識別特征。相機(jī)和光源使用鋁型材和鋼板支架固定，固定孔均使用槽狀結(jié)構(gòu)以便微調(diào)。

2.3 視覺檢測設(shè)置

視覺檢測系統(tǒng)搭建完畢后，在相機(jī)視野范圍內(nèi)設(shè)置多個檢測區(qū)域窗口，每個區(qū)域設(shè)置一個標(biāo)準(zhǔn)圖像，在檢測過程中，設(shè)置的檢測區(qū)域自動檢測區(qū)域內(nèi)的圖像，并與標(biāo)準(zhǔn)圖像對比得出檢測結(jié)果。

如圖4所示，凸輪軸瓦蓋視覺防錯將每個瓦蓋特征點設(shè)置為檢測區(qū)域。生產(chǎn)過程中，工件運行至檢測工位停止，9個檢測區(qū)域同時檢測，其中任何一個區(qū)域檢測不合格，此工件則認(rèn)定不合格，踢料至不合格工件輥道。

將判定率設(shè)置為90%，并對視覺檢測功能進(jìn)行驗證。瓦蓋安裝正確檢測相似度為97.1%，系統(tǒng)判定合格。瓦蓋安裝錯誤檢測相似度為43.8%，系統(tǒng)判定不合格。經(jīng)過批量驗證，檢測系統(tǒng)可以對瓦蓋錯裝進(jìn)行識別，實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

3? 結(jié)束語

目前國內(nèi)視覺檢測技術(shù)已經(jīng)飛速發(fā)展，在三維視覺引導(dǎo)、機(jī)器人運動控制、視覺檢測、三維建模掃描等領(lǐng)域都有成熟解決方案。視覺檢測目前已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，但是由于技術(shù)和工況限制，檢測過程中依然存在誤判情況，也并不是所有特征都可使用視覺系統(tǒng)進(jìn)行檢測，視覺系統(tǒng)識別率和精度還有很高提升空間?？傊曈X檢測前景十分廣闊，在工業(yè)生產(chǎn)智能化、現(xiàn)代化、自動化進(jìn)程中必將起到舉足輕重的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋承秀.機(jī)器人視覺檢測在工業(yè)中的應(yīng)用探討[J].汽車實用技術(shù)，2019（07）：187-188.

[2]趙慶斌.機(jī)器視覺技術(shù)在軸零件檢測中的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（22）：171-172.

[3]方軼.零件視覺檢測系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2016.

[4]侯遠(yuǎn)韶.機(jī)器視覺系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用[J].科技資訊，2019（8）：1-3.