基于機(jī)器視覺的汽車輪轂角度檢測(cè)方法研究

方 騫，譚青芳，唐 霞

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，江蘇 無錫 214000）

引言

2020 年5 月，國務(wù)院在《2020 年政府工作報(bào)告》中提出要推動(dòng)制造業(yè)升級(jí)和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，支持制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，推進(jìn)智能制造，培育新興產(chǎn)業(yè)集群；2020 年10 月，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭啟動(dòng)國家標(biāo)準(zhǔn)《智能制造機(jī)器視覺在線檢測(cè)測(cè)試方法》，標(biāo)準(zhǔn)擬就機(jī)器視覺在線檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試流程、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試內(nèi)容等進(jìn)行研究，以厘清機(jī)器視覺在線檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化需求，規(guī)范測(cè)試流程，促進(jìn)機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)在企業(yè)的推廣應(yīng)用[1]；2020 年11 月，中國共產(chǎn)黨中央委員會(huì)公布《中共中央關(guān)于制定“十四五”規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》，瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學(xué)、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領(lǐng)域，實(shí)施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目[2]。

汽車行業(yè)生產(chǎn)制造的各環(huán)節(jié)已基本實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化。為確保汽車零部件制造商和汽車裝配廠所生產(chǎn)產(chǎn)品滿足汽車行業(yè)質(zhì)量要求，需要有一種可靠的檢測(cè)技術(shù)去驗(yàn)證每一次裝配的正確性及裝配部件的合格性。機(jī)器視覺技術(shù)作為一種非接觸測(cè)量技術(shù)，可用于整個(gè)汽車生產(chǎn)過程的檢測(cè)，如檢測(cè)活塞安裝到氣缸內(nèi)時(shí)其方向的一致性、密封膠圈是否扭曲或放入槽內(nèi)、輪轂零件的標(biāo)簽或二維碼等[3-4]。本文就不同類型輪轂零件的共線生產(chǎn)，完成對(duì)視覺部分的集成設(shè)計(jì)，重點(diǎn)討論對(duì)輪轂角度的視覺檢測(cè)修正及排序。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本文涉及的系統(tǒng)由倉儲(chǔ)單元、執(zhí)行單元、分揀單元、檢測(cè)單元組成，目標(biāo)是完成輪轂的角度檢測(cè)，如圖1 所示。其中倉儲(chǔ)單元用于臨時(shí)存放零件；執(zhí)行單元是產(chǎn)品在各個(gè)單元間轉(zhuǎn)換和定制加工的執(zhí)行終端，本系統(tǒng)由ABB 機(jī)器人完成；分揀單元可根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同零件的分揀動(dòng)作；檢測(cè)單元可根據(jù)不同需求完成對(duì)零件的檢測(cè)、識(shí)別。

由圖1 所示，分揀單元傳送帶上隨機(jī)放置三個(gè)輪轂，機(jī)器人從傳送帶上抓取輪轂，檢測(cè)單元對(duì)輪轂零件的定位基準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，將傳送帶上的三個(gè)輪轂放入倉儲(chǔ)單元，且輪轂放置于倉位內(nèi)的精度為±1°。

具體要求如下：設(shè)置傳送帶上三個(gè)輪轂的定位基準(zhǔn)如圖2-1 所示，設(shè)置倉儲(chǔ)單元倉位上輪轂的定位基準(zhǔn)如圖2-2 所示，按照兩個(gè)定位基準(zhǔn)角度差值的絕對(duì)值大小對(duì)輪轂進(jìn)行排序，并將輪轂從大到小依次放置于倉位的順序?yàn)?→5→4。

圖2 輪轂及倉位的定位基準(zhǔn)

2 系統(tǒng)工作流程

要完成輪轂角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，機(jī)器人需要依次拾取三次輪轂。首先預(yù)設(shè)機(jī)器人的姿態(tài)，機(jī)器人各姿態(tài)關(guān)節(jié)坐標(biāo)為：姿態(tài)1[-135，-30，30，0，90，0]；姿態(tài)2[-90，-30，30，0，90，0]；安全姿態(tài)[0，-30，30，0，90，0]。實(shí)現(xiàn)過程如圖3 所示。

圖3 工作過程

機(jī)器人保持安全姿態(tài)，由滑動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)至30 mm處，到位后轉(zhuǎn)至姿態(tài)2，拾取傳送帶上的輪轂i（i 為1～3），轉(zhuǎn)至安全姿態(tài)，導(dǎo)軌移至200 mm 處，轉(zhuǎn)至姿態(tài)1，機(jī)器人動(dòng)作至拍照點(diǎn)位，相機(jī)獲取圖像并輸出角度值，機(jī)器人動(dòng)作回歸姿態(tài)1，再轉(zhuǎn)至安全姿態(tài)，導(dǎo)軌移至30 mm，轉(zhuǎn)至姿態(tài)2，將輪轂放回傳送帶上并同時(shí)修正角度為0°，從左至右依次拾取三個(gè)輪轂，對(duì)存儲(chǔ)的三個(gè)輪轂角度從大到小依次排序，機(jī)器人拾取角度最大的輪轂，轉(zhuǎn)至安全姿態(tài)，向PLC 發(fā)送信號(hào)，彈出倉位6，機(jī)器人將輪轂放置于6 倉，型號(hào)清零，倉儲(chǔ)單元收倉，按角度從大到小依次拾取，放置順序?yàn)?→5→4。

3 輪轂角度檢測(cè)

本文涉及的機(jī)器視覺由歐姆龍L550 高速處理控制器、歐姆龍F(tuán)S 系列CCD 相機(jī)和變焦鏡頭等組成，工業(yè)機(jī)器人為ABB IRB 120 型六自由度機(jī)器人，PLC 型號(hào)為西門子S7-1212D。

受硬件條件的制約，工業(yè)機(jī)器人在將輪轂移至相機(jī)上端呈現(xiàn)全部圖像時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不可達(dá)的情況，為此，采用對(duì)輪轂進(jìn)行局部拍照獲取局部圖像，再對(duì)輪轂進(jìn)行正負(fù)旋轉(zhuǎn)180°的方法，進(jìn)而獲取所需圖像。相機(jī)拍照程序如圖4 所示。

圖4 相機(jī)拍照程序

由圖5 所示，通過示教器建立變量及數(shù)組，具體如下：轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)變量為a、c，轉(zhuǎn)動(dòng)角度變量為b、d；當(dāng)前輪轂的角度數(shù)組為lgjd{i}。

圖5 示教器參數(shù)

3.1 檢測(cè)方法一

如圖6 所示，相機(jī)先獲取圖像并識(shí)別定位基準(zhǔn)，機(jī)器人進(jìn)入判斷程序，如果找到基準(zhǔn)，則上位機(jī)顯示OK，并輸出“1”及角度值reg1，若未找到定位基準(zhǔn)或輪轂角度的絕對(duì)值大于等于180°，則上位機(jī)顯示NG，并輸出錯(cuò)誤值“-1”，工業(yè)機(jī)器人六軸旋轉(zhuǎn)45°，并對(duì)轉(zhuǎn)過次數(shù)a 賦值為a+1（a 的初始值為0），那么轉(zhuǎn)過角度b 則賦值為45 a，再次執(zhí)行拍照，獲取圖像，重復(fù)上述判斷，當(dāng)六軸的旋轉(zhuǎn)次數(shù)a 大于2 時(shí)，機(jī)器人六軸復(fù)位，及旋轉(zhuǎn)至0°，對(duì)b 賦0，反方向旋轉(zhuǎn)45°，此時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)過次數(shù)c 賦值為c+1（c 的初始值為0），轉(zhuǎn)過角度d 則賦值為-45c，再次執(zhí)行拍照，進(jìn)行檢測(cè)，持續(xù)反轉(zhuǎn)，直至拍出定位基準(zhǔn)，得到角度值reg1，所以輪轂角度lgjd{i}為lgjd{i}=reg1+b+d。

圖6 旋轉(zhuǎn)45°檢測(cè)流程

旋轉(zhuǎn)45°對(duì)應(yīng)工業(yè)機(jī)器人側(cè)關(guān)鍵程序，如下頁圖7 所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)45°機(jī)器人關(guān)鍵程序

3.2 檢測(cè)方法二

如下頁圖8 所示，相機(jī)先獲取圖像并識(shí)別定位基準(zhǔn)，機(jī)器人進(jìn)入判斷程序，如果找到基準(zhǔn)，則上位機(jī)顯示OK，并輸出“1”及角度值reg1，若未找到定位基準(zhǔn)或輪轂角度的絕對(duì)值大于等于180°，則上位機(jī)顯示NG，并輸出錯(cuò)誤值“-1”，工業(yè)機(jī)器人六軸旋轉(zhuǎn)60°，并對(duì)轉(zhuǎn)過次數(shù)a 賦值為a+1（a 的初始值為0），那么轉(zhuǎn)過角度b，則賦值為60a，再次執(zhí)行拍照，獲取圖像，重復(fù)上述判斷，當(dāng)六軸的旋轉(zhuǎn)次數(shù)a 大于2 時(shí)，機(jī)器人六軸復(fù)位，及旋轉(zhuǎn)至0°，對(duì)b 賦0，反方向旋轉(zhuǎn)60°，此時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)過次數(shù)c 賦值為c+1（c 的初始值為0），轉(zhuǎn)過角度d 則賦值為-60c，再次執(zhí)行拍照，進(jìn)行檢測(cè)，持續(xù)反轉(zhuǎn)，直至拍出定位基準(zhǔn)得到角度值reg1，所以輪轂角度lgjd{i}為lgjd{i}=reg1+b+d。

圖8 旋轉(zhuǎn)60°檢測(cè)流程

旋轉(zhuǎn)60°對(duì)應(yīng)工業(yè)機(jī)器人側(cè)關(guān)鍵程序，見圖9。

圖9 旋轉(zhuǎn)60°機(jī)器人關(guān)鍵程序

4 結(jié)果分析

對(duì)于上述兩種檢測(cè)角度的方法，要求預(yù)設(shè)場(chǎng)景的測(cè)量角度大于旋轉(zhuǎn)角度，否則會(huì)導(dǎo)致接近旋轉(zhuǎn)角倍數(shù)的角度無法測(cè)量。而Abs（reg1+b）≥180，則為了避免由于預(yù)設(shè)場(chǎng)景測(cè)量角度的偏大導(dǎo)致過度測(cè)量而出現(xiàn)測(cè)量角大于180°的情況出現(xiàn)。相比而言，方法二在方法一的基礎(chǔ)上增大了旋轉(zhuǎn)角度，從而減少了旋轉(zhuǎn)次數(shù)，提高了效率。但是方法二由于成像圖像的放大，在光線等外部條件的作用下，會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)成打磨基準(zhǔn)的誤測(cè)現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)相似度，可降低誤測(cè)率。

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)比較證明，方法一測(cè)量準(zhǔn)確率高，但由于每次旋轉(zhuǎn)角度較小，測(cè)量效率偏低；而方法二，測(cè)量效率高，但誤測(cè)率較高，兩種方法對(duì)機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考，具體可根據(jù)檢測(cè)需求選取合適的檢測(cè)方法。