基于視覺控制的防錯技術(shù)研究及應(yīng)用

吳連偉，李文博，王 平，欒建偉，張世軍，鞠濤濤

（濰柴動力股份有限公司 一號工廠，山東 濰坊 261061）

0 引言

隨著發(fā)動機(jī)裝配線多品種柔性化生產(chǎn)制造模式的不斷拓展和延伸，制造行業(yè)面臨著產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)質(zhì)、訂單交付準(zhǔn)時(shí)、成本管控精細(xì)及制造過程高效的巨大挑戰(zhàn)，而如何在多品種柔性化生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)防錯技術(shù)的綜合應(yīng)用及優(yōu)質(zhì)高效準(zhǔn)時(shí)的產(chǎn)出，具有重大的戰(zhàn)略意義[1]。

目前國內(nèi)視覺檢測技術(shù)已經(jīng)飛速發(fā)展，在視覺引導(dǎo)、機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動、零部件智能檢測、發(fā)動機(jī)建模掃描及機(jī)型智能識別等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，而通過視覺實(shí)現(xiàn)防錯功能成為一種發(fā)展趨勢[2]。

目前鎖夾錯漏裝仍依靠人工觀察檢測。本研究深入分析了錯漏裝自動檢測裝置的設(shè)計(jì)及視覺系統(tǒng)原理，實(shí)現(xiàn)缸蓋鎖夾的視覺防錯及調(diào)試過程。對視覺系統(tǒng)及防錯技術(shù)的應(yīng)用前景也作了探討。

1 缸蓋鎖夾的作用

WZY 生產(chǎn)線四氣門缸蓋鎖片壓裝機(jī)如圖1、圖2所示，承擔(dān)四氣門缸蓋鎖片壓裝任務(wù)。該機(jī)床分為進(jìn)氣側(cè)壓裝工位、排氣側(cè)壓裝工位、檢測工位，檢測為氣密檢測，存在漏檢的隱患。

圖1 四氣門缸蓋及鎖夾

圖2 四氣門缸蓋鎖片壓裝機(jī)

通過設(shè)計(jì)制作錯漏裝自動檢測裝置，實(shí)現(xiàn)鎖夾的錯漏裝自動檢測，并具備防錯功能，有效防止質(zhì)量事故的發(fā)生，提升裝配過程保障能力。

該自動檢測裝置具備以下特點(diǎn)：

（1）具備錯漏裝識別功能，實(shí)現(xiàn)鎖夾漏裝與錯裝的自動識別。

（2）視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示設(shè)備與PLC 之間的數(shù)據(jù)通訊及檢測結(jié)果。

（3）實(shí)現(xiàn)鎖夾100%檢測，對錯漏裝問題的缸蓋不放行，人工確認(rèn)后放行。

（4）檢測前定位，保障缸蓋檢測位置一致性。

2 視覺系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

機(jī)器視覺系統(tǒng)主要包含光源、相機(jī)、圖像采集卡、主控制器及圖像處理器等，實(shí)現(xiàn)機(jī)器代替眼睛進(jìn)行檢測、測量和數(shù)據(jù)信息判斷，如圖3 所示。

圖3 視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

機(jī)器視覺系統(tǒng)通過圖像采集卡將被測量或檢測目標(biāo)及物體轉(zhuǎn)換成圖像亮度、顏色等信號，然后通過視覺系統(tǒng)傳送給圖像處理器，根據(jù)圖像的像素分布、亮度、顏色等信號，應(yīng)用系統(tǒng)的各種邏輯算法，將檢測目標(biāo)或物體的主要特征，通過主控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)信號特征和數(shù)字化信號特征進(jìn)行比對，整體性控制設(shè)備或設(shè)施的動作[4]。

機(jī)器視覺技術(shù)是建立在視覺信息基礎(chǔ)之上的，在智能制造裝備中，視覺信息采集系統(tǒng)主要是由光源、成像以及處理等幾個(gè)環(huán)節(jié)組成（圖4）。其中通過光控電路控制獲取光學(xué)鏡頭下的目標(biāo)或物體圖像。首先圖像進(jìn)行濾波、增強(qiáng)等處理來改善圖像質(zhì)量；其次在傳感器的作用下，將形成的圖像等信息保存在結(jié)構(gòu)示意圖中的信號存儲電路中，然后經(jīng)過信號放大器和計(jì)算機(jī)的圖像處理等，對目標(biāo)圖像進(jìn)行算法處理，最后獲得經(jīng)過邏輯算法計(jì)算的目標(biāo)圖像視覺信息[5]。

圖4 信號及信息采集流程示意圖

3 錯漏裝自動檢測裝置的設(shè)計(jì)及原理

錯漏裝自動檢測裝置主要包含機(jī)器視覺系統(tǒng)、舉升機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、阻尼氣缸等功能機(jī)構(gòu)組成（圖5）。

圖5 錯漏裝自動檢測裝置

3.1 機(jī)器視覺系統(tǒng)硬件臺架

設(shè)計(jì)機(jī)器視覺硬件臺架，將相機(jī)和光源固定在機(jī)械臺架的橫梁上，可以前后移動方便進(jìn)行位置及視覺系統(tǒng)調(diào)整，如圖6 所示。

圖6 機(jī)器視覺系統(tǒng)硬件框架

相機(jī)用于拍攝產(chǎn)品圖片傳到上位機(jī)進(jìn)行分析，利用視覺圖像處理工具對圖像進(jìn)行分析對比，判斷鎖片壓裝是否合格。光源用來配合相機(jī)使用，給相機(jī)拍攝產(chǎn)品提供足夠和穩(wěn)定的光照，以達(dá)到測試環(huán)境的穩(wěn)定一致。每臺相機(jī)配有單獨(dú)光源，滿足圖片采集時(shí)對光源要求。

3.2 視覺防錯設(shè)計(jì)

臺架前段裝支架安裝傳感器及氣缸阻擋如圖7所示。其能感知缸蓋的到位情況，當(dāng)缸蓋運(yùn)行到指定位置后，傳感器會向上位機(jī)發(fā)送到位信號，以提示上位機(jī)開始控制進(jìn)行檢測。

圖7 到位阻擋氣缸及視覺相機(jī)拍照初始位置

拍照完成后相機(jī)回到視覺系統(tǒng)鏡頭到氣門鎖夾的垂直距離大約為500 mm 位置處。

3.3 工作原理

首先對采集的圖像用圖像處理工具的圓定位，將鎖片壓裝后的特征點(diǎn)截選出（圖8）。選中處理的圖像生成環(huán)形掩膜進(jìn)行分析，在利用相機(jī)軟件里面的偏移工具圖像進(jìn)行精確提取，利用圓定位的工具進(jìn)行采集特證。

圖8 采集圖像及用戶設(shè)定圖像

然后利用所有掃描線上的邊緣點(diǎn)提取圓（圖9）。并對提取的掩膜圖像利用斑點(diǎn)面積工具，進(jìn)行檢測，提取的圖像與標(biāo)準(zhǔn)照片進(jìn)行百分比測試（圖10）。

圖9 掃描線上的邊緣點(diǎn)

圖10 圖像對比測試

最后運(yùn)行視覺軟件中圖像算法對獲取的圖像進(jìn)行對比，最終輸出判定合格與否的結(jié)果，如圖11 所示。

圖11 圖像算法結(jié)果

其具體圖像分析原理說明。

（1）特征定位——通過取中心圓環(huán)的外形輪廓作為定位模板粗定位。特征定位模塊需要指定矩形區(qū)域生成模板圖像。匹配時(shí)使用模板圖像中的邊緣等特征信息在矩形ROI 中進(jìn)行搜索。

（2）圓定位——在通過圓檢出作為精定位。圓定位模塊在有向圓環(huán)ROI 中尋找指定圓的圓心。圓定位不產(chǎn)生角度信息，返回的角度恒為0.0。

在視覺模塊列表中雙擊圓定位后，圖像及數(shù)據(jù)顯示區(qū)域中會出現(xiàn)一個(gè)有向圓環(huán)ROI，表示圓定位的ROI 區(qū)域和圓定位的掃描方向。拖動ROI 到達(dá)預(yù)定位置，通過拖動ROI 上內(nèi)外兩個(gè)半徑以使得掃描方向?yàn)槠谕麪顟B(tài)后，點(diǎn)擊添加后將此模塊添加到處理流程中。

（3）環(huán)形掩膜———根據(jù)上面的圓定位工具，生成環(huán)形掩膜區(qū)域?？梢栽趫D像中添加一個(gè)圓環(huán)掩膜，圓環(huán)掩膜在圖像指定區(qū)域中進(jìn)行圓檢測，用檢測到的圓生成圓環(huán)掩膜。

在視覺模塊列表中雙擊圓環(huán)掩膜后，如圖12 所示，圖像及數(shù)據(jù)顯示區(qū)域中會出現(xiàn)一些圓，不同的元代表不同的幾何元素。

圖12 圓環(huán)掩膜

（4）圖像分析——檢測掩膜區(qū)域內(nèi)的閾值范圍內(nèi)的圖像分析。計(jì)測一個(gè)矩形ROI 中指定顏色的和面積范圍的斑塊總面積或總面積占矩形ROI 面積的百分比。圖像分析比率是圖像分析的和與矩形ROI 面積的百分比，如圖13。

圖13 矩形ROI 面積

（5）檢測結(jié)果——點(diǎn)擊檢測結(jié)果可以定制此圖像單元的檢測結(jié)果邏輯。判定方式有以下五種情況，詳見表1 和圖14。

圖14 流程圖

表1 檢測結(jié)果判定規(guī)則

在實(shí)施初期多次對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行調(diào)研測試，對其鎖夾錯漏裝的情況進(jìn)行估測，現(xiàn)場布置相機(jī)對其鎖夾進(jìn)行測試，確保相機(jī)性能能夠達(dá)到技術(shù)要求并輸出驗(yàn)證報(bào)告。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

視覺防錯技術(shù)的應(yīng)用，對工序節(jié)拍優(yōu)化和作業(yè)平衡率提升起到關(guān)鍵作用，分別為：工序節(jié)拍提升7.7%，作業(yè)平衡率提升13.9%，同時(shí)人均班產(chǎn)出提升10.1%。

4 視覺防錯技術(shù)的應(yīng)用前景

視覺檢測技術(shù)已越來越完善，從行業(yè)的發(fā)展來看，越來越多地視覺檢測技術(shù)應(yīng)用于各類制造行業(yè)，廣泛應(yīng)用在發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線裝配領(lǐng)域中的各個(gè)工序及裝配環(huán)節(jié)，承擔(dān)著各類發(fā)動機(jī)零部件裝配檢測以及防錯等作業(yè)。目前在各大主要發(fā)動機(jī)生產(chǎn)基地，發(fā)動機(jī)零部件裝配環(huán)節(jié)中，視覺檢測技術(shù)應(yīng)用到大量的零部件裝配的檢測及防錯場景列表2。

表2 視覺防錯技術(shù)的應(yīng)用前景

5 結(jié)語

防錯技術(shù)在發(fā)動機(jī)裝配領(lǐng)域起到越來越重要的作用，在保障產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率和降低制造成本方面具有巨大的意義。而防錯技術(shù)的研究及應(yīng)用逐漸成為制造行業(yè)柔性化生產(chǎn)制造的重要研究方向。

主要通過設(shè)計(jì)制作缸蓋的舉升機(jī)構(gòu)及定位機(jī)構(gòu)，通過阻尼氣缸、傳感器等關(guān)鍵零部件，采取視覺檢測技術(shù)，系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)了視覺防錯裝置。應(yīng)用后，工序生產(chǎn)效率提升7.7%，作業(yè)平衡率提升13.9%，同時(shí)人均班產(chǎn)出提升10.1%。