視覺系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠的應(yīng)用

張振 鄭芳 李凱 劉子涵

[摘 ? ?要]隨著工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程的加快，密封膠的涂裝檢測(cè)系統(tǒng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程的重要組成部分。發(fā)動(dòng)機(jī)作為工業(yè)化最重要的核心部件，其缸體涂膠好壞與否就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體質(zhì)量造成直接影響?；诖?，利用機(jī)器視覺系統(tǒng)來檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠工作，就能從根本上加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠的工作質(zhì)量和效率，讓涂膠工作更加高速穩(wěn)定。文章主要探析視覺系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠的應(yīng)用，以期讓視覺系統(tǒng)更加完善，給發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠工作的開展提供助益。

[關(guān)鍵詞]視覺系統(tǒng);發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠;工藝安全;圖像處理

[中圖分類號(hào)]U466 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）05–0–03

Application of Vision System in Engine Gluing

Zhang Zhen，Zheng Fang，Li Kai，Liu Zi-han

[Abstract]With the acceleration of industrial automation， the coating detection system of sealant has become an important part of engine assembly process. As the most important core component of industrialization， the gluing of the engine block has a direct impact on the overall quality of the engine. Based on this， using machine vision system to detect engine gluing can fundamentally strengthen the quality and efficiency of engine gluing and make the gluing work more high-speed and stable. This paper mainly discusses the application of vision system in engine gluing， in order to make the vision system more perfect and provide help for the development of engine gluing.

[Keywords]visual system; Engine gluing; Process safety; image processing

目前，我國(guó)大多制造企業(yè)在發(fā)動(dòng)機(jī)組件安裝過程中，還主要將人工操作當(dāng)成主要操作主體，這就導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠工作環(huán)節(jié)中存在一定問題，主要表現(xiàn)為涂膠不均勻、涂膠位置精準(zhǔn)度不夠、涂膠工作效率偏低等方面。這些問題的存在，在一定程度上會(huì)破壞發(fā)動(dòng)機(jī)完整性和安全性，輕者導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中出現(xiàn)油體泄漏，重則造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，對(duì)駕駛者的生命財(cái)產(chǎn)安全造成損害。因此，視覺系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠工作中的應(yīng)用，就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)制造有著至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)

意義。

1 視覺系統(tǒng)的概述

從宏觀角度上來看，圖像處理是基于圖像處理技術(shù)的一門機(jī)械或?qū)W科圖像處理系統(tǒng)，測(cè)量和控制設(shè)備以及基于圖像處理的設(shè)備，都屬于視覺系統(tǒng)這一大分類。而從微觀角度理解，機(jī)器視覺系統(tǒng)是指基于視覺識(shí)別的工業(yè)設(shè)備，和工具的測(cè)量控制設(shè)備。機(jī)器視覺系統(tǒng)的研發(fā)和推廣應(yīng)用，能夠有效加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控工作，提高應(yīng)用企業(yè)的自動(dòng)化水平，尤其是在惡劣或不可見的環(huán)境中，有必要用機(jī)器視覺代替人眼。許多現(xiàn)代工廠需要更高產(chǎn)能，而傳統(tǒng)靠人工控制的產(chǎn)品質(zhì)量識(shí)別不僅效率低、精度低，還需要較大的人力投入。但視覺系統(tǒng)可以通過圖像處理來解決這一問題。此外，圖像處理還可以實(shí)現(xiàn)信息收集、存儲(chǔ)和傳輸，采集的圖像數(shù)據(jù)，通過光學(xué)設(shè)備和非接觸式傳感器自動(dòng)記錄和處理，視覺系統(tǒng)不但是真實(shí)物體的圖像處理設(shè)備，更是一種接收?qǐng)D像分析需求信息或控制運(yùn)動(dòng)的重要設(shè)備。

2 視覺系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

視覺系統(tǒng)的完整性，必須擁有良好的視覺處理系統(tǒng)，這就要求在構(gòu)建此系統(tǒng)時(shí)，要按照工廠實(shí)際所需情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證其能夠滿足應(yīng)用效果。視覺系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)中的應(yīng)用，主要是為了讓企業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化和自動(dòng)化。在對(duì)完整的視覺系統(tǒng)開展詳細(xì)分析以后發(fā)現(xiàn)，其主要包含以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

2.1 精準(zhǔn)度高

機(jī)器設(shè)備與人眼相比較存在的優(yōu)勢(shì)可謂天差地別，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠需要人眼利用放大鏡或靠工人自身經(jīng)驗(yàn)去檢測(cè)，而利用機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)微小瑕疵，其可利用效率能夠達(dá)到人眼的幾十倍甚至百倍。

2.2 檢測(cè)效率高

機(jī)器視覺識(shí)別的速度是無與倫比的，尤其是在高速檢測(cè)生產(chǎn)中測(cè)量物體時(shí)，機(jī)器視覺極大提高了操作者的工作效率。

2.3 測(cè)量更加全面

機(jī)器視覺系統(tǒng)在檢測(cè)過程中不會(huì)損壞車身，尤其是敏感部位，從而提高了整個(gè)檢測(cè)的可靠性。它的范圍很廣，特殊的光學(xué)設(shè)備可以檢測(cè)寬的波長(zhǎng)范圍，控制人眼無法看到的波長(zhǎng)范圍，以及它擴(kuò)大了人眼可見的空間。

2.4 測(cè)量結(jié)果更加客觀

人工檢測(cè)最重要的一項(xiàng)缺點(diǎn)，就是檢測(cè)結(jié)果會(huì)依靠檢測(cè)人員的主觀性發(fā)生變化，這就導(dǎo)致工作標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范，機(jī)器視覺系統(tǒng)則不存在這一缺點(diǎn)，其會(huì)按照制定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)部件進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果只有合格與否，更加客觀與可靠。

3 視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用

涂膠質(zhì)量檢測(cè)主要由視覺系統(tǒng)硬件和在線檢測(cè)系統(tǒng)軟件組成。視覺系統(tǒng)通過在線質(zhì)量檢測(cè)軟件實(shí)時(shí)采集和處理標(biāo)定物或膠黏線圖像加工分析，創(chuàng)建膠黏劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，完成在線質(zhì)量檢測(cè)分析，并將結(jié)果保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫。

3.1 涂膠檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用

視覺系統(tǒng)必須選擇高像素、高質(zhì)量的工業(yè)數(shù)碼相機(jī)，同時(shí)配備鏡頭、燈具等，另外還要配備滿足傳輸速度要求的網(wǎng)卡，以及滿足處理速度要求的工控機(jī)等。

（1）設(shè)計(jì)了圖像采集模塊的程序，確定待分析對(duì)象的屬性。然后，圖像處理流程設(shè)計(jì)調(diào)用并更改Visual Basic中的包庫文件，用程序功能實(shí)現(xiàn)所需功能，如添加顯示功能和對(duì)比效果，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以在VB中直接控制，也可以在Visionpro中設(shè)置和控制，完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。

（2）利用Visionpro軟件中的圖像采集模塊，可以實(shí)現(xiàn)橡膠圓筒線樣品的圖像采集。系統(tǒng)需要連續(xù)、快速、簡(jiǎn)單、可靠地獲取被測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的圖像。通過VB直接調(diào)用Visionpro軟件的圖像采集模塊庫文件。

（3）與PLC進(jìn)行通信，獲取攝像機(jī)的觸發(fā)信號(hào)并實(shí)時(shí)傳輸，發(fā)送信號(hào)結(jié)果?？紤]到OPC過程在1s內(nèi)完成，通信方法PLC向PC機(jī)發(fā)送脈沖觸發(fā)信號(hào)，用VB進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信來使Visionpro啟動(dòng)攝像頭模塊并開始捕獲數(shù)據(jù)。測(cè)試完成后，結(jié)果將直接通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)庫塊寫入PLC當(dāng)中，利用VB本地存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)工具中的圖像數(shù)據(jù)在電腦內(nèi)完成檢測(cè)。

在視覺系統(tǒng)硬件設(shè)備方面，選擇合適的光源和照明方式。軟件方面則利用圖像預(yù)處理通過圖像形態(tài)學(xué)中的狹縫算法，濾除影響檢測(cè)的像素雜質(zhì)。采用平面棋盤法和等比例題法，提出了一種解決鏡頭透視圖像畸變的算法，讓測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性更高，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠生產(chǎn)工藝要求。

3.2 涂膠圖像處理模塊設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用

照相機(jī)拍攝的照片必須轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理格式。轉(zhuǎn)化的過程中，相機(jī)拍攝的圖像不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定的失真和變形。所以，有必要讓圖像處理軟件通過一系列的圖像處理步驟，如增強(qiáng)、識(shí)別、特征提取、等方面。獲得對(duì)比度良好的清晰特征圖像后，再對(duì)其進(jìn)一步分析。圖像處理和檢測(cè)一般包括：目標(biāo)、傳感器、捕獲、分析和檢測(cè)。涂膠圖像處理模塊設(shè)計(jì)與開發(fā)，首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠進(jìn)行圖像提取;其次，在Visionpro視覺系統(tǒng)中通過合理進(jìn)行處理之后提取到的相關(guān)圖像;再次，通過vb來使用Visionpro視覺系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)檢測(cè)，同時(shí)利用PLC控制整個(gè)視覺檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)。最后，統(tǒng)計(jì)整理出檢測(cè)完成后的數(shù)據(jù)報(bào)表，明確標(biāo)記所檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠是否符合制定標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 視覺系統(tǒng)中相機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

圖像處理系統(tǒng)是視覺系統(tǒng)的重要組成部分。攝像機(jī)的畸變將攝像機(jī)的像素值轉(zhuǎn)換為實(shí)際毫米級(jí)，這使得涂膠的檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。相機(jī)標(biāo)定是實(shí)際在選擇攝像機(jī)和其他設(shè)備的基礎(chǔ)上，去除攝像機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)?；跀z像機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠關(guān)系的圖像處理系統(tǒng)，零件參數(shù)標(biāo)定適用于大多數(shù)圖像處理系統(tǒng)，尤其是精密測(cè)量，相機(jī)應(yīng)用圖像處理系統(tǒng)的標(biāo)定是非常必要和重要的。

本項(xiàng)目的目的是測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)表面的膠合線。如果考慮膠層厚度的影響，需要使用三維目標(biāo)，這也使測(cè)量過程中計(jì)算過多。在測(cè)量過程中，不用對(duì)景深進(jìn)行考慮，這樣使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。所以，涂膠的膠水線可以看作是校準(zhǔn)目標(biāo)層的二維圖像，這極大減少了計(jì)算量，其對(duì)準(zhǔn)確性的影響可以忽略。

最大視野的鏡頭畸變也可能很大?；诖?，選擇了一種平面標(biāo)靶目標(biāo)的攝像機(jī)模型及標(biāo)定方法。一方面，它位于黑白棋盤之間，距離是固定的，因此很容易找到正確的點(diǎn)（即黑白交叉點(diǎn)）;另一方面，Visionpro中的程序有黑白棋盤視覺模塊，便于開發(fā)和使用。

如果相機(jī)鏡頭畸變較大，忽略畸變的影響可以得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。如果使用較大的線性誤差參數(shù)校準(zhǔn)相機(jī)的畸變系數(shù)，則誤差較大。將這些誤差引入變形系數(shù)，增加了計(jì)算量，降低了計(jì)算效率。如果修正輻射線徑向畸變校正可以與其他線性校正參數(shù)分離。應(yīng)該先消除被測(cè)物體圖像的非線性畸變，然后根據(jù)畸變圖像對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，這樣計(jì)算相對(duì)較小且有效。

3.4 涂膠圖片的預(yù)處理開發(fā)與應(yīng)用

在消除相機(jī)獲取圖片時(shí)的相機(jī)畸變后，因?yàn)樵紙D像噪聲較多，所以信噪就會(huì)偏低。在視覺系統(tǒng)中測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的涂膠面，在磨削過程中，膠面會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦痕跡，發(fā)動(dòng)機(jī)表面的清潔和拋光是一個(gè)非常完整的過程。清洗液殘留等因素導(dǎo)致了背景圖像的復(fù)雜性。此外，由實(shí)際攝像機(jī)記錄的橡膠圓筒線的原始圖像質(zhì)量不高。在邊緣檢測(cè)過程中，需要對(duì)涂膠膠黏線的原始圖像進(jìn)行預(yù)處理。圖像預(yù)處理不僅可以提高原始圖像的視覺效果，而且可以提高邊緣檢測(cè)的準(zhǔn)確性，高識(shí)別率提高了圖像中光線的有效性。視覺識(shí)別是圖像識(shí)別的良好基礎(chǔ)，如果一張照片不能正常工作，它就不能準(zhǔn)確地確定每張照片的具體內(nèi)容。

（1）在Visionpro軟件上，從單個(gè)磁帶中提取輪廓。從相機(jī)鏡頭可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的整個(gè)表面，獲取到的圖像格式為2 592×1 944像素，但并非圖像的每個(gè)部分都包含檢測(cè)測(cè)量有用的信息。大部分圖像是500萬像素高的圖像，帶有大量有用信息的涂膠粘合線信息，很容易被其他無關(guān)信息淹沒。因此，無論是處理加速度還是為了促進(jìn)圖像處理的發(fā)展，圖像中的有用信息量盡可能小，但精度較低沒有必要這樣做。為了使信息盡可能小和準(zhǔn)確，使用軟件選擇框選擇并使用有關(guān)圖像涂膠的有用信息，而更多圖片信息不在考慮范圍內(nèi)。

（2）將原始涂膠圓柱橡膠線圖像分解為不同頻段的信號(hào)，得到橡膠線的高頻信號(hào)。詳細(xì)信息（即缸體和橡膠線之間的邊界）和低頻信號(hào)是圖像的基本信息，考慮到圖像的大部分能量集中在低頻和中頻振幅譜中，圖像的邊緣和噪聲對(duì)應(yīng)于高頻部分。因此，能夠降低高頻分量振幅的濾波器，也可以有效降低噪聲。

（3）如果光源的亮度恒定，則圖像傳感器的表面靈敏度會(huì)隨著相機(jī)曝光時(shí)間的增加而增加。獲得的光通量增加了圖像的亮度，對(duì)比度將在一定范圍內(nèi)增加。但如果暴露如果照明時(shí)間過長(zhǎng)，圖像的亮度會(huì)增加，對(duì)比度會(huì)降低，給后續(xù)的圖像處理帶來不便。同時(shí)，由于攝像頭隨粘合劑機(jī)器人移動(dòng)，粘合劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)信息庫在在線質(zhì)量檢測(cè)中，長(zhǎng)曝光時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)圖像采集時(shí)間，導(dǎo)致圖像采集時(shí)間的誤差。相機(jī)位置的不確定性將直接影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度。根據(jù)曝光時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，線膠對(duì)圖像處理的影響比相機(jī)曝光時(shí)間更敏感。

因此，曝光時(shí)間只能在小范圍內(nèi)設(shè)置。為了獲得更高質(zhì)量的照片良好的圖像處理效果，有必要對(duì)照明系統(tǒng)的設(shè)置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?；趫D像處理的光源確定相機(jī)的曝光時(shí)間后，采集圖像的亮度將隨著光源系統(tǒng)亮度的增加而增加。圖像對(duì)比度也會(huì)在一定范圍內(nèi)增加，曝光時(shí)間與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同如果照明系統(tǒng)過高，圖像對(duì)比度則會(huì)降低。

3.5 視覺系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠中的應(yīng)用驗(yàn)證

設(shè)計(jì)并搭建了基于圖像處理的發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠視覺檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。只有通過測(cè)試才能知道視覺系統(tǒng)是否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠檢測(cè)的基本要求?？傮w必要性測(cè)試主要包含以下方面。

（1）視覺系統(tǒng)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠的檢測(cè)時(shí)間。

（2）檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠穩(wěn)定性是否符合要求。

（3）視覺系統(tǒng)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

整個(gè)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)需要的時(shí)間小于1s。使用一般類型的工業(yè)工程來測(cè)試尺寸檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)間，首先，選擇500片自動(dòng)涂膠測(cè)試樣品，計(jì)時(shí)器用于確定測(cè)試系統(tǒng)需要測(cè)試總時(shí)間約為22 min，機(jī)械機(jī)構(gòu)需要83 s來移動(dòng)和固定缸體。因此，視覺系統(tǒng)在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)間約為0.6 s。通過應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果可知，視覺系統(tǒng)能夠達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)涂膠檢測(cè)的相關(guān)要求，但由于關(guān)于其系統(tǒng)性研究較少，其仍然擁有更大的發(fā)展前景。

4 結(jié)束語

與光學(xué)和光電傳感器相比，視覺系統(tǒng)處理更加方便。自動(dòng)化系統(tǒng)更加多樣化、靈活和可重構(gòu)性較強(qiáng)，如果生產(chǎn)過程需要改變系統(tǒng)，只需調(diào)整軟件參數(shù)，無需更換硬件，生產(chǎn)設(shè)施更新后圖像處理系統(tǒng)可以重復(fù)使用?，F(xiàn)階段，視覺系統(tǒng)檢測(cè)已經(jīng)逐漸取代了手工操作，很大程度上加強(qiáng)了企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化和規(guī)范化。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳衛(wèi)東.“雙減”政策下小學(xué)數(shù)學(xué)特色作業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代農(nóng)村科技，2022（2）：87-88.

[2] 李欲曉，孫吉利，呂瑋.重型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)器人涂膠系統(tǒng)空間坐標(biāo)系定位研究[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2021（1）：44-47.

[3] 張偉.紫外光在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工線涂膠檢測(cè)的應(yīng)用[J].汽車工藝師，2020（9）：15-17.

[4] 丘岳棟，蘇建明，楊廣昊，等.三維視覺檢測(cè)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中的應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2020（5）：164-166，173.

[5] 朱立忠，陳美洋.一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的涂膠缺陷檢測(cè)研

究[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，37（4）：18-22.

[6] 龍海清，王阿素.自動(dòng)涂膠系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（2）：93-94.