基于視覺(jué)檢測(cè)的隨行夾具識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用

魏斌　陸遠(yuǎn)琪　彭偉文

摘 要：車(chē)身車(chē)間高柔性主焊線導(dǎo)入車(chē)型多，下車(chē)體總成零件使用隨行夾具進(jìn)行車(chē)體輸送，而隨行夾具需要頻繁切換，各個(gè)車(chē)型夾具需要識(shí)別并做程序防錯(cuò)。其主要采用線旁固定安裝的激光測(cè)距開(kāi)關(guān)做識(shí)別防錯(cuò)，該種檢測(cè)方式存在成本高、調(diào)試難、柔性差，且影響白車(chē)身裝配質(zhì)量等問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于視覺(jué)檢測(cè)的隨行夾具識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含相機(jī)、工控機(jī)、光源、圖像采集卡等硬件，通過(guò)視覺(jué)處理軟件Vision Master識(shí)別隨行夾具上變化的特征并測(cè)量白車(chē)身上邊緣直線與隨行夾具氣缸幾何中心之間的距離，并利用軟件內(nèi)的判斷邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)多種車(chē)型夾具狀態(tài)的識(shí)別及防錯(cuò)。視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用于車(chē)身車(chē)間高柔性輸送主焊線的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，防錯(cuò)一致性精度高，界面可視化強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有效提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：隨行夾具 視覺(jué)識(shí)別

1 引言

車(chē)間當(dāng)前使用的激光測(cè)距識(shí)別系統(tǒng)采用激光測(cè)距儀對(duì)隨行夾具上的多個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PLC控制程序讀取距離并判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)隨行夾具狀態(tài)的識(shí)別。由于生產(chǎn)節(jié)拍較高，勾銷(xiāo)下落與白車(chē)身放置動(dòng)作時(shí)間間隙較小，且設(shè)備間通訊存在一定延遲，勾銷(xiāo)存在提前關(guān)閉導(dǎo)致白車(chē)身位置偏移的可能，該偏移激光測(cè)距儀無(wú)法識(shí)別，導(dǎo)致白車(chē)身質(zhì)量不及格，造成損失；同時(shí)實(shí)際應(yīng)用中由于隨行夾具間存在差異，增加車(chē)型時(shí)需耗費(fèi)大量人工調(diào)試激光測(cè)距儀，而且新增車(chē)型對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位需要增加激光測(cè)距儀，成本較高，調(diào)試過(guò)程繁瑣。隨著車(chē)型的增加以及生產(chǎn)節(jié)拍的提升，該系統(tǒng)缺點(diǎn)已嚴(yán)重影響產(chǎn)線的生產(chǎn)和改造。

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)可有效提高產(chǎn)線檢測(cè)速度和精度，可完成識(shí)別、測(cè)量、定位等功能。目前視覺(jué)檢測(cè)在電子、印刷、塑料、紡織等行業(yè)得到應(yīng)用。為了解決激光測(cè)距成本高、偏移無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題，車(chē)間設(shè)計(jì)并應(yīng)用了一個(gè)基于視覺(jué)檢測(cè)的隨行夾具狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，在可以識(shí)別多種隨行夾具狀態(tài)的基礎(chǔ)上，具備檢測(cè)勾銷(xiāo)夾緊時(shí)白車(chē)身與勾銷(xiāo)的配合是否符合要求的功能。

2 隨行夾具狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)組成

2.1 硬件組成

系統(tǒng)硬件主要包括相機(jī)、控制電腦、光源及光源控制器。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已有布局，使用6臺(tái)相機(jī)對(duì)隨行夾具兩側(cè)的夾具進(jìn)行拍攝，相機(jī)采用HIKROBOT的MV-CU050-60GM型工業(yè)面陣相機(jī)，分辨率2592×1944，輸出黑白圖像，工作電壓12VDC，額定功耗5W；光源使用HIKROBOT的MV-LLDS-H-300-40-W型條形光源，最佳工作距離30～500mm，功率21.2W；光源控制器使用雙通道模擬控制器，輸出功率200W，提供旋鈕和串口方式控制光源亮度，采用電壓控制方式為光源提供照明強(qiáng)度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，控制電腦應(yīng)使用具備足夠的圖像處理能力以及充足的存儲(chǔ)空間的計(jì)算機(jī)，以確保6臺(tái)相機(jī)的圖像可以在1s內(nèi)完成處理并發(fā)送PLC，同時(shí)收集的圖像以及結(jié)果需要保留30天。

視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的相機(jī)及光源現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)物如下圖2所示。

2.2 開(kāi)發(fā)軟件

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件使用視覺(jué)處理軟件Vision Master，該軟件具備開(kāi)發(fā)靈活、低應(yīng)用門(mén)檻、工具豐富、性能優(yōu)秀、相對(duì)年輕等特點(diǎn)，利用軟件自帶的圖像采集、定位和測(cè)量等視覺(jué)功能模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求的同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)周期，操作員進(jìn)行短期培訓(xùn)即可保證系統(tǒng)正常運(yùn)行和維護(hù)。

軟件匹配的過(guò)程是將數(shù)據(jù)集中源圖像通過(guò)索引與庫(kù)中模板依次進(jìn)行比較，在匹配過(guò)程中將模板與圖像比較計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在矩陣中，通過(guò)評(píng)分算法給出模板在數(shù)據(jù)集中估計(jì)的最佳位置，模板匹配公式如下所示。

L*=arg max（S（li））

其中，li∈L={l1，l2…}，li代表位姿即x，y，θ，sineO，sinex，siney。

為應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜情況，通過(guò)使用VM算法開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供的控制和數(shù)據(jù)獲取接口來(lái)完成自定義開(kāi)發(fā)，采用誤差平方和算法實(shí)現(xiàn)基于灰度值的常用模板匹配。

D（i，j）=[S（i+s-1，j+t-1）-T（s，t）]2

首先選擇一塊ROI作為模板圖像，生成基于灰度值的模板；然后將檢測(cè)圖像與模板圖像進(jìn)行粗匹配，在檢測(cè)圖像與模板圖像中任選一點(diǎn)，采取隔點(diǎn)搜索的方式計(jì)算二者灰度的相似性，這樣粗匹配一遍得到粗相關(guān)點(diǎn);接下來(lái)進(jìn)行精匹配，將得到的粗相關(guān)點(diǎn)作為中心點(diǎn)，用最小二乘法尋找二者之間的最優(yōu)匹配點(diǎn)。

3 識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)方案

3.1 通訊部分

通訊部分包含用于PLC變量交互的EtherNet/IP CIP通訊全局通訊模塊、用于PLC交互拍照指令來(lái)觸發(fā)流程進(jìn)行取圖識(shí)別的全局事件觸發(fā)模塊。

3.2 檢測(cè)部分

檢測(cè)部分主要包括圖像源模塊、特征匹配模塊、直線查找模塊、測(cè)量模塊、條件檢測(cè)模塊、初始化模塊、腳本模塊等。夾具狀態(tài)識(shí)別主要由快速匹配模塊與灰度匹配模塊完成，勾銷(xiāo)狀態(tài)識(shí)別主要由快速匹配模塊、直線查找模塊、和測(cè)量模塊完成。

隨行夾具狀態(tài)識(shí)別的主要內(nèi)容為系統(tǒng)讀取特征并得出該特征的狀態(tài)參數(shù)（匹配分?jǐn)?shù)、匹配角度），并針對(duì)錯(cuò)誤識(shí)別出多個(gè)車(chē)型的特殊情況設(shè)置報(bào)警判斷，隨后進(jìn)行條件檢測(cè)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的車(chē)型分支。夾具狀態(tài)識(shí)別流程圖如圖3所示。

在特征匹配模塊中，快速匹配的功能與灰度匹配功能相似，區(qū)別在于應(yīng)用場(chǎng)景的不同，快速匹配適用于精度要求低的特征識(shí)別，灰度匹配主要針對(duì)磨損較多的區(qū)域的特征識(shí)別?，F(xiàn)場(chǎng)隨行夾具上氣缸存在不同程度的磨損導(dǎo)致圖像中的氣缸輪廓不清晰，其結(jié)果為快速匹配出的特征的匹配分?jǐn)?shù)明顯下降，降低匹配的正確率，利用灰度匹配以圖像各個(gè)像素點(diǎn)的灰度為基礎(chǔ)建立模板，匹配灰度相近的目標(biāo)物體的特點(diǎn)，在磨損較多的區(qū)域使用灰度匹配可提高匹配精度及正確率。

勾銷(xiāo)配合狀態(tài)識(shí)別采用兩個(gè)方案，一是通過(guò)氣缸的缸體與活塞桿標(biāo)識(shí)物塊之間的距離進(jìn)行識(shí)別，測(cè)量距離為線與線之間的最小距離，二是通過(guò)車(chē)身與氣缸的缸體之間的特征進(jìn)行識(shí)別，測(cè)量距離為線與點(diǎn)之間的最小距離。在實(shí)際應(yīng)用中，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，實(shí)際上氣缸會(huì)被氣路管道或者升降機(jī)支撐柱遮擋，在方案一難以實(shí)行的區(qū)域，方案二可作為在氣缸被遮擋時(shí)的替代方案。

無(wú)遮擋區(qū)域所使用的勾銷(xiāo)配合狀態(tài)識(shí)別通過(guò)白車(chē)身上的線條到與氣缸的幾何中心之間的距離來(lái)判斷落位狀態(tài)是否正常。勾銷(xiāo)狀態(tài)識(shí)別流程圖如圖4所示。

勾銷(xiāo)配合狀態(tài)識(shí)別流程中包括對(duì)白車(chē)身與當(dāng)前隨行夾具車(chē)型是否對(duì)應(yīng)的判斷，針對(duì)直線查找可能出現(xiàn)的異常設(shè)置了直線斜率是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的判斷。

4 應(yīng)用與展望

4.1 人機(jī)交互

通過(guò)VM軟件自帶的顯示界面編輯功能，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行界面，系統(tǒng)完成一次拍照并完成圖像處理后將圖像與匹配的特征展示在視覺(jué)識(shí)別結(jié)果界面，將生產(chǎn)信息以及系統(tǒng)各個(gè)流程的結(jié)果通過(guò)清晰的文字加以顯眼的顏色展示出來(lái)，操作者可通過(guò)識(shí)別結(jié)果界面快速了解異常來(lái)源，同時(shí)后續(xù)可進(jìn)入后臺(tái)界面查找相關(guān)參數(shù)，做進(jìn)一步的原因分析及制定措施。

目前的運(yùn)行界面上所能展示的僅限于圖像處理的結(jié)果，在智能制造的大趨勢(shì)下，利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行的故障預(yù)測(cè)性維護(hù)是智能制造的重要發(fā)展方向。VM 軟件在圖像處理時(shí)伴隨著大量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，數(shù)據(jù)中包含了大量與生產(chǎn)相關(guān)的信息，目前該資源無(wú)法有效利用，可通過(guò)軟件輸出進(jìn)行分析，例如針對(duì)同一個(gè)隨行夾具的匹配分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成圖表的形式，可以直觀地看出隨行夾具的磨損情況以及趨勢(shì)，若磨損程度對(duì)匹配分?jǐn)?shù)的影響達(dá)到一定程度，系統(tǒng)可以通過(guò)報(bào)警提前告知現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員，并根據(jù)變化時(shí)間進(jìn)一步分析其原因，實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)測(cè)性維護(hù)。

4.2 識(shí)別精度

在識(shí)別過(guò)程中，直線查找的準(zhǔn)確與否將直接影響勾銷(xiāo)識(shí)別的結(jié)果。直線查找的原理是通過(guò)在查找梯度閾值最大的邊緣點(diǎn)集合，然后擬合成直線。利用標(biāo)定板計(jì)算像素距離，對(duì)標(biāo)定板（100mm×100mm）和1元硬幣（25mm×25mm）的外圍輪廓在工裝所處平面的任意位置測(cè)量5次，計(jì)算出圖像像元尺寸約為0.18mm×0.18mm。

勾銷(xiāo)提前關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致車(chē)身被抬升2～4mm，即認(rèn)為視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的精度只需要達(dá)到±1mm便可達(dá)到設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)測(cè)試在零件毛刺和表面異常干擾下直線查找得出的邊緣點(diǎn)擬合線與圖像實(shí)際直線間最大偏差為三個(gè)像素點(diǎn)，即偏移約Δ max=0.54m，因此系統(tǒng)的識(shí)別精度滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求。

雖然直線斜率的限制可以在一定程度上避免白車(chē)身表面異常的干擾，但不能無(wú)視其影響，同時(shí)系統(tǒng)查找的直線因零件表面光潔區(qū)域不均勻或是不平整而導(dǎo)致直線偏移無(wú)法完全消除，直線查找的功能仍需進(jìn)一步優(yōu)化。如圖6中，在右側(cè)區(qū)域的直線查找只需要從閾值較高的一側(cè)向上進(jìn)行查找滿(mǎn)足條件的第一條直線，而左側(cè)的大部分區(qū)域都需要查找最接近區(qū)域中線且滿(mǎn)足條件的直線，因此直線查找功能需要根據(jù)查找區(qū)域內(nèi)閾值變化的規(guī)律調(diào)整內(nèi)部參數(shù)以提高實(shí)際查找的精度，提高效率的同時(shí)避免復(fù)雜表面直線查找產(chǎn)生偏移。

在以環(huán)境光照強(qiáng)弱、節(jié)拍快慢為變量的生產(chǎn)測(cè)試中，收集6000余臺(tái)次生產(chǎn)的不同批次測(cè)試結(jié)果，視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別效率及穩(wěn)定性達(dá)到了生產(chǎn)需求，但在大量的生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中仍有零件本身的一致性尺寸偏差而導(dǎo)致車(chē)身偏移無(wú)法檢測(cè)出的情況出現(xiàn)，視覺(jué)系統(tǒng)需要在后續(xù)優(yōu)化中增加針對(duì)零件本身質(zhì)量變化點(diǎn)的監(jiān)控機(jī)制。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了一種識(shí)別隨行夾具狀態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭配通訊模塊和檢測(cè)模塊，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求的識(shí)別精度， 同時(shí)具備高效的人機(jī)交互功能，可有效提升白車(chē)身產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)提升生產(chǎn)運(yùn)行效率，且系統(tǒng)維護(hù)便利，可拓展性強(qiáng)。

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