視覺(jué)技術(shù)在柴油機(jī)裝配生產(chǎn)線上的應(yīng)用研究

隋吉林 劉云川 黃澒 高東鳴

（玉柴聯(lián)合動(dòng)力股份有限公司 安徽蕪湖 241000）

目前，國(guó)內(nèi)柴油機(jī)裝配生產(chǎn)線多以人工作業(yè)為主，因柴油機(jī)零件特有的重、大、操作困難等特點(diǎn)，生產(chǎn)效率低，且質(zhì)量控制手段不充分，與汽油機(jī)裝配線水平有著一定的差距。自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)線一直是國(guó)內(nèi)機(jī)械制造企業(yè)追求的目標(biāo)，隨著視覺(jué)技術(shù)的引進(jìn)和突破，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)重型機(jī)械制造企業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展，解決人工作業(yè)困難問(wèn)題的同時(shí)，提升機(jī)器效率及設(shè)備質(zhì)量保證能力，給各個(gè)企業(yè)提供了新的質(zhì)量保證方法和創(chuàng)新手段，也是未來(lái)柴油機(jī)裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用研究的關(guān)鍵技術(shù)。

1 柴油機(jī)裝配生產(chǎn)線面臨的質(zhì)量技術(shù)問(wèn)題和挑戰(zhàn)

（1）柴油機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量保證能力的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著國(guó)家制造業(yè)的發(fā)展，我國(guó)柴油機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)愈演愈烈，尤其是對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)。我國(guó)大部分柴油機(jī)生產(chǎn)線裝配比較落后，質(zhì)量控制手段不足，給企業(yè)的生存和發(fā)展帶來(lái)沉重的壓力［1］。尤其是柴油機(jī)行業(yè)供應(yīng)鏈，新興國(guó)內(nèi)企業(yè)多，水平參差不齊，質(zhì)量隱患多，一致性差，所以需要主機(jī)廠提升自我質(zhì)量保證能力，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的供應(yīng)鏈形式。但是，如果沒(méi)有好的手段和檢出方式，會(huì)給生產(chǎn)效率帶來(lái)嚴(yán)重影響，所以，很多企業(yè)在質(zhì)量和效率之間難以抉擇。另外，由于商用車行業(yè)產(chǎn)品的多樣化和定制化，產(chǎn)品型譜千變?nèi)f化，零件種類變化萬(wàn)千，外觀差異小，容錯(cuò)率低，所以只靠人工判斷，識(shí)別率低，錯(cuò)誤率高，給產(chǎn)品市場(chǎng)形象帶來(lái)很大的負(fù)面影響，亟須尋找一種新的創(chuàng)新技術(shù)來(lái)解決制造過(guò)程中的問(wèn)題［2］。

（2）機(jī)器協(xié)同作業(yè)效率低。隨著自動(dòng)化的提升，越來(lái)越多的設(shè)備投入到生產(chǎn)線上，但是問(wèn)題同樣隨之產(chǎn)生。機(jī)器人利用率及使用效率低，需要配合大量的二次定位、夾緊等協(xié)同方式才能完成作業(yè)，更多地還是需要依靠人機(jī)協(xié)同方式，導(dǎo)致整體效率水平停滯不前。由于機(jī)器人本身的防錯(cuò)能力不足，裝夾精度不夠、碰撞等問(wèn)題隨之產(chǎn)生。同時(shí)，對(duì)標(biāo)國(guó)際工業(yè)4.0 制造企業(yè)，還有很長(zhǎng)的一段距離［2］。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與可靠性追溯。隨著客戶需求的提高，商用車的B10壽命不斷提升，質(zhì)保期也不斷延長(zhǎng)，對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和追溯的要求變得越來(lái)越嚴(yán)格。很多產(chǎn)品外觀尺寸、缺陷、制造過(guò)程的作業(yè)結(jié)果等的追溯成為了新的制造難題。尤其是涉及密封圈、涂膠、外觀清潔度等作業(yè)都是由人工來(lái)完成，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠性追溯，更無(wú)法溯源作業(yè)時(shí)的真實(shí)狀態(tài)，給制造型企業(yè)帶來(lái)很大的麻煩，也無(wú)法給未來(lái)的大數(shù)據(jù)分析提供很好的數(shù)據(jù)支撐。

2 視覺(jué)技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)架——多樣化、智能化

現(xiàn)代視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于之前的工業(yè)相機(jī)技術(shù)，亦可以稱之為智能相機(jī)。目前，已經(jīng)開發(fā)出多種模式和構(gòu)架，以更好地適應(yīng)不同企業(yè)應(yīng)用的不同場(chǎng)景和不同需求。視覺(jué)技術(shù)主要分為以下板塊［3］。

2.1 光源

現(xiàn)代視覺(jué)技術(shù)更多地應(yīng)用LED 光源，因?yàn)長(zhǎng)ED 光源穩(wěn)定、亮度高，可以給相機(jī)提供充分適宜的拍攝環(huán)境，同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用多色光源（目前市場(chǎng)最多的應(yīng)用為八色光源），可以改變波長(zhǎng)，以便識(shí)別物體間的微小顏色色差。

2.2 光亮反饋裝置

光亮反饋主要依靠光電二極管，也可稱之為感光元件（CCD/CMOS），配合應(yīng)用光量實(shí)時(shí)控制電路，對(duì)LED 光源控制、補(bǔ)償，實(shí)時(shí)反饋和調(diào)整。同時(shí)，超高速拍攝搭載超高高亮LED光源，可瞬間生成紋理圖像，且同時(shí)分析多張圖像，從而實(shí)現(xiàn)快速分析檢測(cè)。

2.3 濾鏡

濾鏡主要作用是突出或抑制特定波長(zhǎng)的范圍和顏色，增強(qiáng)所拍攝的圖像對(duì)比度，以增強(qiáng)識(shí)別率。濾鏡可以分為吸收濾鏡和偏振濾鏡，對(duì)用不同的應(yīng)用范疇選用不同的濾鏡。吸收濾鏡可以吸收特定波長(zhǎng)的光譜，讓其他光譜通過(guò)；偏振濾鏡只能允許特定波長(zhǎng)的范圍光通過(guò)（偏振濾鏡一般應(yīng)用于特殊材料的濾光場(chǎng)景）。

2.4 相機(jī)

可分為2D 和3D 相機(jī)（也有介于2D 和3D 之間的2.5D相機(jī)）。2D更多用于平面拍攝，多段像素配合，直接生成拍攝圖片，重復(fù)精度雖然可達(dá)到±0.1mm。但是2D 相機(jī)對(duì)于動(dòng)態(tài)捕捉的能力較差，對(duì)比度不高，容易受到速度、物體反光、姿態(tài)和環(huán)境的影響，效果也很難達(dá)到預(yù)期（2D相機(jī)必須配置專用的光源才能達(dá)到理想效果）。對(duì)于動(dòng)態(tài)捕捉的需求更多的應(yīng)用是3D 相機(jī)，3D 相機(jī)一般的最大拍攝范圍是520mm×390mm×200mm，重復(fù)精度可達(dá)到±0.1mm，可以生成物體的空間幾何尺寸，同時(shí)克服對(duì)比度的影響，可以通過(guò)圖像識(shí)別出最小高度、最大高度、凸面積、凹面積及體積參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)更加靈活自由的檢測(cè)，由于3D 相機(jī)的配置特殊性，所以不需要配置單獨(dú)的光源［4］。

3D 相機(jī)利用三角測(cè)量原理，通過(guò)特殊鏡頭，使激光束被以倍數(shù)的形式放大后，形成靜態(tài)激光線透射到目標(biāo)物體上。首先，在被測(cè)量物體上進(jìn)行二維輪廓掃描，形成X 軸方向的參數(shù)；其次，通過(guò)漫反射原理投射到傳感器上，計(jì)算并形成Y 軸方向的參數(shù)；最后，將X軸與Y軸參數(shù)組合在一起，形成所需要的3D數(shù)據(jù)。3D視覺(jué)技術(shù)繼承了2D視覺(jué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，彌補(bǔ)了2D視覺(jué)無(wú)法檢測(cè)3D尺寸的不足。

3D 相機(jī)可同時(shí)進(jìn)行多次拍攝，根據(jù)灰度圖像，對(duì)每個(gè)像素的顏色進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)彩色檢測(cè)。高精度捕捉功能，配合全局快門方式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)全局捕捉，任意時(shí)間點(diǎn)，所有像素都可以接受相同光亮。同時(shí)，可以自動(dòng)改變快門速度，拍攝多張照片，并通過(guò)高速合成圖像，不存在曝光過(guò)多或者過(guò)少的情況，即使在現(xiàn)場(chǎng)光源不均勻或者現(xiàn)場(chǎng)情況不穩(wěn)定時(shí)，也可以獲取最適合處理的圖像。3D相機(jī)掃描形式分為線掃和面掃兩種，企業(yè)可以依據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景、不同拍攝面積、不同材料來(lái)選擇不同的形式。

2.5 智能處理系統(tǒng)及學(xué)習(xí)功能

（1）預(yù)處理功能。智能系統(tǒng)可以自主進(jìn)行線狀缺陷抽取、實(shí)時(shí)濃淡補(bǔ)正，取消工件表面形成的陰影和不均勻光亮；同時(shí)，具備抗干擾控制，消除環(huán)境因素等影響因素，從而增加圖像對(duì)比度。智能處理系統(tǒng)還要進(jìn)行圖像模糊處理，消除檢測(cè)中不需要的特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的檢測(cè)，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)差分圖像及明亮補(bǔ)正，通過(guò)在每次檢測(cè)出與基礎(chǔ)圖像的差異進(jìn)行補(bǔ)正，從而為圖像精準(zhǔn)對(duì)比及分析提供前期基礎(chǔ)。

（2）圖像校正。系統(tǒng)應(yīng)用先進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)正傾斜，補(bǔ)正透鏡失真，從而消除物體姿態(tài)、顏色失真等因素影響，使各個(gè)圖像在比對(duì)時(shí)建立統(tǒng)一基點(diǎn)；但是，被測(cè)量物體不可以疊放或者相互干涉，否則會(huì)影響圖像的生成與結(jié)果的判定。

（3）控制器。產(chǎn)線依據(jù)容量和速度要求選擇控制器型號(hào)，相機(jī)控制器需要與機(jī)器人/線體控制器（PLC）通信，同時(shí)控制相機(jī)運(yùn)作，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償和精準(zhǔn)控制。

（4）智能學(xué)習(xí)。系統(tǒng)帶有自學(xué)習(xí)模式，可以自動(dòng)計(jì)算、設(shè)定閾值，自動(dòng)去除不良品信息，排除不穩(wěn)定因素，將現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)導(dǎo)向成功。同時(shí)，進(jìn)行自我程序修正，并形成修正記錄備案。

2.6 存儲(chǔ)追溯

所生成圖像和對(duì)比結(jié)果可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存儲(chǔ)至本地服務(wù)器，也可聯(lián)通其他信息系統(tǒng)，如MES、QDAS、SPC等，實(shí)現(xiàn)永久儲(chǔ)存，精準(zhǔn)檢索。

2.7 大數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)采集和算法迭代，將來(lái)還可以實(shí)現(xiàn)故障概率預(yù)測(cè)、自動(dòng)工藝參數(shù)調(diào)整、故障關(guān)聯(lián)性分析等智能化預(yù)測(cè)和應(yīng)用。

2.8 視覺(jué)算法

視覺(jué)算法是視覺(jué)技術(shù)的核心，依據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，配套設(shè)計(jì)不同的算法，越復(fù)雜的環(huán)境和操作，對(duì)應(yīng)的算法也就更加復(fù)雜。算法決定了視覺(jué)的系統(tǒng)構(gòu)架及使用性能。隨著視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)向著標(biāo)準(zhǔn)化模塊的方向發(fā)展，即不同領(lǐng)域?qū)?yīng)不同的標(biāo)準(zhǔn)算法，給視覺(jué)的應(yīng)用層面上建立了很好的基礎(chǔ)，也可以更好地發(fā)揮出視覺(jué)技術(shù)的深度和廣度。

3 視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)——感官變?yōu)榱炕?/h2>

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景

（1）有無(wú)防錯(cuò)。通過(guò)拍攝與標(biāo)準(zhǔn)圖像比對(duì)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)有無(wú)防錯(cuò)和檢出，更多應(yīng)用于檢查密封件、隨機(jī)附件及標(biāo)準(zhǔn)件等，解決數(shù)量多、狀態(tài)雜而引起的人工檢查錯(cuò)誤或者遺漏問(wèn)題，同時(shí)可生成檢查日志，用于故障追溯。

（2）外觀瑕疵。檢測(cè)零件外觀缺陷的大小、形狀、個(gè)數(shù)等，將人為感官變成量化參數(shù)，將人工頻檢變?yōu)樵诰€100%檢驗(yàn)，提升質(zhì)量保證能力，同時(shí)也可生成三維圖像，更加直觀地展示缺陷形式。

（3）掃碼、識(shí)字。識(shí)別數(shù)字、條形碼或二維碼，用于記錄零件號(hào)或者件號(hào)的匹配準(zhǔn)確性識(shí)別，替代人工抄錄，減少錯(cuò)誤產(chǎn)生。

（4）尺寸檢測(cè)。在一定范圍內(nèi)，最多以5000個(gè)點(diǎn)的邊緣信息為基礎(chǔ)檢測(cè)，計(jì)算輸出其位置和寬度。也可以檢測(cè)最大值、最小值、平均值等，最后通過(guò)變形補(bǔ)正，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定檢測(cè)。不僅支持圓或者直線檢測(cè)，還支持橢圓、自由曲面等復(fù)雜輪廓形狀檢測(cè)，可以替代人工在線檢驗(yàn)，提升效率和準(zhǔn)確性。

（5）顏色識(shí)別。彩色相機(jī)拍攝原理是對(duì)比預(yù)先設(shè)置好顏色的信息，一般為32種顏色比對(duì)，數(shù)量較少，優(yōu)勢(shì)在于可以生成對(duì)應(yīng)顏色的彩色圖像，視覺(jué)上更加直觀；黑白相機(jī)根據(jù)灰度圖像對(duì)每個(gè)像素的顏色進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于彩色的檢測(cè)，優(yōu)勢(shì)在于可以有上百種灰度值，從而對(duì)應(yīng)生成上百種顏色，更加精準(zhǔn)可靠，貼近真實(shí)情況。

（6）精準(zhǔn)計(jì)數(shù)。生產(chǎn)線上標(biāo)準(zhǔn)件/小件的數(shù)量識(shí)別，防止錯(cuò)誤產(chǎn)生，更多應(yīng)用于物流揀料區(qū)域，替代人工計(jì)數(shù)，提高揀配準(zhǔn)確性，同時(shí)提高揀配效率。例如，應(yīng)用高頻拍照相機(jī)還可以在動(dòng)態(tài)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，配合其他系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)缺功能。

（7）機(jī)器人定位引導(dǎo)。工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)離不開視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用［5］，其可實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人直接通信，相當(dāng)于給機(jī)器人安裝了一雙“眼睛”，讓機(jī)器人擺脫了原始的束縛，可以自主計(jì)算、定位、行走、抓取，同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)依據(jù)場(chǎng)景和邊界條件進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的全自動(dòng)化、智能化裝配。

3.2 應(yīng)用工藝流程

（1）設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。先拍攝并識(shí)別被檢查物體的特征，包括外觀、尺寸、顏色及所需要檢查的特殊特性，按照既定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定閾值，最終形成唯一的參照標(biāo)準(zhǔn)。不同型號(hào)的物體需要對(duì)應(yīng)設(shè)置不同的標(biāo)準(zhǔn)，然后可以按照特定的編號(hào)規(guī)則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用。

（2）調(diào)配光源。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇合適的光源，以彌補(bǔ)不同材料的不同反射光源的程度，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度和真實(shí)度，更多地用于區(qū)分金屬材料和非金屬材料。

（3）機(jī)械安裝。相機(jī)安裝時(shí)，務(wù)必確保運(yùn)動(dòng)方向?qū)?zhǔn)相機(jī)的朝向，同時(shí)，為了對(duì)準(zhǔn)光軸和運(yùn)動(dòng)軸，必須設(shè)計(jì)對(duì)光源、相機(jī)、位置和角度可以進(jìn)行微調(diào)的機(jī)構(gòu)。另外，為了拍攝穩(wěn)定性，在拍攝過(guò)程中所有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不能出現(xiàn)震動(dòng)、異常偏移等現(xiàn)象。

（4）算法修正。連續(xù)性拍攝被檢測(cè)物體，識(shí)別分析圖像特征，依據(jù)實(shí)物反光度、陰影面積、擺放姿態(tài)、形狀等，進(jìn)行算法修正和計(jì)算補(bǔ)償。由于產(chǎn)品的一致性差異，算法修正需要經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的實(shí)物拍攝驗(yàn)證才能得到相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)果。另外，基礎(chǔ)算法的功能性要完善，否則需要新增很多非標(biāo)準(zhǔn)算法的工作，會(huì)給后續(xù)的調(diào)試工作帶來(lái)很大的困難。

（5）圖像補(bǔ)償。按照一定規(guī)則或基準(zhǔn)點(diǎn)排布補(bǔ)正圖像（或者分割識(shí)別），并處理圖像失真，從而實(shí)現(xiàn)圖像清晰，對(duì)比狀態(tài)統(tǒng)一［6］。

（6）程序聯(lián)動(dòng)。編制通信程序，實(shí)現(xiàn)控制器與產(chǎn)線控制器（PLC）聯(lián)動(dòng)，設(shè)置報(bào)警、停機(jī)或者放行標(biāo)準(zhǔn)，可以設(shè)置不合格返工程序，也可以設(shè)置實(shí)現(xiàn)機(jī)器聯(lián)動(dòng)模式，進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)正和糾偏，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量把控，不流出不合格品。

（7）結(jié)果評(píng)估。計(jì)算圖像測(cè)試精度與實(shí)物精度對(duì)比，并進(jìn)行修正；同時(shí)，需要驗(yàn)證不同失效模式下的不同反應(yīng)機(jī)制是否健全。

（8）數(shù)據(jù)分析。依據(jù)需求設(shè)置生成簡(jiǎn)易的質(zhì)量數(shù)據(jù)報(bào)表，計(jì)算過(guò)程能力，并與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，且形成生產(chǎn)日志。

（9）自主學(xué)習(xí)。通過(guò)大批量的生產(chǎn)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、被檢測(cè)物體狀態(tài)及操作習(xí)慣等，自主修訂控制程序及判定容錯(cuò)條件。

4 視覺(jué)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展技術(shù)

4.1 混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括顯示器、視覺(jué)傳感器，以及依靠視覺(jué)技術(shù)與微型計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的對(duì)環(huán)境的理解力和動(dòng)作分析力，是目前市場(chǎng)應(yīng)用范圍最廣、最深的視覺(jué)技術(shù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了人與虛擬世界的連接和互通［7］。在企業(yè)內(nèi)，更多地應(yīng)用于虛擬培訓(xùn)、作業(yè)教程編制、遠(yuǎn)程虛擬技術(shù)指導(dǎo)及虛擬參觀等。隨著混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生，人類對(duì)于實(shí)現(xiàn)“科幻”世界更加有信心。

4.2 擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)（XR）

“元宇宙”概念已經(jīng)在世界上推出并進(jìn)行，“元宇宙”是由數(shù)字技術(shù)轉(zhuǎn)化生成現(xiàn)實(shí)技術(shù)的鏡像，也是人類技術(shù)發(fā)展到頂尖的標(biāo)志。擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“元宇宙”概念的基礎(chǔ)，而視覺(jué)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心，也是連接現(xiàn)實(shí)與鏡像現(xiàn)實(shí)的橋梁，如何展現(xiàn)給人類真實(shí)的鏡像世界是“元宇宙”概念的精髓，同時(shí)更多延伸，讓人們想像未來(lái)的視覺(jué)技術(shù)可以改變?nèi)祟惖纳嫘螒B(tài)，打破桎梏，最終實(shí)現(xiàn)多維時(shí)空的搭建［8］。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在本文所提出的視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，可以很好地保障生產(chǎn)線質(zhì)量和效率的提升，解決難檢查、難識(shí)別及機(jī)器人應(yīng)用效率低等問(wèn)題，且視覺(jué)技術(shù)是企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化裝配的技術(shù)基礎(chǔ)，在引導(dǎo)人類社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)，可以建立起一個(gè)龐大的系統(tǒng)，支撐人類未來(lái)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，是現(xiàn)代社會(huì)需要重點(diǎn)研究和發(fā)展的技術(shù)之一。