機器視覺在擰緊工藝中的應(yīng)用

毛揚，劉俊，曹倩偉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司，重慶 401135）

1 背景

發(fā)動機離合器固定螺栓有6顆，且旋轉(zhuǎn)后在工件上的位置不固定，分布在一個同心圓周上，傳統(tǒng)的擰緊工藝是人工將離合器旋轉(zhuǎn)到固定的位置，再由設(shè)備進(jìn)行擰緊，這樣會出現(xiàn)人工操作浪費，以及手動旋轉(zhuǎn)無法保證精度，造成合格率低等情況，采用視覺系統(tǒng)可以排除人為安裝的影響，提高設(shè)備柔性，提高生產(chǎn)效率。

2 工作過程

工業(yè)相機對離合器進(jìn)行拍照，將照片轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳輸給處理系統(tǒng)，圖像處理軟件根據(jù)事先設(shè)定的螺栓模板在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行匹配，找到螺栓圓心坐標(biāo)；根據(jù)離合器中一個圓弧面擬合出圓心坐標(biāo)；圓心和螺母中心確定一條直線，再計算出與中軸線的夾角坐標(biāo)，輸出角度給PLC，PLC根據(jù)此角度控制擰緊軸去對應(yīng)位置對螺栓進(jìn)行擰緊。

圖1

3 視覺系統(tǒng)硬件組成

光源、鏡頭、相機、圖像采集卡、圖像處理卡、圖像處理軟件、通訊單元。

（1）光源，機器視覺系統(tǒng)的重要組成部分。光源直接作用于特征對象，對于特征的準(zhǔn)確識別起著非常重要的作用。在選擇光源的時候遵循突出被攝對象的特征，增加與周圍區(qū)域?qū)Ρ榷鹊脑瓌t。

（2）鏡頭，起光學(xué)成像的作用。

（3）相機，機器視覺相機的目的是將通過鏡頭投影到傳感器的圖像傳送到能夠儲存、分析和（或者）顯示的機器設(shè)備上。

（4）圖像采集卡，完成信號的采集與格式轉(zhuǎn)換。可分為模擬(標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)）/數(shù)字、單通道/多通道；主要參數(shù)為采集頻率（速度）、接口、Buffer大小、預(yù)處理功能、支持相機的種類、控制功能、I/O點數(shù)。

（5）圖像處理卡，完成圖像處理的各種運算，種類：DSP、FPGA、PowerPC。

4 視覺軟件處理過程

離合器螺栓共計6顆，分布在一個分度圓上（如圖2），工業(yè)相機運動到拍照位置對離合器進(jìn)行拍照。如下為康耐視in-sight軟件處理過程：

圖2

4.1 圖像采集

圖3

如圖3，電子表格的A0單元格有函數(shù)“image”，即為相機圖像采集設(shè)置區(qū)域，同時可以設(shè)置不同曝光參數(shù)提高拍照合格率。

4.2 查找螺母

①確定工件圓心的特征區(qū)域，訓(xùn)練特征，如紅色區(qū)域所示；

②使用 TrainPatMaxPattern函數(shù)訓(xùn)練螺栓，確定模板（黃色區(qū)域），如圖4。

圖4

圖5

③設(shè)定查找螺栓區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)匹配第②步中設(shè)定的模板螺栓，確定螺栓坐標(biāo)；（藍(lán)色區(qū)域）。

4.3 查找工件圓心

圖6

在圖6紅色方框內(nèi)，使用FindCurve函數(shù)，利用圓弧計算出工件圓心坐標(biāo)。

4.4 工件圓心和螺母圓心擬合出一條直線

圖7

使用LineFromNPoints函數(shù)，根據(jù)螺母圓心和工件圓心擬合出一條直線，如圖7綠色線。

4.5 繪制標(biāo)準(zhǔn)線

圖8

如圖8，使用EditLine函數(shù)繪制一條橫向的中軸線（固定線），用于計算第四步中擬合線的角度。

4.6 角度計算

圖9

如圖9中，使用LineToLine函數(shù)，通過首次校準(zhǔn)后得到的標(biāo)準(zhǔn)線和即時得到的工件圓心與螺釘圓心的連線計算他們的夾角就是我們所需要的工件偏轉(zhuǎn)角度。

4.7 結(jié)果及輸出

圖10

如圖10中，我們把得到的角度結(jié)果在簡單處理后，使用FormatOutputBuffer函數(shù)寫入緩沖區(qū)，通過“WriteResults”函數(shù)將結(jié)果傳輸?shù)絇LC，PLC根據(jù)收到的角度補償給伺服電機，伺服電機帶動擰緊軸到達(dá)螺栓位置實現(xiàn)精確擰緊。

5 PLC處理過程

視覺相機與PLC通過以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊，采用PROFINET協(xié)議。PLC根據(jù)機型調(diào)用不用拍照程序，實現(xiàn)拍照，詳細(xì)過程見圖11流程圖。

圖11

6 優(yōu)缺點

視覺系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于零件防錯、特征識別等方面，具有如下優(yōu)點。精度高，視覺系統(tǒng)能夠?qū)Χ嗖考M(jìn)行測量。因為此種測量不需要接觸，所以對脆弱部件沒有磨損和危險。連續(xù)性，視覺系統(tǒng)可以連續(xù)工作，沒有疲勞。同時消除了人為造成的操作變化。成本效率高，隨著硬件成本的急劇下降，機器視覺系統(tǒng)成本效率也變得越來越高。另外，視覺系統(tǒng)的操作和維持費用非常低。靈活性，視覺系統(tǒng)能夠進(jìn)行各種不同的測量。當(dāng)應(yīng)用變化以后，只需軟件做相應(yīng)變化或者升級以適應(yīng)新的需求即可，當(dāng)生產(chǎn)線重組后，視覺系統(tǒng)往往可以重復(fù)使用。

7 結(jié)束語

為了降低人工成本和提高制造質(zhì)量，制造業(yè)正快速向自動化、智能化升級，工業(yè)視覺系統(tǒng)能夠代替人的眼睛對零件進(jìn)行識別，精準(zhǔn)尋找出目標(biāo)特征，為機構(gòu)的動作提供依據(jù)，視覺也是實現(xiàn)零件錯漏裝防錯很好的工具，能極大提高了生產(chǎn)效率和自動化程度，是實現(xiàn)智慧工廠的可靠保障。