基于機(jī)器視覺系統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線

臧程程

摘要：機(jī)器視覺系統(tǒng)主要就是利用機(jī)器視覺產(chǎn)品對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行圖像信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并將圖像信號(hào)傳遞給專用的圖像處理系統(tǒng)中，圖像處理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)像素的分布和亮度等信息，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。圖像系統(tǒng)會(huì)根據(jù)釋放出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，從而獲取目標(biāo)對(duì)象的具體特點(diǎn)，根據(jù)獲得的信息進(jìn)行結(jié)果的比較，從而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作進(jìn)行控制。因此，引入機(jī)器視覺技術(shù)，對(duì)零件的外形尺寸進(jìn)行檢測(cè)，降低零件的容錯(cuò)率，從而提高產(chǎn)品裝配的質(zhì)量。

Abstract： Machine vision system is mainly to use machine vision products to transform the image signal of the target object， and the image signal is transferred to the special image processing system， the image processing system will be based on the distribution and brightness of pixels and other information， it will be converted into digital signals. The image system will operate according to the released digital signal， so as to obtain the specific characteristics of the target object， and compare the results according to the obtained information， so as to control the action of the equipment on site. Therefore， the introduction of machine vision technology to detect the dimensions of parts， reduce the fault tolerance of parts， so as to improve the quality of product assembly.

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺系統(tǒng);汽車發(fā)動(dòng)機(jī);裝配線;檢測(cè)

Key words： machine vision system;automobile engine;the assembly line;detection

中圖分類號(hào)：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0226-03

0 ?引言

隨著我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量要求也越來越高。在汽車行業(yè)，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配制造尤為重要，流水線式的作業(yè)方式容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，為了滿足汽車行業(yè)的發(fā)展需要，引入機(jī)器視覺系統(tǒng)，是為了避免因人為的失誤而造成物料錯(cuò)裝或漏裝的問題，更是為了降低品質(zhì)事故。一旦出現(xiàn)品質(zhì)問題，對(duì)企業(yè)會(huì)帶來非常嚴(yán)重的負(fù)面影響。對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行裝配制造時(shí)，使用機(jī)器代替人工進(jìn)行品質(zhì)檢查，借助機(jī)器進(jìn)行零部件的測(cè)量和判斷，可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的質(zhì)量控制需求。機(jī)器視覺技術(shù)目標(biāo)的應(yīng)用廣泛，且獲取的實(shí)際效果較好，但是其自身或配套技術(shù)上所存在的實(shí)時(shí)性問題還有待改善，在工業(yè)檢測(cè)時(shí)，實(shí)時(shí)性是衡量機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要因素，因此在機(jī)器視覺的實(shí)時(shí)性研究方面，要加強(qiáng)重視，以提高機(jī)器視覺系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確度。

1 ?視覺系統(tǒng)的硬件要求

視覺系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)項(xiàng)目的具體要求，從系統(tǒng)的各個(gè)方面出發(fā)進(jìn)行考察，將檢測(cè)到的目標(biāo)圖像進(jìn)行提取，得到目標(biāo)圖像的感興趣特征，然后進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果的判斷，并將檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)一發(fā)送到執(zhí)行單元中。視覺檢測(cè)系統(tǒng)需要進(jìn)行考察的硬件因素有如下幾個(gè)方面：

工業(yè)的光源和照明方式是保證企業(yè)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可以長(zhǎng)時(shí)間工作的基本保障，可以更加穩(wěn)定的采集高質(zhì)量的圖像進(jìn)行檢測(cè)，從而滿足視覺系統(tǒng)的檢測(cè)需求;

根據(jù)企業(yè)項(xiàng)目對(duì)檢測(cè)的需求，為視覺系統(tǒng)配制質(zhì)量好、工作高效的工業(yè)相機(jī)、鏡頭以及處理器;

因?yàn)槠髽I(yè)中的所有設(shè)備隨時(shí)處于高速高效的工作狀態(tài)下，所以會(huì)受到來自外界各種各樣的干擾影響視覺系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，視覺系統(tǒng)需要具備較強(qiáng)的抗干擾功能，可以有效應(yīng)對(duì)工業(yè)相機(jī)偏移、目標(biāo)物位置變化以及光源強(qiáng)度變化等干擾;

視覺系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，除了需要具備較強(qiáng)的檢測(cè)功能外，還需要隨時(shí)根據(jù)檢測(cè)的位置進(jìn)行調(diào)整，通過對(duì)工業(yè)相機(jī)和光源的位置調(diào)整，得到較好的成像距離和視野范圍，隨時(shí)隨地得到最佳的調(diào)整位置;

送料的機(jī)構(gòu)不僅可以安全的進(jìn)行滑輪的輸送，同時(shí)還需要保證滑輪的檢測(cè)順序;

系統(tǒng)自帶報(bào)警功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題后會(huì)立即進(jìn)行反映。

2 ?機(jī)器視覺系統(tǒng)的搭建和選型

機(jī)器視覺系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 工業(yè)光源和照明方式

工業(yè)光源和照明方法的選擇直接決定連接了視覺系統(tǒng)的質(zhì)量問題，好的工業(yè)光源不僅可以增強(qiáng)對(duì)比效果，還可以防止其他因素的干擾，保證工業(yè)相機(jī)在特定的范圍內(nèi)可以保持較好的亮度效果，從而獲取準(zhǔn)確的檢測(cè)目標(biāo)位置。工業(yè)光源根據(jù)光源的形狀和特性進(jìn)行類型劃分，通過比較不同類型的工業(yè)光源，得出LED光源具有較好的穩(wěn)定性效果，可以降低衰減性的速度，并保持顏色的多樣性。因此，LED光源被廣泛應(yīng)用于嵌入式的視覺系統(tǒng)中。

工業(yè)中需要根據(jù)被測(cè)試的對(duì)象，進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的模擬，常見的照明方式有通用照明、背光照明、漫反射照明、暗域照明、亮域照明等。根據(jù)生產(chǎn)情況，選擇合適的照明方式。

2.2 工業(yè)相機(jī)

工業(yè)相機(jī)與普通相機(jī)相比，在圖像質(zhì)量、信息傳輸速度等方面更加具有優(yōu)勢(shì)，CCD和CMOS是當(dāng)前工業(yè)相機(jī)中經(jīng)常使用到的兩種傳感器，CCD相比CMOS，具有更加明顯的光敏感性，在進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，可以更容易發(fā)現(xiàn)對(duì)比度較低的目標(biāo)。CCD圖像傳感器主要是通過電荷移動(dòng)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，信號(hào)的存儲(chǔ)與讀取一體，反映快速。

驅(qū)動(dòng)電路提供電荷移動(dòng)脈沖信號(hào);接口電路可以轉(zhuǎn)換外部輸入信號(hào)。兩種電路都可以實(shí)現(xiàn)CCD圖像傳感器的圖像采集。根據(jù)CCD的尺寸，得出CCD圖像傳感器的靶面標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

CCD圖像傳感器的型號(hào)選擇，需要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)合情況進(jìn)行使用，同時(shí)還要考慮到圖像顏色、最大幀率、像素尺寸、分辨率等因素。其中，分辨率的計(jì)算公式為：

P=FOV/DetX

P表示分辨率;FOV表示檢測(cè)寬度;DetX表示檢測(cè)精度。

2.3 工業(yè)鏡頭

工業(yè)鏡頭的主要功能就是以目標(biāo)對(duì)象為主，將目標(biāo)對(duì)象統(tǒng)一聚集在CCD的圖像傳感器中，以獲取目標(biāo)對(duì)象的圖像。工業(yè)鏡頭型號(hào)的選擇直接影響到視覺系統(tǒng)的性能。因此，根據(jù)目標(biāo)對(duì)象的尺寸大小、光圈大小、視野大小等進(jìn)行鏡頭型號(hào)的選擇。工業(yè)鏡頭的成像原理如圖2所示。

焦距：是指目標(biāo)對(duì)象的圖像與實(shí)物的比例，如果目標(biāo)對(duì)象距離恒定，則圖像的比例會(huì)發(fā)生變化。工業(yè)鏡頭的焦距越小，則視場(chǎng)角越大，反之越小。工業(yè)鏡頭的變化并不是圖像的變化，不會(huì)影響到圖像的準(zhǔn)確度;分辨率：選擇比CCD圖像傳感器更高的分辨率，才可以滿足系統(tǒng)的要求;光圈數(shù)：是指工業(yè)鏡頭的孔徑大小;視場(chǎng)角：與CCD圖像傳感器的成像視野范圍密切相關(guān)，會(huì)隨著焦距而發(fā)生變化。

2.4 圖像采集模塊

圖像采集模塊主要連接CCD圖像和ARM處理器，通過獲取CCD圖像傳感器發(fā)出的信號(hào)，并完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換，信號(hào)轉(zhuǎn)換完成后，將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果發(fā)送到ARM處理器中。圖像采集模塊所支持的樣式必須對(duì)應(yīng)CCD圖像傳感器的輸出樣式。當(dāng)獲取目標(biāo)對(duì)象的圖像后，需要對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別，利用ARM處理器以及OPENCV視覺庫，完成圖像的處理過程。

3 ?機(jī)器視覺系統(tǒng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線上的應(yīng)用

3.1 工藝分析

以嵌入式視覺系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)分為兩個(gè)系列，VS100系列和VS700系列。

VS100系列是專用型視覺系統(tǒng)，VS100系列的視覺系統(tǒng)，主要進(jìn)行特定圖像的處理;VS700系列是通用型的視覺系統(tǒng)，主要用于生產(chǎn)線中，對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和控制。通用型系統(tǒng)通過編程的形式完成圖像的采集和處理，適用于在一個(gè)測(cè)試循環(huán)中完成多項(xiàng)測(cè)試任務(wù)。兩個(gè)系列的主要功能如表2所示。

根據(jù)表1可得，不同的系列對(duì)應(yīng)著不同的功能，在VS720系列中，傳感器為其提供了1個(gè)集成以太網(wǎng)接口、8個(gè)可自由配置的輸入/輸出端。通過攝像機(jī)，將以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)上，連接成功后可以接收任何終端設(shè)備的訪問，從而提高設(shè)備的維護(hù)效率和診斷效率。VS鏈接接口模塊可以完成一臺(tái)對(duì)應(yīng)多臺(tái)攝像機(jī)獲取圖像的功能，或者利用PROFIBUS與連接模塊連接，完成其他終端的監(jiān)測(cè)。另外，以太網(wǎng)所提供的帶寬可以備份質(zhì)量數(shù)據(jù)和故障圖像。

3.2 工藝描述

以某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠的裝配車間為例，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的生產(chǎn)質(zhì)量，利用VS722系列實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體號(hào)碼打刻質(zhì)量的檢測(cè)，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配完成后進(jìn)行自動(dòng)化外觀檢查。

缸體打刻號(hào)碼檢查工位，在缸體標(biāo)簽打刻工位的后方，利用VS722進(jìn)行拍照，檢查缸體的標(biāo)簽打刻號(hào)碼是否正確。FR表示打刻面在左側(cè)，F(xiàn)F表示打刻面在右側(cè)。因?yàn)樾吞?hào)較多，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要利用系統(tǒng)中的自動(dòng)讀取功能，查找到被檢測(cè)缸體的型號(hào)，從而比較打印的號(hào)碼是否正確。

對(duì)于總成后的發(fā)動(dòng)機(jī)外觀檢查工位而言，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀檢查位置位于外裝線的末端，在完成發(fā)動(dòng)機(jī)裝配之前，利用VS722傳感器，對(duì)四周進(jìn)行拍照檢查，同時(shí)，在工位的左右兩側(cè)安裝傳感器，當(dāng)零件進(jìn)入工位后，會(huì)先獲取信號(hào)，然后拍照，這樣可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的四周都可以檢查到位。對(duì)于不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，檢查程序基本相同，先檢查防水塞是否有漏裝或者安裝錯(cuò)誤，然后檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的吊鉤、機(jī)油尺、通氣軟管是否出現(xiàn)漏裝或者安裝錯(cuò)誤，最后檢查出水接頭、隔熱罩螺栓以及機(jī)油冷卻軟管是否存在漏裝或者安裝錯(cuò)誤。

3.3 工作原理

3.3.1 數(shù)據(jù)通訊

VS722視覺傳感器與PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的方式為：

①VS722所提供8DI/DO接口可以完成與PLC硬件的連接，完成拍照，并將拍攝的圖像進(jìn)行結(jié)果反饋;

②通過工業(yè)以太網(wǎng)，讓VS722與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，這種通信方式需要用到FC72通訊功能模塊，通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，字節(jié)可以達(dá)到60K;而是用PROFIBUS總線只能實(shí)現(xiàn)28K字節(jié)的通訊;

③如果對(duì)數(shù)據(jù)通訊的要求很高，可以選擇增強(qiáng)型的通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過PROFIBUS，利用虛擬I/O的方式實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型通訊;或者使用以太網(wǎng)的系統(tǒng)/數(shù)據(jù)連接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型通訊。

3.3.2 號(hào)碼識(shí)別

缸體打刻檢查控制系統(tǒng)在PLC、VS722、RFID讀寫識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成數(shù)字檢查，并通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了VS722與PLC之間的數(shù)據(jù)通訊。當(dāng)進(jìn)入到工體后，缸體會(huì)自帶M/P存儲(chǔ)卡，在M/P存儲(chǔ)卡中標(biāo)記的有缸體的號(hào)碼信息，PLC會(huì)通過串口的形式進(jìn)行存儲(chǔ)卡的號(hào)碼讀取，并在觸摸屏上將號(hào)碼信息進(jìn)行顯示。PLC會(huì)將讀取的號(hào)碼信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和判斷，并在需要啟動(dòng)的傳感器兩側(cè)進(jìn)行拍照，實(shí)時(shí)顯示圖像的事物信息，隨后VS722會(huì)立即進(jìn)行拍照并完成字符的識(shí)別。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)號(hào)碼的準(zhǔn)確識(shí)別，可以進(jìn)行軟件的編程，創(chuàng)建PRODUCT，將編輯好的程序上傳至VS722中。

3.3.3 錯(cuò)裝漏裝

發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀檢查，由PLC、VS722、ELS以及RFID組成，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工件進(jìn)入指定的工位后，定位抬起，開始拍照。傳感器會(huì)對(duì)比并檢查部件信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)工件與圖像信息不符后會(huì)發(fā)出警報(bào)，并在WINCC畫面上進(jìn)行不合格圖像的公示。利用VS722進(jìn)行拍攝的圖像，會(huì)將整個(gè)圖像畫面都集成在一個(gè)軟件中，如果有不合格，會(huì)自動(dòng)獲取不合格的畫面信息，然后工作人員會(huì)根據(jù)彈出的不合格信息進(jìn)行最終畫面的確認(rèn)。如果是發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件出現(xiàn)錯(cuò)裝或者漏裝的情況，利用SPECTATION所提供的軟傳感器信息，如特征值、邊沿計(jì)數(shù)、模板匹配等，分別對(duì)不同的部位進(jìn)行檢查，然后根據(jù)獲取的圖像特征選擇合適的軟傳感器完成最后的檢測(cè)。

在整個(gè)項(xiàng)目的檢查過程中可以發(fā)現(xiàn)，要想讓機(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)揮出最佳效果，不僅要具備合適的光源和合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，還需要對(duì)視覺傳感器進(jìn)行編程。在沒有將VS722應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線之前，所有的部件檢測(cè)都是通過人工肉眼的方式進(jìn)行檢查，不僅工作量巨大，且內(nèi)容單一，非常容易出現(xiàn)人為錯(cuò)漏的情況發(fā)生，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)漏，出現(xiàn)質(zhì)量問題，將會(huì)對(duì)企業(yè)、用戶都帶來不良的負(fù)面影響。因此，采用機(jī)器視覺系統(tǒng)替代人工肉眼檢查，不僅大大的提高了工作效率，更保證了發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)的質(zhì)量，所獲取的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都非常巨大。

4 ?結(jié)束語

人們使用機(jī)器視覺系統(tǒng)主要的目的就是為了提高生產(chǎn)質(zhì)量，讓生產(chǎn)線可以達(dá)到自動(dòng)化生產(chǎn)的程度，降低人工作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)，以獲得人眼無法達(dá)到的工作需求。在大批量的工業(yè)生產(chǎn)過程中，人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量獲得的精準(zhǔn)率較低，使用機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，可以大大提高生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]董立廣，肖鐸，侯成，等.機(jī)器視覺系統(tǒng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2016（9）：19-21，22.

[2]覃波.機(jī)器視覺系統(tǒng)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的應(yīng)用研究[J]. 大科技，2019（16）：249-250.

[3]孫秋月.基于機(jī)器視覺的汽車精密零件缺陷檢測(cè)[J].大科技，2020（4）：267.

[4]劉瑞媛，茅健，陸文超.汽車精密零件外觀缺陷視覺檢測(cè)方法研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2021，49（2）：383-387.

[5]吳天斌.基于機(jī)器視覺的繩輪升降器滑輪總成裝配線設(shè)計(jì)[D].浙江：浙江理工大學(xué)，2016.

[6]翟永杰，劉金龍，程海燕.基于機(jī)器視覺的汽車工件抓取定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（20）：6-9，13.

[7]任永強(qiáng)，杜瑞，李軍.基于機(jī)器視覺的差速器卡簧裝配防錯(cuò)檢測(cè)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2018（1）：30-34.

[8]劉泉晶，沈俊杰.機(jī)器視覺技術(shù)在汽車發(fā)電機(jī)部件自動(dòng)裝配線上的應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2017，30（4）：32-33.