吳連偉,李文博,王 平,欒建偉,張世軍,鞠濤濤
(濰柴動力股份有限公司 一號工廠,山東 濰坊 261061)
隨著發(fā)動機(jī)裝配線多品種柔性化生產(chǎn)制造模式的不斷拓展和延伸,制造行業(yè)面臨著產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)質(zhì)、訂單交付準(zhǔn)時(shí)、成本管控精細(xì)及制造過程高效的巨大挑戰(zhàn),而如何在多品種柔性化生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)防錯技術(shù)的綜合應(yīng)用及優(yōu)質(zhì)高效準(zhǔn)時(shí)的產(chǎn)出,具有重大的戰(zhàn)略意義[1]。
目前國內(nèi)視覺檢測技術(shù)已經(jīng)飛速發(fā)展,在視覺引導(dǎo)、機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動、零部件智能檢測、發(fā)動機(jī)建模掃描及機(jī)型智能識別等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,而通過視覺實(shí)現(xiàn)防錯功能成為一種發(fā)展趨勢[2]。
目前鎖夾錯漏裝仍依靠人工觀察檢測。本研究深入分析了錯漏裝自動檢測裝置的設(shè)計(jì)及視覺系統(tǒng)原理,實(shí)現(xiàn)缸蓋鎖夾的視覺防錯及調(diào)試過程。對視覺系統(tǒng)及防錯技術(shù)的應(yīng)用前景也作了探討。
WZY 生產(chǎn)線四氣門缸蓋鎖片壓裝機(jī)如圖1、圖2所示,承擔(dān)四氣門缸蓋鎖片壓裝任務(wù)。該機(jī)床分為進(jìn)氣側(cè)壓裝工位、排氣側(cè)壓裝工位、檢測工位,檢測為氣密檢測,存在漏檢的隱患。
圖1 四氣門缸蓋及鎖夾
圖2 四氣門缸蓋鎖片壓裝機(jī)
通過設(shè)計(jì)制作錯漏裝自動檢測裝置,實(shí)現(xiàn)鎖夾的錯漏裝自動檢測,并具備防錯功能,有效防止質(zhì)量事故的發(fā)生,提升裝配過程保障能力。
該自動檢測裝置具備以下特點(diǎn):
(1)具備錯漏裝識別功能,實(shí)現(xiàn)鎖夾漏裝與錯裝的自動識別。
(2)視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示設(shè)備與PLC 之間的數(shù)據(jù)通訊及檢測結(jié)果。
(3)實(shí)現(xiàn)鎖夾100%檢測,對錯漏裝問題的缸蓋不放行,人工確認(rèn)后放行。
(4)檢測前定位,保障缸蓋檢測位置一致性。
機(jī)器視覺系統(tǒng)主要包含光源、相機(jī)、圖像采集卡、主控制器及圖像處理器等,實(shí)現(xiàn)機(jī)器代替眼睛進(jìn)行檢測、測量和數(shù)據(jù)信息判斷,如圖3 所示。
圖3 視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖
機(jī)器視覺系統(tǒng)通過圖像采集卡將被測量或檢測目標(biāo)及物體轉(zhuǎn)換成圖像亮度、顏色等信號,然后通過視覺系統(tǒng)傳送給圖像處理器,根據(jù)圖像的像素分布、亮度、顏色等信號,應(yīng)用系統(tǒng)的各種邏輯算法,將檢測目標(biāo)或物體的主要特征,通過主控制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)信號特征和數(shù)字化信號特征進(jìn)行比對,整體性控制設(shè)備或設(shè)施的動作[4]。
機(jī)器視覺技術(shù)是建立在視覺信息基礎(chǔ)之上的,在智能制造裝備中,視覺信息采集系統(tǒng)主要是由光源、成像以及處理等幾個(gè)環(huán)節(jié)組成(圖4)。其中通過光控電路控制獲取光學(xué)鏡頭下的目標(biāo)或物體圖像。首先圖像進(jìn)行濾波、增強(qiáng)等處理來改善圖像質(zhì)量;其次在傳感器的作用下,將形成的圖像等信息保存在結(jié)構(gòu)示意圖中的信號存儲電路中,然后經(jīng)過信號放大器和計(jì)算機(jī)的圖像處理等,對目標(biāo)圖像進(jìn)行算法處理,最后獲得經(jīng)過邏輯算法計(jì)算的目標(biāo)圖像視覺信息[5]。
圖4 信號及信息采集流程示意圖
錯漏裝自動檢測裝置主要包含機(jī)器視覺系統(tǒng)、舉升機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、阻尼氣缸等功能機(jī)構(gòu)組成(圖5)。
圖5 錯漏裝自動檢測裝置
設(shè)計(jì)機(jī)器視覺硬件臺架,將相機(jī)和光源固定在機(jī)械臺架的橫梁上,可以前后移動方便進(jìn)行位置及視覺系統(tǒng)調(diào)整,如圖6 所示。
圖6 機(jī)器視覺系統(tǒng)硬件框架
相機(jī)用于拍攝產(chǎn)品圖片傳到上位機(jī)進(jìn)行分析,利用視覺圖像處理工具對圖像進(jìn)行分析對比,判斷鎖片壓裝是否合格。光源用來配合相機(jī)使用,給相機(jī)拍攝產(chǎn)品提供足夠和穩(wěn)定的光照,以達(dá)到測試環(huán)境的穩(wěn)定一致。每臺相機(jī)配有單獨(dú)光源,滿足圖片采集時(shí)對光源要求。
臺架前段裝支架安裝傳感器及氣缸阻擋如圖7所示。其能感知缸蓋的到位情況,當(dāng)缸蓋運(yùn)行到指定位置后,傳感器會向上位機(jī)發(fā)送到位信號,以提示上位機(jī)開始控制進(jìn)行檢測。
圖7 到位阻擋氣缸及視覺相機(jī)拍照初始位置
拍照完成后相機(jī)回到視覺系統(tǒng)鏡頭到氣門鎖夾的垂直距離大約為500 mm 位置處。
首先對采集的圖像用圖像處理工具的圓定位,將鎖片壓裝后的特征點(diǎn)截選出(圖8)。選中處理的圖像生成環(huán)形掩膜進(jìn)行分析,在利用相機(jī)軟件里面的偏移工具圖像進(jìn)行精確提取,利用圓定位的工具進(jìn)行采集特證。
圖8 采集圖像及用戶設(shè)定圖像
然后利用所有掃描線上的邊緣點(diǎn)提取圓(圖9)。并對提取的掩膜圖像利用斑點(diǎn)面積工具,進(jìn)行檢測,提取的圖像與標(biāo)準(zhǔn)照片進(jìn)行百分比測試(圖10)。
圖9 掃描線上的邊緣點(diǎn)
圖10 圖像對比測試
最后運(yùn)行視覺軟件中圖像算法對獲取的圖像進(jìn)行對比,最終輸出判定合格與否的結(jié)果,如圖11 所示。
圖11 圖像算法結(jié)果
其具體圖像分析原理說明。
(1)特征定位——通過取中心圓環(huán)的外形輪廓作為定位模板粗定位。特征定位模塊需要指定矩形區(qū)域生成模板圖像。匹配時(shí)使用模板圖像中的邊緣等特征信息在矩形ROI 中進(jìn)行搜索。
(2)圓定位——在通過圓檢出作為精定位。圓定位模塊在有向圓環(huán)ROI 中尋找指定圓的圓心。圓定位不產(chǎn)生角度信息,返回的角度恒為0.0。
在視覺模塊列表中雙擊圓定位后,圖像及數(shù)據(jù)顯示區(qū)域中會出現(xiàn)一個(gè)有向圓環(huán)ROI,表示圓定位的ROI 區(qū)域和圓定位的掃描方向。拖動ROI 到達(dá)預(yù)定位置,通過拖動ROI 上內(nèi)外兩個(gè)半徑以使得掃描方向?yàn)槠谕麪顟B(tài)后,點(diǎn)擊添加后將此模塊添加到處理流程中。
(3)環(huán)形掩膜———根據(jù)上面的圓定位工具,生成環(huán)形掩膜區(qū)域??梢栽趫D像中添加一個(gè)圓環(huán)掩膜,圓環(huán)掩膜在圖像指定區(qū)域中進(jìn)行圓檢測,用檢測到的圓生成圓環(huán)掩膜。
在視覺模塊列表中雙擊圓環(huán)掩膜后,如圖12 所示,圖像及數(shù)據(jù)顯示區(qū)域中會出現(xiàn)一些圓,不同的元代表不同的幾何元素。
圖12 圓環(huán)掩膜
(4)圖像分析——檢測掩膜區(qū)域內(nèi)的閾值范圍內(nèi)的圖像分析。計(jì)測一個(gè)矩形ROI 中指定顏色的和面積范圍的斑塊總面積或總面積占矩形ROI 面積的百分比。圖像分析比率是圖像分析的和與矩形ROI 面積的百分比,如圖13。
圖13 矩形ROI 面積
(5)檢測結(jié)果——點(diǎn)擊檢測結(jié)果可以定制此圖像單元的檢測結(jié)果邏輯。判定方式有以下五種情況,詳見表1 和圖14。
圖14 流程圖
表1 檢測結(jié)果判定規(guī)則
在實(shí)施初期多次對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行調(diào)研測試,對其鎖夾錯漏裝的情況進(jìn)行估測,現(xiàn)場布置相機(jī)對其鎖夾進(jìn)行測試,確保相機(jī)性能能夠達(dá)到技術(shù)要求并輸出驗(yàn)證報(bào)告。
視覺防錯技術(shù)的應(yīng)用,對工序節(jié)拍優(yōu)化和作業(yè)平衡率提升起到關(guān)鍵作用,分別為:工序節(jié)拍提升7.7%,作業(yè)平衡率提升13.9%,同時(shí)人均班產(chǎn)出提升10.1%。
視覺檢測技術(shù)已越來越完善,從行業(yè)的發(fā)展來看,越來越多地視覺檢測技術(shù)應(yīng)用于各類制造行業(yè),廣泛應(yīng)用在發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線裝配領(lǐng)域中的各個(gè)工序及裝配環(huán)節(jié),承擔(dān)著各類發(fā)動機(jī)零部件裝配檢測以及防錯等作業(yè)。目前在各大主要發(fā)動機(jī)生產(chǎn)基地,發(fā)動機(jī)零部件裝配環(huán)節(jié)中,視覺檢測技術(shù)應(yīng)用到大量的零部件裝配的檢測及防錯場景列表2。
表2 視覺防錯技術(shù)的應(yīng)用前景
防錯技術(shù)在發(fā)動機(jī)裝配領(lǐng)域起到越來越重要的作用,在保障產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率和降低制造成本方面具有巨大的意義。而防錯技術(shù)的研究及應(yīng)用逐漸成為制造行業(yè)柔性化生產(chǎn)制造的重要研究方向。
主要通過設(shè)計(jì)制作缸蓋的舉升機(jī)構(gòu)及定位機(jī)構(gòu),通過阻尼氣缸、傳感器等關(guān)鍵零部件,采取視覺檢測技術(shù),系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)了視覺防錯裝置。應(yīng)用后,工序生產(chǎn)效率提升7.7%,作業(yè)平衡率提升13.9%,同時(shí)人均班產(chǎn)出提升10.1%。