基于機器視覺系統的汽車發動機裝配線

臧程程

摘要：機器視覺系統主要就是利用機器視覺產品對目標對象進行圖像信號的轉換，并將圖像信號傳遞給專用的圖像處理系統中，圖像處理系統會根據像素的分布和亮度等信息，將其轉換為數字信號。圖像系統會根據釋放出的數字信號進行運算，從而獲取目標對象的具體特點，根據獲得的信息進行結果的比較，從而對現場的設備動作進行控制。因此，引入機器視覺技術，對零件的外形尺寸進行檢測，降低零件的容錯率，從而提高產品裝配的質量。

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.

關鍵詞：機器視覺系統;汽車發動機;裝配線;檢測

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

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0226-03

0 ?引言

隨著我國發動機行業的快速發展，對發動機的裝配質量要求也越來越高。在汽車行業，發動機裝配制造尤為重要，流水線式的作業方式容易出現質量問題，為了滿足汽車行業的發展需要，引入機器視覺系統，是為了避免因人為的失誤而造成物料錯裝或漏裝的問題，更是為了降低品質事故。一旦出現品質問題，對企業會帶來非常嚴重的負面影響。對汽車發動機進行裝配制造時，使用機器代替人工進行品質檢查，借助機器進行零部件的測量和判斷，可以有效提升發動機裝配線的質量控制需求。機器視覺技術目標的應用廣泛，且獲取的實際效果較好，但是其自身或配套技術上所存在的實時性問題還有待改善，在工業檢測時，實時性是衡量機器視覺系統的重要因素，因此在機器視覺的實時性研究方面，要加強重視，以提高機器視覺系統的檢測準確度。

1 ?視覺系統的硬件要求

視覺系統在設計過程中需要根據項目的具體要求，從系統的各個方面出發進行考察，將檢測到的目標圖像進行提取，得到目標圖像的感興趣特征，然后進行檢測結果的判斷，并將檢測結果統一發送到執行單元中。視覺檢測系統需要進行考察的硬件因素有如下幾個方面：

工業的光源和照明方式是保證企業在生產現場可以長時間工作的基本保障，可以更加穩定的采集高質量的圖像進行檢測，從而滿足視覺系統的檢測需求;

根據企業項目對檢測的需求，為視覺系統配制質量好、工作高效的工業相機、鏡頭以及處理器;

因為企業中的所有設備隨時處于高速高效的工作狀態下，所以會受到來自外界各種各樣的干擾影響視覺系統的正常運行。因此，視覺系統需要具備較強的抗干擾功能，可以有效應對工業相機偏移、目標物位置變化以及光源強度變化等干擾;

視覺系統在設計過程中，除了需要具備較強的檢測功能外，還需要隨時根據檢測的位置進行調整，通過對工業相機和光源的位置調整，得到較好的成像距離和視野范圍，隨時隨地得到最佳的調整位置;

送料的機構不僅可以安全的進行滑輪的輸送，同時還需要保證滑輪的檢測順序;

系統自帶報警功能，當設備出現問題后會立即進行反映。

2 ?機器視覺系統的搭建和選型

機器視覺系統的硬件結構如圖1所示。

2.1 工業光源和照明方式

工業光源和照明方法的選擇直接決定連接了視覺系統的質量問題，好的工業光源不僅可以增強對比效果，還可以防止其他因素的干擾，保證工業相機在特定的范圍內可以保持較好的亮度效果，從而獲取準確的檢測目標位置。工業光源根據光源的形狀和特性進行類型劃分，通過比較不同類型的工業光源，得出LED光源具有較好的穩定性效果，可以降低衰減性的速度，并保持顏色的多樣性。因此，LED光源被廣泛應用于嵌入式的視覺系統中。

工業中需要根據被測試的對象，進行生產現場的模擬，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。根據生產情況，選擇合適的照明方式。

2.2 工業相機

工業相機與普通相機相比，在圖像質量、信息傳輸速度等方面更加具有優勢，CCD和CMOS是當前工業相機中經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，在進行目標檢測時，可以更容易發現對比度較低的目標。CCD圖像傳感器主要是通過電荷移動進行信號的傳輸，信號的存儲與讀取一體，反映快速。

驅動電路提供電荷移動脈沖信號;接口電路可以轉換外部輸入信號。兩種電路都可以實現CCD圖像傳感器的圖像采集。根據CCD的尺寸，得出CCD圖像傳感器的靶面標準，如表1所示。

CCD圖像傳感器的型號選擇，需要根據實際場合情況進行使用，同時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，分辨率的計算公式為：

P=FOV/DetX

P表示分辨率;FOV表示檢測寬度;DetX表示檢測精度。

2.3 工業鏡頭

工業鏡頭的主要功能就是以目標對象為主，將目標對象統一聚集在CCD的圖像傳感器中，以獲取目標對象的圖像。工業鏡頭型號的選擇直接影響到視覺系統的性能。因此，根據目標對象的尺寸大小、光圈大小、視野大小等進行鏡頭型號的選擇。工業鏡頭的成像原理如圖2所示。

焦距：是指目標對象的圖像與實物的比例，如果目標對象距離恒定，則圖像的比例會發生變化。工業鏡頭的焦距越小，則視場角越大，反之越小。工業鏡頭的變化并不是圖像的變化，不會影響到圖像的準確度;分辨率：選擇比CCD圖像傳感器更高的分辨率，才可以滿足系統的要求;光圈數：是指工業鏡頭的孔徑大小;視場角：與CCD圖像傳感器的成像視野范圍密切相關，會隨著焦距而發生變化。

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圖像傳感器發出的信號，并完成信號的轉換，信號轉換完成后，將轉換后的結果發送到ARM處理器中。圖像采集模塊所支持的樣式必須對應CCD圖像傳感器的輸出樣式。當獲取目標對象的圖像后，需要對圖像進行識別，利用ARM處理器以及OPENCV視覺庫，完成圖像的處理過程。

3 ?機器視覺系統在汽車發動機裝配線上的應用

3.1 工藝分析

以嵌入式視覺系統為例，該系統分為兩個系列，VS100系列和VS700系列。

VS100系列是專用型視覺系統，VS100系列的視覺系統，主要進行特定圖像的處理;VS700系列是通用型的視覺系統，主要用于生產線中，對生產的產品進行質量檢測和控制。通用型系統通過編程的形式完成圖像的采集和處理，適用于在一個測試循環中完成多項測試任務。兩個系列的主要功能如表2所示。

根據表1可得，不同的系列對應著不同的功能，在VS720系列中，傳感器為其提供了1個集成以太網接口、8個可自由配置的輸入/輸出端。通過攝像機，將以太網連接到網絡上，連接成功后可以接收任何終端設備的訪問，從而提高設備的維護效率和診斷效率。VS鏈接接口模塊可以完成一臺對應多臺攝像機獲取圖像的功能，或者利用PROFIBUS與連接模塊連接，完成其他終端的監測。另外，以太網所提供的帶寬可以備份質量數據和故障圖像。

3.2 工藝描述

以某汽車發動機生產廠的裝配車間為例，為了保證發動機裝配線的生產質量，利用VS722系列實現對發動機缸體號碼打刻質量的檢測，并對發動機裝配完成后進行自動化外觀檢查。

缸體打刻號碼檢查工位，在缸體標簽打刻工位的后方，利用VS722進行拍照，檢查缸體的標簽打刻號碼是否正確。FR表示打刻面在左側，FF表示打刻面在右側。因為型號較多，在進行檢測時，需要利用系統中的自動讀取功能，查找到被檢測缸體的型號，從而比較打印的號碼是否正確。

對于總成后的發動機外觀檢查工位而言，當發動機的外觀檢查位置位于外裝線的末端，在完成發動機裝配之前，利用VS722傳感器，對四周進行拍照檢查，同時，在工位的左右兩側安裝傳感器，當零件進入工位后，會先獲取信號，然后拍照，這樣可以保證發動機的四周都可以檢查到位。對于不同型號的發動機，檢查程序基本相同，先檢查防水塞是否有漏裝或者安裝錯誤，然后檢查發動機的吊鉤、機油尺、通氣軟管是否出現漏裝或者安裝錯誤，最后檢查出水接頭、隔熱罩螺栓以及機油冷卻軟管是否存在漏裝或者安裝錯誤。

3.3 工作原理

3.3.1 數據通訊

VS722視覺傳感器與PLC之間進行數據通訊的方式為：

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

②通過工業以太網，讓VS722與PLC進行數據通訊，這種通信方式需要用到FC72通訊功能模塊，通過工業以太網實現數據通訊，字節可以達到60K;而是用PROFIBUS總線只能實現28K字節的通訊;

③如果對數據通訊的要求很高，可以選擇增強型的通訊方式進行數據通訊，通過PROFIBUS，利用虛擬I/O的方式實現增強型通訊;或者使用以太網的系統/數據連接驅動實現增強型通訊。

3.3.2 號碼識別

缸體打刻檢查控制系統在PLC、VS722、RFID讀寫識別系統的基礎上，完成數字檢查，并通過以太網實現了VS722與PLC之間的數據通訊。當進入到工體后，缸體會自帶M/P存儲卡，在M/P存儲卡中標記的有缸體的號碼信息，PLC會通過串口的形式進行存儲卡的號碼讀取，并在觸摸屏上將號碼信息進行顯示。PLC會將讀取的號碼信息進行自動識別和判斷，并在需要啟動的傳感器兩側進行拍照，實時顯示圖像的事物信息，隨后VS722會立即進行拍照并完成字符的識別。同時，為了實現號碼的準確識別，可以進行軟件的編程，創建PRODUCT，將編輯好的程序上傳至VS722中。

3.3.3 錯裝漏裝

發動機的外觀檢查，由PLC、VS722、ELS以及RFID組成，當發動機的工件進入指定的工位后，定位抬起，開始拍照。傳感器會對比并檢查部件信息，當發現工件與圖像信息不符后會發出警報，并在WINCC畫面上進行不合格圖像的公示。利用VS722進行拍攝的圖像，會將整個圖像畫面都集成在一個軟件中，如果有不合格，會自動獲取不合格的畫面信息，然后工作人員會根據彈出的不合格信息進行最終畫面的確認。如果是發動機的零部件出現錯裝或者漏裝的情況，利用SPECTATION所提供的軟傳感器信息，如特征值、邊沿計數、模板匹配等，分別對不同的部位進行檢查，然后根據獲取的圖像特征選擇合適的軟傳感器完成最后的檢測。

在整個項目的檢查過程中可以發現，要想讓機器視覺系統發揮出最佳效果，不僅要具備合適的光源和合理的機械結構，還需要對視覺傳感器進行編程。在沒有將VS722應用在發動機生產線之前，所有的部件檢測都是通過人工肉眼的方式進行檢查，不僅工作量巨大，且內容單一，非常容易出現人為錯漏的情況發生，一旦發現錯漏，出現質量問題，將會對企業、用戶都帶來不良的負面影響。因此，采用機器視覺系統替代人工肉眼檢查，不僅大大的提高了工作效率，更保證了發動機生產的質量，所獲取的經濟效益和社會效益都非常巨大。

4 ?結束語

人們使用機器視覺系統主要的目的就是為了提高生產質量，讓生產線可以達到自動化生產的程度，降低人工作業的危險系數，以獲得人眼無法達到的工作需求。在大批量的工業生產過程中，人工視覺檢查產品質量獲得的精準率較低，使用機器視覺檢測技術進行質量檢測，可以大大提高生產效率。

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