基于機器視覺的汽車輪轂角度檢測方法研究

方 騫，譚青芳，唐 霞

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械學(xué)院，江蘇 無錫 214000）

引言

2020 年5 月，國務(wù)院在《2020 年政府工作報告》中提出要推動制造業(yè)升級和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，支持制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，推進智能制造，培育新興產(chǎn)業(yè)集群；2020 年10 月，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭啟動國家標(biāo)準(zhǔn)《智能制造機器視覺在線檢測測試方法》，標(biāo)準(zhǔn)擬就機器視覺在線檢測系統(tǒng)的測試流程、測試環(huán)境、測試內(nèi)容等進行研究，以厘清機器視覺在線檢測系統(tǒng)測試的標(biāo)準(zhǔn)化需求，規(guī)范測試流程，促進機器視覺檢測技術(shù)在企業(yè)的推廣應(yīng)用[1]；2020 年11 月，中國共產(chǎn)黨中央委員會公布《中共中央關(guān)于制定“十四五”規(guī)劃和二〇三五年遠景目標(biāo)的建議》，瞄準(zhǔn)人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學(xué)、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領(lǐng)域，實施一批具有前瞻性、戰(zhàn)略性的國家重大科技項目[2]。

汽車行業(yè)生產(chǎn)制造的各環(huán)節(jié)已基本實現(xiàn)了工業(yè)自動化。為確保汽車零部件制造商和汽車裝配廠所生產(chǎn)產(chǎn)品滿足汽車行業(yè)質(zhì)量要求，需要有一種可靠的檢測技術(shù)去驗證每一次裝配的正確性及裝配部件的合格性。機器視覺技術(shù)作為一種非接觸測量技術(shù)，可用于整個汽車生產(chǎn)過程的檢測，如檢測活塞安裝到氣缸內(nèi)時其方向的一致性、密封膠圈是否扭曲或放入槽內(nèi)、輪轂零件的標(biāo)簽或二維碼等[3-4]。本文就不同類型輪轂零件的共線生產(chǎn)，完成對視覺部分的集成設(shè)計，重點討論對輪轂角度的視覺檢測修正及排序。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本文涉及的系統(tǒng)由倉儲單元、執(zhí)行單元、分揀單元、檢測單元組成，目標(biāo)是完成輪轂的角度檢測，如圖1 所示。其中倉儲單元用于臨時存放零件；執(zhí)行單元是產(chǎn)品在各個單元間轉(zhuǎn)換和定制加工的執(zhí)行終端，本系統(tǒng)由ABB 機器人完成；分揀單元可根據(jù)程序?qū)崿F(xiàn)對不同零件的分揀動作；檢測單元可根據(jù)不同需求完成對零件的檢測、識別。

由圖1 所示，分揀單元傳送帶上隨機放置三個輪轂，機器人從傳送帶上抓取輪轂，檢測單元對輪轂零件的定位基準(zhǔn)進行檢測識別，將傳送帶上的三個輪轂放入倉儲單元，且輪轂放置于倉位內(nèi)的精度為±1°。

具體要求如下：設(shè)置傳送帶上三個輪轂的定位基準(zhǔn)如圖2-1 所示，設(shè)置倉儲單元倉位上輪轂的定位基準(zhǔn)如圖2-2 所示，按照兩個定位基準(zhǔn)角度差值的絕對值大小對輪轂進行排序，并將輪轂從大到小依次放置于倉位的順序為6→5→4。

圖2 輪轂及倉位的定位基準(zhǔn)

2 系統(tǒng)工作流程

要完成輪轂角度的實時檢測，機器人需要依次拾取三次輪轂。首先預(yù)設(shè)機器人的姿態(tài)，機器人各姿態(tài)關(guān)節(jié)坐標(biāo)為：姿態(tài)1[-135，-30，30，0，90，0]；姿態(tài)2[-90，-30，30，0，90，0]；安全姿態(tài)[0，-30，30，0，90，0]。實現(xiàn)過程如圖3 所示。

圖3 工作過程

機器人保持安全姿態(tài)，由滑動導(dǎo)軌移動至30 mm處，到位后轉(zhuǎn)至姿態(tài)2，拾取傳送帶上的輪轂i（i 為1～3），轉(zhuǎn)至安全姿態(tài)，導(dǎo)軌移至200 mm 處，轉(zhuǎn)至姿態(tài)1，機器人動作至拍照點位，相機獲取圖像并輸出角度值，機器人動作回歸姿態(tài)1，再轉(zhuǎn)至安全姿態(tài)，導(dǎo)軌移至30 mm，轉(zhuǎn)至姿態(tài)2，將輪轂放回傳送帶上并同時修正角度為0°，從左至右依次拾取三個輪轂，對存儲的三個輪轂角度從大到小依次排序，機器人拾取角度最大的輪轂，轉(zhuǎn)至安全姿態(tài)，向PLC 發(fā)送信號，彈出倉位6，機器人將輪轂放置于6 倉，型號清零，倉儲單元收倉，按角度從大到小依次拾取，放置順序為6→5→4。

3 輪轂角度檢測

本文涉及的機器視覺由歐姆龍L550 高速處理控制器、歐姆龍FS 系列CCD 相機和變焦鏡頭等組成，工業(yè)機器人為ABB IRB 120 型六自由度機器人，PLC 型號為西門子S7-1212D。

受硬件條件的制約，工業(yè)機器人在將輪轂移至相機上端呈現(xiàn)全部圖像時，會出現(xiàn)不可達的情況，為此，采用對輪轂進行局部拍照獲取局部圖像，再對輪轂進行正負(fù)旋轉(zhuǎn)180°的方法，進而獲取所需圖像。相機拍照程序如圖4 所示。

圖4 相機拍照程序

由圖5 所示，通過示教器建立變量及數(shù)組，具體如下：轉(zhuǎn)動次數(shù)變量為a、c，轉(zhuǎn)動角度變量為b、d；當(dāng)前輪轂的角度數(shù)組為lgjd{i}。

圖5 示教器參數(shù)

3.1 檢測方法一

如圖6 所示，相機先獲取圖像并識別定位基準(zhǔn)，機器人進入判斷程序，如果找到基準(zhǔn)，則上位機顯示OK，并輸出“1”及角度值reg1，若未找到定位基準(zhǔn)或輪轂角度的絕對值大于等于180°，則上位機顯示NG，并輸出錯誤值“-1”，工業(yè)機器人六軸旋轉(zhuǎn)45°，并對轉(zhuǎn)過次數(shù)a 賦值為a+1（a 的初始值為0），那么轉(zhuǎn)過角度b 則賦值為45 a，再次執(zhí)行拍照，獲取圖像，重復(fù)上述判斷，當(dāng)六軸的旋轉(zhuǎn)次數(shù)a 大于2 時，機器人六軸復(fù)位，及旋轉(zhuǎn)至0°，對b 賦0，反方向旋轉(zhuǎn)45°，此時，對轉(zhuǎn)過次數(shù)c 賦值為c+1（c 的初始值為0），轉(zhuǎn)過角度d 則賦值為-45c，再次執(zhí)行拍照，進行檢測，持續(xù)反轉(zhuǎn)，直至拍出定位基準(zhǔn)，得到角度值reg1，所以輪轂角度lgjd{i}為lgjd{i}=reg1+b+d。

圖6 旋轉(zhuǎn)45°檢測流程

旋轉(zhuǎn)45°對應(yīng)工業(yè)機器人側(cè)關(guān)鍵程序，如下頁圖7 所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)45°機器人關(guān)鍵程序

3.2 檢測方法二

如下頁圖8 所示，相機先獲取圖像并識別定位基準(zhǔn)，機器人進入判斷程序，如果找到基準(zhǔn)，則上位機顯示OK，并輸出“1”及角度值reg1，若未找到定位基準(zhǔn)或輪轂角度的絕對值大于等于180°，則上位機顯示NG，并輸出錯誤值“-1”，工業(yè)機器人六軸旋轉(zhuǎn)60°，并對轉(zhuǎn)過次數(shù)a 賦值為a+1（a 的初始值為0），那么轉(zhuǎn)過角度b，則賦值為60a，再次執(zhí)行拍照，獲取圖像，重復(fù)上述判斷，當(dāng)六軸的旋轉(zhuǎn)次數(shù)a 大于2 時，機器人六軸復(fù)位，及旋轉(zhuǎn)至0°，對b 賦0，反方向旋轉(zhuǎn)60°，此時，對轉(zhuǎn)過次數(shù)c 賦值為c+1（c 的初始值為0），轉(zhuǎn)過角度d 則賦值為-60c，再次執(zhí)行拍照，進行檢測，持續(xù)反轉(zhuǎn)，直至拍出定位基準(zhǔn)得到角度值reg1，所以輪轂角度lgjd{i}為lgjd{i}=reg1+b+d。

圖8 旋轉(zhuǎn)60°檢測流程

旋轉(zhuǎn)60°對應(yīng)工業(yè)機器人側(cè)關(guān)鍵程序，見圖9。

圖9 旋轉(zhuǎn)60°機器人關(guān)鍵程序

4 結(jié)果分析

對于上述兩種檢測角度的方法，要求預(yù)設(shè)場景的測量角度大于旋轉(zhuǎn)角度，否則會導(dǎo)致接近旋轉(zhuǎn)角倍數(shù)的角度無法測量。而Abs（reg1+b）≥180，則為了避免由于預(yù)設(shè)場景測量角度的偏大導(dǎo)致過度測量而出現(xiàn)測量角大于180°的情況出現(xiàn)。相比而言，方法二在方法一的基礎(chǔ)上增大了旋轉(zhuǎn)角度，從而減少了旋轉(zhuǎn)次數(shù)，提高了效率。但是方法二由于成像圖像的放大，在光線等外部條件的作用下，會出現(xiàn)檢測成打磨基準(zhǔn)的誤測現(xiàn)象，通過調(diào)節(jié)相似度，可降低誤測率。

5 結(jié)論

通過試驗比較證明，方法一測量準(zhǔn)確率高，但由于每次旋轉(zhuǎn)角度較小，測量效率偏低；而方法二，測量效率高，但誤測率較高，兩種方法對機器視覺檢測系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考，具體可根據(jù)檢測需求選取合適的檢測方法。