基于工業視覺的汽車鈑金件柔性檢測系統設計

王富春，張栩濤，梁 云

（柳州職業技術學院 機電工程學院，廣西 柳州 545006）

鈑金件在汽車行業中大量使用，鈑金件的質量問題是至關重要的，目前汽車行業一般使用三坐標測量儀或專用的工裝及檢具進行鈑金件質量檢測。三坐標測量儀存在測量設備龐大、檢測效率低等缺點；專用的質量檢測工裝及檢具存在設計、制造周期長，成本高，柔性差，易受人為因素影響等缺點[1]。傳統的檢測方法無法適應目前汽車行業車型變化快及客戶個性化配置等需求[2]。汽車鈑金件檢測自動化是目前國內外汽車行業迫切需要解決的難題。視覺技術有無接觸、無損傷、柔性強和速度快等優點[3]，是實現汽車鈑金件檢測自動化的一種有效方法。安紫明[4]利用機器視覺實現了鋼質缺陷檢測及分類。魯鑫[5]設計了一款基于機器視覺的煙條外包裝檢測系統，該系統可以自動檢測煙條的包裝缺陷并根據缺陷進行剔除處理。于宏全等[6]提出了一種基于深度學習的鑄件缺陷檢測方法，實現了多種鑄件的自動化檢測。視覺檢測技術在自動化檢測的理論研究和工業應用中得到了廣泛應用，但是視覺檢測技術存在受現場環境光照變化影響的缺點[7]。環境光的變化會造成檢測精度不穩定，限制了工業視覺在鈑金件質量檢測的應用。

本文設計了一套基于工業視覺的汽車鈑金件柔性檢測系統，該系統具有模塊化設計、柔性化程度高、檢測效率高和檢測精度自適應穩定等特點。該系統可以自適應不同的環境光，可以檢測多種環境下不同的鈑金件精度，該系統具有柔性化程度高、環境適應性好、檢測精度高、不受人為因素影響、檢測效率高、無需開發與零件配套的專用檢具和檢測數據可以實時統計及分析等優點，能有效解決傳統三坐標測量儀鈑金件質量檢測的設備龐大，檢測效率低等缺點及傳統專用鈑金件檢測工裝及檢具的設計、制造周期長，成本高，柔性差，易受人為因素影響等缺點。

1 系統的構成及工作過程

該汽車鈑金件柔性檢測系統由工業機器人、工業相機、光源、變位機、夾具、定位工裝、控制器和觸摸屏等主要部件組成，如圖1所示。

圖1 設備結構示意圖

具有快換功能的夾具安裝在可調變位機上，鈑金件通過夾具實現定位。工業相機安裝在工業機器人上，通過工業機器人帶動工業相機到檢測件的不同檢測區域進行圖像采集，可調變位機配合機器人運動使得工業相機在不同的角度采集圖形。檢測工作開始時，工業機器人帶動工業相機移動到標定塊的位置上方進行拍攝采集數據，檢測控制系統在運行時會顯示工業相機拍攝標定塊所采集到的數據。同時檢測控制系統通過采集到的標定塊實際像素值與標定塊標準環境光像素值X進行對比，得出像素值偏差P，經過算法計算并調整可調節光源的亮暗程度對實際環境光進行補償，直到工業相機所拍攝標定塊的數據符合設定的數據范圍，補償后實際工況與標準環境光工況一致，再對工件進行拍攝采集數據。由控制器處理圖像數據后將相應數據傳送到PLC處理。觸摸屏實時顯示當前檢測數據與結果。工件的檢測數據會在檢測控制系統中顯示，并在檢測控制系統內部進行數據對比，若數據在合格范圍內，則工件合格；若數據不在合格范圍內，工件將定義為不合格。檢測過程中，該裝備實時記錄每個工件檢測數據并分析檢測結果，輸出分析報告。

2 視覺檢測系統設計

2.1 機器人視覺檢測

工業機器人具有重復定位精度高和效率高等特點，為了提高本系統的工作效率，本系統采用一臺工業機器人通過連接軸裝載一臺工業攝像機給鈑金件進行檢測，如圖2所示。本設計采用工業機器人通過連接軸驅動工業智能攝像機代替鈑金件人工檢測，解決了鈑金件人工檢測效率低、速度慢的缺陷。

圖2 工業機器人及攝像機

2.2 可調變位機及夾具

為了提高鈑金檢測效率及準確性，本系統采用可調變位機及快速更換夾具設計，具有快換功能的夾具安裝在可調變位機上，鈑金件通過夾具實現定位，可調變位機以合適的角度配合機器人運動，使工業相機實現在多個角度采集圖形，提高了圖像采集的質量。具有快換功能的夾具實現了不同鈑金件的快速裝夾定位。如圖3所示。

圖3 可調變位機及快換夾具

2.3 控制系統

檢測裝置的控制系統采用網絡集成式設計，該控制系統分為：①流水線及鈑金件上料控制模塊；②鈑金件檢測控制模塊；③PLC及觸摸屏、上位機控制系統模塊；④服務器控制系統模塊。每個模塊相互獨立又相互作用，如圖4所示。對比傳統采用單一PLC或者單片機的控制系統，本系統具有模塊化設計、各子系統分工明確、系統的維護，故障的排除檢修和升級更加便利等優點。

圖4 控制系統

2.4 檢測精度自適應穩定系統

針對視覺檢測精度受現場環境光照變化影響較大的缺點，本系統設計了檢測精度自適應穩定系統，檢測精度自適應穩定系統由可調節光源、工業相機及配套光源、工業機器人、標定塊及檢測精度自適應穩定控制器組成，如圖5所示。

圖5 檢測精度自適應穩定系統

本系統具有一定數量的精度高于10μm的標定塊，標定塊布置于被檢件的周邊。在標準環境光的工況下，本裝備通過工業相機拍照采集多組標定塊的像素值，以該數值作為標準環境光像素值X。本系統在檢測鈑金件之前，通過采集多組標定塊的實際像素數值與標準環境光像素值X進行對比，從而判斷當前被檢件的環境光是否發生變化。本系統通過采集的多組標定塊實際像素值與標定塊標準環境光像素值X進行對比，得出像素值偏差P，通過算法計算并調整可調光源的亮度對環境光進行補償，補償后實際工況與標準環境光工況一致，從而達到提高檢測精度與質量的作用，如圖6所示。

圖6 檢測精度自適應穩定系統閉環控制流程圖

3 結論

針對目前汽車行業傳統三坐標測量儀鈑金件質量檢測的設備龐大，檢測效率低等缺點及傳統專用鈑金件檢測工裝及檢具的設計、制造周期長、成本高、柔性差和易受人為因素影響等缺點。本文設計了一套基于工業視覺的汽車鈑金件柔性檢測系統，該系統具有模塊化設計、柔性化程度高和檢測效率高等特點。通過檢測精度自適應穩定系統，有效解決了環境光變化對檢測精度的影響。在汽車產業升級的背景下，該系統具有較高的實用價值及推廣意義。