基于工業(yè)視覺(jué)的汽車鈑金件柔性檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王富春，張栩濤，梁 云

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

鈑金件在汽車行業(yè)中大量使用，鈑金件的質(zhì)量問(wèn)題是至關(guān)重要的，目前汽車行業(yè)一般使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x或?qū)Ｓ玫墓ぱb及檢具進(jìn)行鈑金件質(zhì)量檢測(cè)。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x存在測(cè)量設(shè)備龐大、檢測(cè)效率低等缺點(diǎn)；專用的質(zhì)量檢測(cè)工裝及檢具存在設(shè)計(jì)、制造周期長(zhǎng)，成本高，柔性差，易受人為因素影響等缺點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法無(wú)法適應(yīng)目前汽車行業(yè)車型變化快及客戶個(gè)性化配置等需求[2]。汽車鈑金件檢測(cè)自動(dòng)化是目前國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)迫切需要解決的難題。視覺(jué)技術(shù)有無(wú)接觸、無(wú)損傷、柔性強(qiáng)和速度快等優(yōu)點(diǎn)[3]，是實(shí)現(xiàn)汽車鈑金件檢測(cè)自動(dòng)化的一種有效方法。安紫明[4]利用機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)了鋼質(zhì)缺陷檢測(cè)及分類。魯鑫[5]設(shè)計(jì)了一款基于機(jī)器視覺(jué)的煙條外包裝檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)煙條的包裝缺陷并根據(jù)缺陷進(jìn)行剔除處理。于宏全等[6]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的鑄件缺陷檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了多種鑄件的自動(dòng)化檢測(cè)。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在自動(dòng)化檢測(cè)的理論研究和工業(yè)應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用，但是視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)存在受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境光照變化影響的缺點(diǎn)[7]。環(huán)境光的變化會(huì)造成檢測(cè)精度不穩(wěn)定，限制了工業(yè)視覺(jué)在鈑金件質(zhì)量檢測(cè)的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)視覺(jué)的汽車鈑金件柔性檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有模塊化設(shè)計(jì)、柔性化程度高、檢測(cè)效率高和檢測(cè)精度自適應(yīng)穩(wěn)定等特點(diǎn)。該系統(tǒng)可以自適應(yīng)不同的環(huán)境光，可以檢測(cè)多種環(huán)境下不同的鈑金件精度，該系統(tǒng)具有柔性化程度高、環(huán)境適應(yīng)性好、檢測(cè)精度高、不受人為因素影響、檢測(cè)效率高、無(wú)需開(kāi)發(fā)與零件配套的專用檢具和檢測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)及分析等優(yōu)點(diǎn)，能有效解決傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x鈑金件質(zhì)量檢測(cè)的設(shè)備龐大，檢測(cè)效率低等缺點(diǎn)及傳統(tǒng)專用鈑金件檢測(cè)工裝及檢具的設(shè)計(jì)、制造周期長(zhǎng)，成本高，柔性差，易受人為因素影響等缺點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成及工作過(guò)程

該汽車鈑金件柔性檢測(cè)系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)、光源、變位機(jī)、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(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

具有快換功能的夾具安裝在可調(diào)變位機(jī)上，鈑金件通過(guò)夾具實(shí)現(xiàn)定位。工業(yè)相機(jī)安裝在工業(yè)機(jī)器人上，通過(guò)工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)工業(yè)相機(jī)到檢測(cè)件的不同檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行圖像采集，可調(diào)變位機(jī)配合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)使得工業(yè)相機(jī)在不同的角度采集圖形。檢測(cè)工作開(kāi)始時(shí)，工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)工業(yè)相機(jī)移動(dòng)到標(biāo)定塊的位置上方進(jìn)行拍攝采集數(shù)據(jù)，檢測(cè)控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)顯示工業(yè)相機(jī)拍攝標(biāo)定塊所采集到的數(shù)據(jù)。同時(shí)檢測(cè)控制系統(tǒng)通過(guò)采集到的標(biāo)定塊實(shí)際像素值與標(biāo)定塊標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光像素值X進(jìn)行對(duì)比，得出像素值偏差P，經(jīng)過(guò)算法計(jì)算并調(diào)整可調(diào)節(jié)光源的亮暗程度對(duì)實(shí)際環(huán)境光進(jìn)行補(bǔ)償，直到工業(yè)相機(jī)所拍攝標(biāo)定塊的數(shù)據(jù)符合設(shè)定的數(shù)據(jù)范圍，補(bǔ)償后實(shí)際工況與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光工況一致，再對(duì)工件進(jìn)行拍攝采集數(shù)據(jù)。由控制器處理圖像數(shù)據(jù)后將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送到PLC處理。觸摸屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前檢測(cè)數(shù)據(jù)與結(jié)果。工件的檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)在檢測(cè)控制系統(tǒng)中顯示，并在檢測(cè)控制系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，若數(shù)據(jù)在合格范圍內(nèi)，則工件合格；若數(shù)據(jù)不在合格范圍內(nèi)，工件將定義為不合格。檢測(cè)過(guò)程中，該裝備實(shí)時(shí)記錄每個(gè)工件檢測(cè)數(shù)據(jù)并分析檢測(cè)結(jié)果，輸出分析報(bào)告。

2 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人視覺(jué)檢測(cè)

工業(yè)機(jī)器人具有重復(fù)定位精度高和效率高等特點(diǎn)，為了提高本系統(tǒng)的工作效率，本系統(tǒng)采用一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人通過(guò)連接軸裝載一臺(tái)工業(yè)攝像機(jī)給鈑金件進(jìn)行檢測(cè)，如圖2所示。本設(shè)計(jì)采用工業(yè)機(jī)器人通過(guò)連接軸驅(qū)動(dòng)工業(yè)智能攝像機(jī)代替鈑金件人工檢測(cè)，解決了鈑金件人工檢測(cè)效率低、速度慢的缺陷。

圖2 工業(yè)機(jī)器人及攝像機(jī)

2.2 可調(diào)變位機(jī)及夾具

為了提高鈑金檢測(cè)效率及準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)采用可調(diào)變位機(jī)及快速更換夾具設(shè)計(jì)，具有快換功能的夾具安裝在可調(diào)變位機(jī)上，鈑金件通過(guò)夾具實(shí)現(xiàn)定位，可調(diào)變位機(jī)以合適的角度配合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，使工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)在多個(gè)角度采集圖形，提高了圖像采集的質(zhì)量。具有快換功能的夾具實(shí)現(xiàn)了不同鈑金件的快速裝夾定位。如圖3所示。

圖3 可調(diào)變位機(jī)及快換夾具

2.3 控制系統(tǒng)

檢測(cè)裝置的控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)集成式設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)分為：①流水線及鈑金件上料控制模塊；②鈑金件檢測(cè)控制模塊；③PLC及觸摸屏、上位機(jī)控制系統(tǒng)模塊；④服務(wù)器控制系統(tǒng)模塊。每個(gè)模塊相互獨(dú)立又相互作用，如圖4所示。對(duì)比傳統(tǒng)采用單一PLC或者單片機(jī)的控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有模塊化設(shè)計(jì)、各子系統(tǒng)分工明確、系統(tǒng)的維護(hù)，故障的排除檢修和升級(jí)更加便利等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 控制系統(tǒng)

2.4 檢測(cè)精度自適應(yīng)穩(wěn)定系統(tǒng)

針對(duì)視覺(jué)檢測(cè)精度受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境光照變化影響較大的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了檢測(cè)精度自適應(yīng)穩(wěn)定系統(tǒng)，檢測(cè)精度自適應(yīng)穩(wěn)定系統(tǒng)由可調(diào)節(jié)光源、工業(yè)相機(jī)及配套光源、工業(yè)機(jī)器人、標(biāo)定塊及檢測(cè)精度自適應(yīng)穩(wěn)定控制器組成，如圖5所示。

圖5 檢測(cè)精度自適應(yīng)穩(wěn)定系統(tǒng)

本系統(tǒng)具有一定數(shù)量的精度高于10μm的標(biāo)定塊，標(biāo)定塊布置于被檢件的周邊。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光的工況下，本裝備通過(guò)工業(yè)相機(jī)拍照采集多組標(biāo)定塊的像素值，以該數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光像素值X。本系統(tǒng)在檢測(cè)鈑金件之前，通過(guò)采集多組標(biāo)定塊的實(shí)際像素?cái)?shù)值與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光像素值X進(jìn)行對(duì)比，從而判斷當(dāng)前被檢件的環(huán)境光是否發(fā)生變化。本系統(tǒng)通過(guò)采集的多組標(biāo)定塊實(shí)際像素值與標(biāo)定塊標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光像素值X進(jìn)行對(duì)比，得出像素值偏差P，通過(guò)算法計(jì)算并調(diào)整可調(diào)光源的亮度對(duì)環(huán)境光進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后實(shí)際工況與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光工況一致，從而達(dá)到提高檢測(cè)精度與質(zhì)量的作用，如圖6所示。

圖6 檢測(cè)精度自適應(yīng)穩(wěn)定系統(tǒng)閉環(huán)控制流程圖

3 結(jié)論

針對(duì)目前汽車行業(yè)傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x鈑金件質(zhì)量檢測(cè)的設(shè)備龐大，檢測(cè)效率低等缺點(diǎn)及傳統(tǒng)專用鈑金件檢測(cè)工裝及檢具的設(shè)計(jì)、制造周期長(zhǎng)、成本高、柔性差和易受人為因素影響等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一套基于工業(yè)視覺(jué)的汽車鈑金件柔性檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有模塊化設(shè)計(jì)、柔性化程度高和檢測(cè)效率高等特點(diǎn)。通過(guò)檢測(cè)精度自適應(yīng)穩(wěn)定系統(tǒng)，有效解決了環(huán)境光變化對(duì)檢測(cè)精度的影響。在汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)的背景下，該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值及推廣意義。