郭焰軍，聶國成，張玉成

（東風小康汽車有限公司 汽車技術(shù)中心，重慶 400033）

引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車需求量不斷增加，沖壓車間生產(chǎn)任務(wù)隨之加重。其中，沖壓車間生產(chǎn)時有噪音大、油污重，鈑金件易劃傷、皮帶機易卷入及壓機設(shè)備等傷人風險，沖壓生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣。而工業(yè)視覺系統(tǒng)作為一種沖壓零件自動化檢測手段，用于代替人工批量檢測工作，可降低檢測作業(yè)人安全風險，并提升零件檢測效率及檢測質(zhì)量。工業(yè)視覺系統(tǒng)在沖壓中的應(yīng)用具有重要的工程意義。

1 視覺成像原理

1.1 相機分類

根據(jù)相機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，工業(yè)視覺相機可分為CCD和CMOS 兩種。

CCD：Charge Coupled Device（電荷耦合器件）。CCD 為電荷耦合器，是一種將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的半導體部件。它的長和寬均為10mm 左右，由數(shù)百萬個排列成網(wǎng)格狀小像素組成。相機拍照時，從目標處反射光線穿過透鏡，在CCD上組成圖像。根據(jù)光電效應(yīng)原理，當CCD 上的像素接收光線時，就會產(chǎn)生與光強度相對應(yīng)的電荷。該電荷被轉(zhuǎn)換為電子信號，以獲取各個像素接受的光強度。若是將數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個傳感器集合，就能形成圖像運用于各種不同的環(huán)境中。

CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor（互補金屬氧化物半導體）。CCD 和CMOS 在制造結(jié)構(gòu)與原理上大致相同，主要區(qū)別是CCD 是集成在半導體單晶體上，而CMOS 是集成在金屬氧化物的半導體材料上，CCD 相機內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移方式為單個感光元件依次經(jīng)由垂直和水平寄存器整合后輸出給信號放大器。而CMOS 相機則是單個感光元件直接放大輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。

CCD 相機與CMOS 相機有以下不同之處：

（1）CCD 相機靈敏度要高于CMOS 相機；

（2）CCD 相機的成本會高于CMOS 相機；

（3）CCD 相機的分辨率會優(yōu)于CMOS 相機；

（4）CCD 相機的噪聲影響優(yōu)于CMOS 相機；

（5）CCD 相機的功耗高于CMOS 相機。

圖1 像素與光電二極管

因沖壓生產(chǎn)中需要工業(yè)相機具有高精度、高靈敏度、高分辨率及高穩(wěn)定性，故CCD 相機在沖壓有著大量應(yīng)用。

1.2 相機黑白成像原理

沖壓零件或板料受到光線反射至相機鏡頭后產(chǎn)生對應(yīng)的電流，電流大小與光強對應(yīng)，感光元件（像素）直接輸出模擬信號。在CCD 傳感器中，感光元件都不對此作信號處理，而是將模擬信號直接輸出到垂直寄存器，經(jīng)垂直寄存器整合后的信號再同一輸出至水平寄存器，最后才能形成統(tǒng)一的輸出。

由于感光元件生成的電信號強度很弱，在經(jīng)過寄存器時會產(chǎn)生電壓損耗，無法進行后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，因此必須進行信號放大處理，于是再增加一個信號放大器，經(jīng)放大器處理之后，每個像素點的電信號強度都獲得同樣幅度的增大；因各像素信號通過同一個放大器進行放大，所以產(chǎn)生的噪點較少，圖像質(zhì)量較高。

但由于CCD 本身無法將模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，還需一個模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行信號處理，光線越亮，電流的數(shù)值就越大；光線越暗，電流的數(shù)值越小。最亮的白光（255），數(shù)值是十六進制的FF，最暗的光線（沒有光），數(shù)值是十六進制的00。最終以二進制形式數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專門的數(shù)字信號處理器（DSP），經(jīng)過處理后分析得出我們所需的圖片；因未對圖像進行顏色的分析和處理，所以相機成像為黑白圖像。

圖2 光強度對應(yīng)數(shù)字信號

1.3 相機彩色成像原理

視覺系統(tǒng)中使用的彩色照相機通常是包含單個CCD 的單芯片照相機。由于獲取彩色圖像需要關(guān)于三原色（紅、綠、藍，即R、G 和B）的信息，因此CCD 的每個像素都裝有 R、G 或B 色濾鏡（也稱拜耳濾光器）。每個像素以256 級R、G或B 將強度信息發(fā)送給控制器。

顏色系統(tǒng)以數(shù)字形式描述顏色。它通常表示成有三個軸的3D 空間。使用“色調(diào)”（Hue）、“飽和度”（Saturation）、“亮度”（Brightness）的HSB 顏色系統(tǒng)與人的眼睛最接近，最適合用于圖像處理。

圖3 顏色系統(tǒng)3D 坐標

2 沖壓視覺系統(tǒng)的邏輯算法分析

2.1 工業(yè)視覺在沖壓的應(yīng)用

2.1.1 沖壓零件品質(zhì)檢測

目前國內(nèi)汽車主機廠沖壓生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍普遍都在8-15SPM 左右，部份伺服沖壓線節(jié)拍甚至達到更高的節(jié)拍。采用工業(yè)視覺技術(shù)在線檢測零件品質(zhì)，將會提高零件品質(zhì)率，降低人工成本，提高生產(chǎn)效率；目前此項目為各大配套廠商極力開發(fā)的重點。

沖壓零件品質(zhì)過程檢測主要是以視覺系統(tǒng)，機器人，夾具三大部分構(gòu)成，功能是抽檢沖壓零件，檢測零件品質(zhì)變化趨勢，可以觀察出沖壓設(shè)備、工藝或模具質(zhì)量狀態(tài)變化趨勢，以便調(diào)整出合適的工藝文件。例如目前廣泛應(yīng)用于沖壓行業(yè)的藍光檢測系統(tǒng)。

2.1.2 沖壓鍛造零件尺寸以及編號檢測

應(yīng)用于沖壓或鍛造零件尺寸測量，檢測流水生產(chǎn)線上零件尺寸是否合格，編號是否正確，不合格零件將會由氣缸或抓手等裝置將其篩選出去。

2.1.3 自動化生產(chǎn)線零件定位及引導

用于沖壓自動化生產(chǎn)線機器人拆、堆垛定位，目前已經(jīng)在沖壓生產(chǎn)線普及使用。

2.1.4 沖壓無人車間方向的應(yīng)用

在工業(yè)4.0 時代，工業(yè)視覺系統(tǒng)將對實現(xiàn)無人車間有著不可或缺的作用。

視覺相機在汽車沖壓運用十分廣泛，但工業(yè)視覺成像原理以及核心算法卻是萬變不離其宗。

2.2 算法分析

（1）邊緣檢測原理：邊緣是指在圖像中分隔明、暗區(qū)域的邊界。要檢測邊緣，就必須處理這種不同陰影間的邊界。

邊緣可以通過以下幾個處理步驟獲得：

a）執(zhí)行投影處理

投影處理垂直掃描圖像以獲得每條投影線的平均強度。每條線的平均強度波形稱為投影波形。

圖4 投影處理

圖5 車身零件邊緣檢測

投影處理原理：投影處理用于獲得平均強度，減少由測量區(qū)域中因噪點所引起的失敗檢測。

圖6 單個像素

圖7 平均濃度

b）執(zhí)行微分處理

陰影中的差異越明顯，獲得的偏差值越大。

微分處理原理：差異處理可以消除因測量區(qū)域中絕對強度值變化而造成的影響。

如果陰影中沒有變化，則絕對強度值是“0”。如果顏色從白色（255）變?yōu)楹谏?），則變化量是-255。

c）最大偏差值必須始終是100%

為保持實際生產(chǎn)情形中邊緣的穩(wěn)定性，會執(zhí)行內(nèi)部補償，以使最大偏差值始終保持在100%。然后，從差異波形中超過預(yù)設(shè)邊緣敏感度（%）的頂點確定邊緣位置。這種邊緣規(guī)范化方法可以確保始終能夠檢測到邊緣的頂點，從而穩(wěn)定了易受照明頻繁變化影響的圖像檢驗。

圖8 邊緣檢測

d）執(zhí)行亞像素處理

針對最高差異波形的三個鄰近像素執(zhí)行插值計算。測量邊緣位置，精確到 1/100 像素（次像素處理）。

圖9 亞像素處理

（2）圖像二元化處理

相機成像后，原始圖像因空氣中的塵埃，油霧以及光線干擾會變得不清晰，對相機的特征點判定造成干擾。故在設(shè)計程序時，可調(diào)用圖像二元化處理指令。將實際的拍照圖像增強對比度，將顏色“二元值”處理。

圖10 二元化圖像

3 沖壓視覺設(shè)計方案

以沖壓自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)中，調(diào)試視覺系統(tǒng)前，需要示教相機，對相機進行坐標系標定；原點定位；像素與長度換算；相機焦距調(diào)整等。

相機觸發(fā)拍照后，相機成像為零件原始圖片。受到環(huán)境、燈光、震動等各種因素的影響，成像圖片質(zhì)量會有所變化。需要調(diào)用相機內(nèi)置功能讓成像圖變得更加容易識別和判定。例如：灰度值優(yōu)化，預(yù)處理濾鏡，污點檢測原理等，顏色濃淡處理等。

當成像圖片經(jīng)過上述步驟優(yōu)化后，相機會基于示教的坐標系進行特征點、原點位置檢測，算出相應(yīng)坐標值，設(shè)為標準坐標值。后續(xù)所有同型號零件成像后的坐標與之標準坐標進行位置比較（坐標差值換算），此時可得出不同零件在傳送帶上的不同位置。將不同坐標零件發(fā)送機器人后，機器人能夠快速精準的識別并且抓取后裝框。

在設(shè)計沖壓工業(yè)視覺系統(tǒng)時需考慮很多對系統(tǒng)造成影響的因素，需要設(shè)計者進行嚴謹?shù)倪壿嫵绦蚓帉?，指令調(diào)用；安裝過程中要做到每一顆螺絲都按照標準扭矩安裝，保證相機在沖壓相對惡劣的環(huán)境中不會受到影響，此外配備合適的光源系統(tǒng)對成像結(jié)果都會有很大的影響。一個高精度的視覺系統(tǒng)離不開每一步精密嚴謹?shù)墓ぷ?。相信工業(yè)視覺作為工業(yè)4.0 時代的眼睛，能給我們的制造業(yè)、社會、人類的進步做出更大的貢獻，創(chuàng)造更多的奇跡。