朱燁添，沈 鴻，張文俊，林 立，吳少騰，敖云軻，萬(wàn) 禹，趙之謙，裴景玉

（1.上汽通用汽車有限公司動(dòng)力總成制造工程部，上海 201206； 2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

前言

汽車自動(dòng)變速器是汽車操控系統(tǒng)的重要組成部分［1］，其能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和車速等情況自動(dòng)變換傳動(dòng)比。在傳動(dòng)比變換過(guò)程中，變速器閥體起到重要作用，如圖1所示。閥體上布滿油槽，側(cè)面閥芯孔用于安裝控制閥，光潔的孔內(nèi)壁被油槽劃分成多個(gè)分段。閥體的制造工藝主要包括鋁合金壓鑄和閥芯孔鉆孔、鉸孔等工序［2］。在鋁合金壓鑄過(guò)程中零件內(nèi)部容易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷，加工閥芯孔時(shí)這些缺陷可能暴露在孔內(nèi)壁面上，使閥體性能大大降低。因此在生產(chǎn)汽車自動(dòng)變速器閥體過(guò)程中，需要對(duì)閥芯孔內(nèi)壁缺陷進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)指標(biāo)是缺陷的數(shù)量、大小以及密度。

圖1 變速器閥體及閥芯孔剖面

工業(yè)內(nèi)窺鏡檢測(cè)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用［3］。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法由工人使用手持式內(nèi)窺鏡伸入閥芯孔，并憑經(jīng)驗(yàn)判斷實(shí)時(shí)圖像上缺陷大小及數(shù)量。該方法存在較多誤判、漏判，效率較低，且不便采集和存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)。

為提高檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，提升工廠生產(chǎn)線的智能化、數(shù)字化水平，本文中提出了一套基于工業(yè)內(nèi)窺鏡拍攝的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了關(guān)鍵環(huán)節(jié)的原型開(kāi)發(fā)和測(cè)試拍攝。

1 基本方案

1.1 光學(xué)方案

本研究主要檢測(cè)目標(biāo)為工件內(nèi)壁表面的縮孔缺陷。在定向強(qiáng)光照射下，光潔的工件表面和缺陷產(chǎn)生不同的反射效果，如圖2所示。強(qiáng)光沿垂直于平面方向照射，光潔的工件表面產(chǎn)生鏡面反射，在相機(jī)視野中呈現(xiàn)高亮；缺陷由于表面凹凸不平，產(chǎn)生漫反射甚至類似于黑體輻射，在圖像中呈現(xiàn)暗區(qū)。

圖2 光學(xué)方案原理

利用這種光學(xué)方案，可以直接將大于一定尺寸的縮孔缺陷突出顯示，方便后續(xù)識(shí)別和處理。

1.2 拍攝方案

本方案的核心為工業(yè)相機(jī)與內(nèi)窺鏡組成的拍攝系統(tǒng)。由于閥體結(jié)構(gòu)的特殊性，采用的內(nèi)窺鏡如圖3所示。其內(nèi)部包含鏡頭光路和LED光纖，可將后端的LED照明光導(dǎo)至前端拍攝區(qū)域，并傳回拍攝區(qū)域的光學(xué)圖像。

圖3 內(nèi)窺鏡

如圖4所示，內(nèi)窺鏡端部有形狀為細(xì)長(zhǎng)矩形的LED出光口，并與鏡頭存在位置偏置。因此，使用前述光學(xué)方案，照片中高亮區(qū)域出現(xiàn)在視野一側(cè)，并呈長(zhǎng)條狀，圓孔缺陷在高亮區(qū)域中成為暗區(qū)。系統(tǒng)采用側(cè)向拍攝與周向旋轉(zhuǎn)結(jié)合的方案，分別如圖5和圖6所示，以最大限度還原孔內(nèi)壁的真實(shí)圖像，采集得到的圖像通過(guò)裁剪、拼接等計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)處理，最終呈現(xiàn)完整的內(nèi)壁照片。

圖4 內(nèi)窺鏡端部及單片拍攝效果

圖5 軸向進(jìn)給

圖6 周向旋轉(zhuǎn)

1.3 控制方案

當(dāng)拍攝條件一定時(shí)，如圖7所示，在相機(jī)與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)并拍攝過(guò)程中，每張照片在高亮區(qū)域裁剪固定區(qū)域作為拼接單元。在不考慮相機(jī)曝光拖影的情況下，可以設(shè)定前后兩次相機(jī)觸發(fā)拍攝的位移間隔與拼接單元寬度相同，即可實(shí)現(xiàn)前后兩個(gè)單元的“無(wú)縫”對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)該視角側(cè)壁面的全覆蓋拍攝。

圖7 定距觸發(fā)拍攝

實(shí)現(xiàn)上述拍攝，要求控制系統(tǒng)具備定距觸發(fā)功能。直線伺服電缸配合伺服控制器能夠滿足該要求，其在直線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中反饋位置信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)定距觸發(fā)。

1.4 整體方案

整體方案設(shè)計(jì)如圖8所示，系統(tǒng)硬件由上位機(jī)、PLC、視覺(jué)拍攝系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)4部分組成。上位機(jī)用于搭載圖像處理軟件，并具備人機(jī)交互功能。PLC作為下位機(jī)，向上與上位機(jī)進(jìn)行通信，接受用戶指令；向下接收反饋信號(hào)，完成系統(tǒng)的各項(xiàng)控制任務(wù)。

圖8 整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊的功能特點(diǎn)，又可將系統(tǒng)劃分為視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、控制和軟件4大模塊，如圖9所示，本文將主要介紹這4大模塊。

圖9 系統(tǒng)模塊

2 視覺(jué)模塊

視覺(jué)模塊的主要功能是圖像采集，其主要組成包括工業(yè)相機(jī)、內(nèi)窺鏡和LED光源3部分。其中內(nèi)窺鏡和相機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)接頭連接，光源通過(guò)光纖將照明光導(dǎo)入內(nèi)窺鏡，如圖10所示。設(shè)備型號(hào)如表1所示。

圖10 相機(jī)與內(nèi)窺鏡連接實(shí)物圖

表1 視覺(jué)模塊主要設(shè)備型號(hào)

本系統(tǒng)采用的工業(yè)相機(jī)型號(hào)為Cognex公司的In-Sight 7802相機(jī)，內(nèi)置 CPU，可配合 In-Sight Explorer軟件進(jìn)行算法和視覺(jué)工具的使用，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)檢測(cè)功能。通過(guò)軟件將作業(yè)寫入相機(jī)后，相機(jī)可接收外部觸發(fā)脈沖，完成圖像的采集和檢測(cè)識(shí)別。內(nèi)窺鏡采用Karl Storz的Borescope硬質(zhì)內(nèi)窺鏡，直徑為3.8 mm，具有較大剛度，且可以手動(dòng)調(diào)整像距，對(duì)于已有閥體的不同直徑閥孔，其能夠準(zhǔn)確、順利地伸入拍攝，并獲得清晰的圖像。

3 運(yùn)動(dòng)模塊

運(yùn)動(dòng)模塊主要包括兩個(gè)部分：伺服進(jìn)給平臺(tái)和相機(jī)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，分別對(duì)應(yīng)方案中的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，即軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3.1 伺服進(jìn)給平臺(tái)

伺服進(jìn)給平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)視覺(jué)模塊和閥體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)拍攝信號(hào)的定距觸發(fā)，從而完成對(duì)閥孔內(nèi)壁的掃描拍攝。

伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由伺服控制器和直線電缸組成，其信號(hào)流程如圖11所示。伺服控制器發(fā)送脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電缸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電缸反饋位置信息至伺服控制器，并由伺服控制器轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)輸出。伺服進(jìn)給平臺(tái)設(shè)備型號(hào)如表2所示。

圖11 伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)信號(hào)流程

表2 伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要設(shè)備型號(hào)

3.2 相機(jī)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)

相機(jī)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)用于搭載相機(jī)并控制其周向旋轉(zhuǎn)，以完成不同角度的側(cè)壁拍攝，如圖12所示。上述設(shè)計(jì)主要基于以下幾點(diǎn)考慮。

圖12 相機(jī)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)三維設(shè)計(jì)圖

（1）平臺(tái)自帶旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，以方便搭載于機(jī)器人和機(jī)床等不同平臺(tái)時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)相機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制。

（2）相機(jī)與上位機(jī)之間使用以太網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)相機(jī)也需要連接電源和I／O信號(hào)等線纜。旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)角度最大可達(dá)到300°，這些線纜需要有充足的空間隨著相機(jī)旋轉(zhuǎn)。

（3）如果將步進(jìn)電機(jī)與軸直接通過(guò)聯(lián)軸器連接，需要較大的空間，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)不緊湊，因此采用側(cè)向帶輪驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行連接。

4 控制模塊

控制模塊的核心是PLC。本系統(tǒng)采用SIEMENS的S7－1200型號(hào)PLC，并搭配通信模塊使用。PLC作為下位機(jī)起到承上啟下的作用，如圖13所示。PLC與上位機(jī)的軟件系統(tǒng)通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)通信，用戶在軟件界面上的操作指令得以傳遞。

圖13 PLC功能示意圖

PLC控制系統(tǒng)各項(xiàng)動(dòng)作的執(zhí)行。一方面，PLC控制系統(tǒng)的啟停、急停等基本功能；另一方面，PLC包含高速計(jì)數(shù)器（high speed counter，HSC），可以穩(wěn)定統(tǒng)計(jì)輸入PLC的脈沖數(shù)量。伺服進(jìn)給平臺(tái)移動(dòng)產(chǎn)生的定距反饋脈沖通過(guò)HSC輸入PLC，以便PLC計(jì)算獲取具體位置，并根據(jù)設(shè)定情況發(fā)送控制指令，從而控制直線電缸的運(yùn)動(dòng)、相機(jī)搭載平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)以及工業(yè)相機(jī)的觸發(fā)拍攝。

PLC接收伺服電缸的反饋脈沖后，其內(nèi)部通過(guò)計(jì)數(shù)器進(jìn)行運(yùn)算，定義C0～C3計(jì)數(shù)器，其功能如表3所示，原理如圖14所示?？紤]到鏡頭在伸入閥體前需要保留充足空間方便調(diào)整，故設(shè)置C0用于空行程的位移計(jì)量，此階段只計(jì)算位移，不觸發(fā)相機(jī)拍攝。C1用于有效拍攝行程的位移累計(jì)。若設(shè)置C1的閾值為20，則每當(dāng)PLC收到20個(gè)脈沖，PLC便進(jìn)入一次中斷，在中斷中寫入代碼觸發(fā)相機(jī)拍攝。在此基礎(chǔ)上，C2統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)入中斷的次數(shù)（即拍照次數(shù)），達(dá)到設(shè)定值后，表明該段行程已完成拍攝，通過(guò)指令控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。重復(fù)上述操作，進(jìn)行下一個(gè)周向視角的拍攝，并由C3統(tǒng)計(jì)相機(jī)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)次數(shù)，對(duì)應(yīng)設(shè)定的不同周向視角。當(dāng)C3計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定值，表明該孔所有周向視角完成拍攝，鏡頭可撤出。由此實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的檢測(cè)流程。

表3 PLC計(jì)數(shù)器功能設(shè)計(jì)列表

圖14 PLC計(jì)數(shù)原理

5 軟件模塊

軟件模塊主要包括兩部分：配套工業(yè)相機(jī)使用的In-Sight Explorer軟件和基于Qt平臺(tái)研發(fā)的圖像處理交互軟件。

使用In-Sight軟件可實(shí)現(xiàn)單幅圖片中的缺陷識(shí)別，但其可拓展性有限，不具備由用戶自定義開(kāi)發(fā)圖像調(diào)用、裁剪和拼接等功能的可能性。同時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)整體，用戶需要通過(guò)一個(gè)軟件交互界面，以了解系統(tǒng)各部分的情況、手動(dòng)控制各模塊運(yùn)行和設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行的必要參數(shù)等。因此，必須設(shè)計(jì)一個(gè)新軟件，以滿足用戶對(duì)更高的圖像處理需求和系統(tǒng)控制、管理需求。

5.1 In-Sight Explorer軟件

用戶通過(guò)In-Sight Explorer軟件設(shè)置相機(jī)作業(yè)。In-Sight軟件集成了Cognex開(kāi)發(fā)的圖像算法和視覺(jué)工具，其與In-Sight相機(jī)組成視覺(jué)系統(tǒng)［4］，可完成多樣的視覺(jué)識(shí)別、檢測(cè)任務(wù)，并將圖像存儲(chǔ)于上位機(jī)，以及與Qt軟件進(jìn)行通信，如圖15所示。

圖15 In-Sight Explorer軟件功能

在上述光學(xué)和拍攝方案基礎(chǔ)上，通過(guò)In-Sight軟件可設(shè)置作業(yè)。相機(jī)對(duì)拍攝圖像進(jìn)行預(yù)處理，識(shí)別視野中是否存在高亮區(qū)域以及高亮區(qū)域中是否存在缺陷，并將識(shí)別結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送至上位機(jī)。根據(jù)In-Sight的識(shí)別結(jié)果，Qt軟件僅需要調(diào)用含有缺陷的圖片進(jìn)行拼接，其余無(wú)缺陷區(qū)域直接用白色代替，由此避免調(diào)用所有圖片，提高系統(tǒng)處理效率。

值得一提的是，當(dāng)In-Sight軟件完成相機(jī)內(nèi)的作業(yè)設(shè)置，相機(jī)可以獨(dú)立于軟件進(jìn)行工作，即In-Sight軟件在實(shí)際工況檢測(cè)過(guò)程中不是必須的。

5.2 Qt軟件

圖像處理交互軟件基于Qt平臺(tái)開(kāi)發(fā)［5］，能夠?qū)n-Sight視覺(jué)系統(tǒng)采集的批量圖像以及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸出相應(yīng)結(jié)果，可結(jié)合OpenCV實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的缺陷識(shí)別和統(tǒng)計(jì)。其軟件界面設(shè)計(jì)充分考慮各項(xiàng)功能需求，能夠方便用戶進(jìn)行文檔管理、參數(shù)調(diào)整、運(yùn)動(dòng)控制和歷史數(shù)據(jù)查詢。

軟件主要構(gòu)成框架如圖16所示，主要由2個(gè)模塊組成：圖像文件處理模塊和交互模塊。其中，圖像文件處理模塊包括文件歸檔和圖像處理2個(gè)子模塊；交互模塊則包括信號(hào)通信、系統(tǒng)控制和信息查詢3個(gè)子模塊。

5.2.1 圖像文件處理模塊

圖16 軟件框架

Qt軟件的圖像文件處理流程如圖17所示。為方便圖像處理和后續(xù)的歷史數(shù)據(jù)調(diào)用，采用如圖18所示的圖像歸檔方式。拍攝時(shí)，Qt軟件將相機(jī)拍攝圖像以及處理結(jié)果存入對(duì)應(yīng)文件夾，確保數(shù)據(jù)的唯一性，以便后續(xù)調(diào)用；信息查詢時(shí)，用戶可通過(guò)輸入相應(yīng)信息查詢數(shù)據(jù)，回看原始圖像以及圖像處理數(shù)據(jù)。

圖17 軟件圖像文件處理模塊框架

圖18 文件歸檔方式

5.2.2 交互模塊

Qt軟件的交互模塊處理流程如圖19所示。通過(guò)軟件界面，用戶既可通過(guò)輸入年月日或工件ID查詢存檔數(shù)據(jù)，也可通過(guò)界面上的按鈕，手動(dòng)控制相機(jī)拍攝和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，以便進(jìn)行調(diào)試。

圖19 軟件交互模塊框架

6 拍攝效果

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)了一套原型系統(tǒng)，并針對(duì)一個(gè)閥孔段進(jìn)行拍攝測(cè)試，拍攝參數(shù)如表4所示。根據(jù)該組拍攝參數(shù)，圖像中特征像素尺寸與實(shí)際尺寸的比例為5.9μm／Pixel，可充分滿足檢測(cè)亞毫米級(jí)尺寸缺陷的需求。

表4 主要拍攝參數(shù)列表

圖20 單個(gè)角度拍攝效果對(duì)比

如圖20所示，針對(duì)其中一個(gè)視角，沿拍攝進(jìn)給方向?qū)崿F(xiàn)拼接。對(duì)比真實(shí)形貌和高亮環(huán)境拍攝效果，可以觀察到在高亮照明環(huán)境中，內(nèi)壁面表面的劃痕、紋理等特征均不再呈現(xiàn)，而縮孔缺陷呈明顯暗區(qū)，因此可以對(duì)一定尺寸的縮孔進(jìn)行有效識(shí)別。完成周向裁剪、拼接后，其效果如圖21所示，高亮部分即為光滑的內(nèi)壁，長(zhǎng)條形暗區(qū)為閥體上的油槽。

圖21 內(nèi)壁面完整拍攝效果

對(duì)圖像檢測(cè)判別精度進(jìn)行分析，以圖20中圓孔缺陷為例，圖像中可識(shí)別圓孔直徑為564μm，實(shí)際顯微觀測(cè)尺寸為542μm，存在約＋4%的檢測(cè)誤差。根據(jù)5.9μm／Pixel的比例，存在約＋4個(gè)像素的檢測(cè)誤差。該誤差程度符合預(yù)期，可充分滿足公司對(duì)缺陷檢測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，證明本文中采用的拍攝方案有效。在圖像缺陷特征識(shí)別的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步進(jìn)行缺陷的數(shù)量、面積和密度統(tǒng)計(jì)。

7 結(jié)論

本文中以汽車自動(dòng)變速器閥體作為研究對(duì)象，針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際中閥體工件加工質(zhì)量檢測(cè)的需求，提出了一套基于工業(yè)內(nèi)窺鏡拍攝的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案融合機(jī)械、電控、視覺(jué)和軟件等多個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化視覺(jué)檢測(cè)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了檢測(cè)系統(tǒng)的原型研發(fā)，并進(jìn)行了測(cè)試拍攝。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效完成閥孔內(nèi)壁面的完整圖像拍攝和缺陷特征提取，可方便檢測(cè)過(guò)程和數(shù)據(jù)整理，有助于提升工廠生產(chǎn)線的智能化和數(shù)字化水平。