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        基于圖像識別技術(shù)的輸送轉(zhuǎn)掛穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)和應(yīng)用探析

        2021-06-30 12:29:48宋昊鵬劉巖彭勛
        中國設(shè)備工程 2021年12期
        關(guān)鍵詞:懸鏈擺桿檢測點(diǎn)

        宋昊鵬,劉巖,彭勛

        (北京奔馳汽車有限公司,北京 100176)

        視覺識別設(shè)備在“工業(yè)4.0”的自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色,在自動(dòng)化生產(chǎn)線中常用于有效地區(qū)分混線生產(chǎn)的產(chǎn)品型號、檢測產(chǎn)品工藝質(zhì)量、識別產(chǎn)品的標(biāo)識碼等,能夠可靠穩(wěn)定地避免生產(chǎn)過程中的安裝裝配與實(shí)際不符、次品放行等事件。

        北京奔馳汽車有限公司噴漆車間成立于2005年,車間輸送在電氣控制系統(tǒng)上 使用羅克韋爾PLC,磷化電泳在輸送機(jī)械層上使用懸鏈-擺桿式傳輸結(jié)構(gòu)(如圖1)。此形式的輸送機(jī)械機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、直觀性強(qiáng)等優(yōu)勢,但在轉(zhuǎn)掛穩(wěn)定性上較Rodip式傳輸結(jié)構(gòu)存在差距。

        圖1 懸鏈-擺桿輸送系統(tǒng)的實(shí)物圖

        懸鏈擺桿式輸送系統(tǒng)需要從懸鏈入口的升降臺處接收轉(zhuǎn)掛的托架及車身(如圖2),轉(zhuǎn)掛不良將導(dǎo)致托架掛耳在槽體內(nèi)從擺桿掛鉤上脫開,造成車身墜入槽體的嚴(yán)重停機(jī)事故。車間自成立以來,為避免轉(zhuǎn)掛不良,磷化電泳轉(zhuǎn)掛入口由專人值守檢測。為了避免專人值守造成的人工成本投入浪費(fèi),2019年,在磷化電泳入口將康耐視IS2000視覺相機(jī)安裝在轉(zhuǎn)掛處的工位,用于檢測輸送轉(zhuǎn)掛的成功性。

        圖2 升降臺向懸鏈-擺桿系統(tǒng)轉(zhuǎn)掛的實(shí)物圖

        視覺相機(jī)自安裝以來,及時(shí)有效避免將轉(zhuǎn)掛失敗的車身傳輸至槽體內(nèi),將轉(zhuǎn)掛失敗引起的車身墜落的概率降低至0。此系統(tǒng)在安裝及調(diào)試后,將磷化電泳輸送設(shè)備的自動(dòng)化和智能化有效提升,避免了轉(zhuǎn)掛失敗引起的嚴(yán)重停機(jī),有效提高生產(chǎn)效率,降低了人工成本投入,減少企業(yè)的損失。

        1 可行性分析

        在被檢測點(diǎn)的可視性上,被檢測物實(shí)際為車身托架的掛耳是否在擺桿的掛鉤內(nèi),視野開闊,可視性程度較高。

        在視覺相機(jī)本體的功能性上,視覺相機(jī)集成了拍攝、I/O通訊、實(shí)時(shí)視頻傳輸、二維坐標(biāo)系建立與或非邏輯運(yùn)算、圖片與邏輯的存儲等功能。能夠?qū)崿F(xiàn)通過拍攝方式自動(dòng)尋找訓(xùn)練的擺桿特征點(diǎn)的坐標(biāo),根據(jù)調(diào)試賦予的坐標(biāo)偏移量的渠道,抓取被檢測點(diǎn)的狀態(tài)(亮度、與被檢測點(diǎn)的相似度)。

        在視覺相機(jī)與本地PLC的通訊上,視覺相機(jī)支持PNP模式PLC的I/O通訊,將執(zhí)行拍攝與檢測成功的信號通過PLC遠(yuǎn)程模塊的I/O點(diǎn)接線的方式與視覺相機(jī)通訊。

        在遠(yuǎn)程監(jiān)控上,視覺相機(jī)支持TCP/IPv4的通訊協(xié)議,能夠以100Mbps的通訊速度向遠(yuǎn)程軟件端傳輸實(shí)時(shí)視頻。

        經(jīng)過上述的分析,通過視覺相機(jī)進(jìn)行懸鏈入口轉(zhuǎn)掛的控制與監(jiān)測的可行性很高。

        圖3 康耐視InSight2000視覺相機(jī)應(yīng)用的實(shí)物圖

        2 硬件選型與設(shè)計(jì)

        2.1 邏輯控制器的選型

        在邏輯控制器上的選擇,北京奔馳汽車有限公司MRA1噴漆車間廣泛使用了ROCKWELL品牌1756-Lxx型號的PLC,此類PLC屬于PNP模式的PLC,高電位為有效的輸入/輸出信號,故在其他現(xiàn)場也可以使用西門子S7系列PLC進(jìn)行視覺相機(jī)的邏輯控制。

        2.2 遠(yuǎn)程I/O適配器及模塊的選型

        在遠(yuǎn)程I/O通訊適配器與I/O模塊上,使用了1756-EN2TR與1734-AENTR的Ethernet適配器,使遠(yuǎn)程I/O模塊與PLC以環(huán)型Ethernet網(wǎng)的拓?fù)湫问竭B接。此類網(wǎng)絡(luò)具備通訊速度快、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢,PLC能夠快速檢測到遠(yuǎn)程I/O的狀態(tài)。

        圖4 通過I/O通訊的視覺相機(jī)柜內(nèi)接線的實(shí)物圖

        2.3 視覺相機(jī)的選型

        在視覺相機(jī)上的選擇上,使用了Cognex Insight 2000系列視覺相機(jī),此產(chǎn)品集成了拍攝、I/O通訊、實(shí)時(shí)視頻傳輸、二維坐標(biāo)系建立與或非邏輯運(yùn)算、圖片訓(xùn)練、圖片與邏輯的存儲等功能。此相機(jī)為黑白相機(jī),故僅通過亮度、位置關(guān)系以及相似度進(jìn)行圖像處理,通過升級型號也可以實(shí)現(xiàn)字符檢測、RGB顏色判斷等功能。

        圖5 視覺相機(jī)運(yùn)行中的實(shí)物圖

        在圖像識別控制轉(zhuǎn)掛穩(wěn)定性的應(yīng)用中,控制驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行的關(guān)鍵電器元件仍然是PLC。在轉(zhuǎn)掛完成的時(shí)機(jī),PLC通過輸出模塊向視覺相機(jī)的Trigger端口輸入高電位脈沖,視覺相機(jī)執(zhí)行拍攝及圖像分析處理的工作,并通過視覺相機(jī)的輸出端口向PLC反饋分析處理的結(jié)果。然后,視覺相機(jī)參與驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制中。

        3 硬件安裝與調(diào)試

        3.1 視覺相機(jī)的接線

        視覺相機(jī)使用了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)相機(jī)12芯線纜,故實(shí)現(xiàn)I/O通訊需要將相機(jī)的24V供電、輸入/輸出信號線及其COMM端線,與24V電源、PLC遠(yuǎn)程I/O點(diǎn)正確連接(如圖6、圖7)。視覺相機(jī)除正確的連接外,仍需要參數(shù)配置、邏輯規(guī)劃、圖片訓(xùn)練以及通訊配置后方可投入使用。

        圖6 視覺相機(jī)與PLC通訊的示意圖

        圖7 視覺相機(jī)12芯線接線原理圖

        3.2 視覺相機(jī)的曝光度和增益度

        以懸鏈轉(zhuǎn)掛的被檢測點(diǎn)為例,需要的參數(shù)配置如拍攝觸發(fā)方式(I/O單次觸發(fā)、I/O連續(xù)觸發(fā)、本地觸發(fā)等),延遲拍攝時(shí)間、PLC類型、曝光時(shí)間、增益度、輸出延遲時(shí)間等,其中曝光時(shí)間和增益度直接影響拍攝的圖片的質(zhì)量,因此至關(guān)重要。曝光時(shí)間和增一度的調(diào)試以凸顯特征點(diǎn)和被檢測點(diǎn)為目的,優(yōu)化至特征點(diǎn)和被檢測點(diǎn)的清晰程度;但是,同時(shí)要避免因?yàn)閳D像過度清晰造成不必要的細(xì)節(jié)差別被凸顯,從而造成圖像與訓(xùn)練圖片之間的相似度大幅降低。

        圖8 視覺相機(jī)曝光與增益的調(diào)整

        3.3 視覺相機(jī)的觸發(fā)方式

        相機(jī)觸發(fā)方式的選擇應(yīng)與PLC邏輯相匹配,避免不觸發(fā)、誤觸發(fā)以及重復(fù)觸發(fā)等狀況,例如,PLC邏輯控制以0.1秒/次的速度持續(xù)Trigger相機(jī)1秒,相機(jī)觸發(fā)方式同時(shí)為I/O連續(xù)觸發(fā),每次接收拍攝次數(shù)為10次,拍攝間隔為0.1秒/次。實(shí)際拍攝時(shí)每隔0.1秒,相機(jī)均接收到接下來的1秒內(nèi)拍攝10次的指令,接收到10次。故在調(diào)試時(shí),應(yīng)考慮PLC輸出信號的條件與相機(jī)觸發(fā)方式、周期動(dòng)作的匹配性,反之亦然。

        圖9 視覺相機(jī)觸發(fā)方式的調(diào)整

        3.4 視覺相機(jī)的邏輯規(guī)劃

        在視覺相機(jī)的邏輯規(guī)劃上,利用手動(dòng)觸發(fā)相機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行定位-監(jiān)測。為檢測被測件,首先,應(yīng)該精準(zhǔn)定位被測件。具體方法如圖10,為在配置-檢查部件中,框選圖片中的特征點(diǎn),作為訓(xùn)練圖片。

        在定位工具內(nèi),集成了圖形查找功能,在圖像查找功能中,主要設(shè)定參考圖形查找范圍,參考圖形和視角內(nèi)圖形的相似度,圖形查找范圍即為在給定區(qū)域內(nèi)尋找參考圖形,在給定區(qū)域內(nèi)設(shè)定參考圖形(如圖10框選區(qū)域,即訓(xùn)練查找的參考圖片),在照相機(jī)掃描圖像時(shí),照相機(jī)會(huì)根據(jù)掃描圖像與參考圖像的相似度檢測掃描圖像是否是目標(biāo)圖像,當(dāng)相似度大于給定的圖像相似度時(shí),照相機(jī)即識別掃描圖像為目標(biāo)圖像。

        圖10 捕獲并訓(xùn)練特征點(diǎn)作為定位基準(zhǔn)

        在完成特征點(diǎn)的檢測后,需要建立特征點(diǎn)與被檢測點(diǎn)的形位關(guān)系,具體方法如圖11,為在配置-定位部件中,定位示教圖片上被檢測點(diǎn)的位置,將特征點(diǎn)與被檢測點(diǎn)的位置偏移關(guān)聯(lián)建立。故視覺相機(jī)檢測到特征點(diǎn)后,根據(jù)矢量坐標(biāo)能夠定位到被檢測點(diǎn)。

        圖11 通過坐標(biāo)定位的被檢測點(diǎn)

        3.5 視覺相機(jī)檢測結(jié)果的合格性

        完成被檢測點(diǎn)的定位后,需要確定被檢測區(qū)域和檢測合格條件,根據(jù)實(shí)際需求選擇被檢測區(qū)域的形狀、大小,并選擇檢測合格條件,例如,亮度、與訓(xùn)練圖片的相似度、形位關(guān)系。以懸鏈轉(zhuǎn)掛的檢測區(qū)域?yàn)槔?,被檢測點(diǎn)為懸鏈擺桿的掛鉤中心是否懸鏈著托架的掛耳。根據(jù)點(diǎn)光源光照強(qiáng)度與距離的公式可知,垂直距離的二次方與光照度成反比。

        其中,由于點(diǎn)光源為垂直照射,故偏移角θ為0,故光照度隨著垂直距離增大而驟減。轉(zhuǎn)掛良好的擺桿掛鉤中心被滑撬的掛耳遮擋,距離約0.8m,而轉(zhuǎn)掛不良的掛鉤中心未被遮擋,其背景景深約為1.2m,此時(shí),掛鉤中心的照度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)掛良好時(shí)的照度。故使用亮度值作為判斷被檢測區(qū)域是否合格的條件。

        視覺相機(jī)判定亮度是否合格的條件為閾值,根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場的實(shí)際情況和需求修改閾值,能夠有效地區(qū)分被檢測區(qū)域和影像中的臨近區(qū)域。

        3.6 視覺相機(jī)的通訊配置

        通訊配置實(shí)際的作用是將相機(jī)線纜內(nèi)承擔(dān)輸入/輸出作用的線以及視覺相機(jī)的LED指示燈與相機(jī)的輸入/輸出信號相關(guān)聯(lián)。除了常開式、常閉式的響應(yīng),也可以旁通地響應(yīng)方式更改配置。其中,Trigger信號源只有Trigger線纜,故在配置觸發(fā)方式后無需另外操作;輸出信號共兩個(gè),需要將實(shí)際接線的端口與檢測結(jié)果相關(guān)聯(lián)。

        圖12 托架掛耳處的亮度值為129

        圖13 托架縱梁處的亮度值為96

        圖14 視覺相機(jī)檢測合格的閾值大于100

        圖15 視覺相機(jī)的通訊配置

        4 邏輯控制程序的編寫

        懸鏈系統(tǒng)與懸鏈入口的升降臺的轉(zhuǎn)掛時(shí)機(jī)控制,由位于懸鏈入口側(cè)懸鏈的編碼器和安裝在懸鏈入口處的接近開關(guān)實(shí)現(xiàn),因此,每組懸鏈的擺桿在運(yùn)動(dòng)至指定位置時(shí),編碼器的數(shù)值接近一個(gè)常數(shù)。故完成轉(zhuǎn)掛后,擺桿運(yùn)動(dòng)到視覺相機(jī)成像范圍內(nèi)的編碼器數(shù)值區(qū)間也是穩(wěn)定的。

        當(dāng)擺桿運(yùn)動(dòng)到視覺相機(jī)成像范圍內(nèi)時(shí),相視覺機(jī)將執(zhí)行連續(xù)拍攝動(dòng)作,若視覺相機(jī)的檢測結(jié)果為合格,則程序?qū)z測成功標(biāo)簽的值自鎖,直至下一個(gè)檢測任務(wù)的開始。如果視覺相機(jī)在成像范圍內(nèi)檢測結(jié)果始終為不合格,將懸鏈前進(jìn)的使能值置0,懸鏈將停止運(yùn)行,避免轉(zhuǎn)掛不良的車身進(jìn)入槽內(nèi)。

        圖16是PLC程序自動(dòng)化控制的梯形圖模型,其中梯形圖的第一行是相機(jī)拍攝的條件:設(shè)備處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí),在擺桿運(yùn)行至視覺相機(jī)視野內(nèi)的編碼器數(shù)值范圍內(nèi),視覺相機(jī)將以0.1秒/次的拍攝頻率拍攝,直至檢測成功或不具備上述條件。

        圖16 視覺相機(jī)的邏輯控制程序

        梯形圖的第二行和第五行是PLC確認(rèn)視覺相機(jī)檢測合格的邏輯:設(shè)備處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí),在視覺相機(jī)反饋檢測結(jié)果的編碼器數(shù)值范圍內(nèi),若接收到視覺相機(jī)的檢測合格信號,則將此結(jié)果自鎖直至下一檢測任務(wù)開始。

        梯形圖的第三行和第四行是視覺相機(jī)的檢測結(jié)果參與驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制的邏輯:設(shè)備處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí),在視覺相機(jī)反饋檢測結(jié)果的編碼器數(shù)值范圍內(nèi),始終無法接收到視覺相機(jī)的檢測合格信號,則報(bào)警并切斷驅(qū)動(dòng)器的使能信號。

        圖17 是視覺相機(jī)最終檢測結(jié)果為不合格,懸鏈停止前進(jìn)運(yùn)行時(shí)的圖片,在視覺相機(jī)的遠(yuǎn)程軟件端,能夠清晰地看到托架掛耳未轉(zhuǎn)掛至擺桿的掛鉤內(nèi)。

        圖17 視覺相機(jī)檢測結(jié)果為不合格

        5 結(jié)語

        基于圖像識別技術(shù)的輸送轉(zhuǎn)掛穩(wěn)定性應(yīng)用的視覺相機(jī)系統(tǒng),使用近一年后,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、人機(jī)交互性強(qiáng)、智能化程度高。檢測轉(zhuǎn)掛不良情況的正確率達(dá)到了100%,故障誤報(bào)警低于1%,起到了對轉(zhuǎn)掛失敗結(jié)果檢測的作用,避免了因轉(zhuǎn)掛不良而導(dǎo)致車身墜入槽體的事故3次,為企業(yè)減少了重大停機(jī)事故造成的欠產(chǎn)、產(chǎn)品報(bào)廢等損失,節(jié)約了雙班次共計(jì)4名操作工的人工成本。同時(shí),在搭建系統(tǒng)過程中提高了搭建、使用視覺系統(tǒng)的技能,在增強(qiáng)企業(yè)設(shè)備自動(dòng)化、智能化的程度上起到了積極的效果。此系統(tǒng)的成功應(yīng)用可為同行業(yè)提供一定參考。

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