宋昊鵬，劉巖，彭勛

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

視覺識別設備在“工業(yè)4.0”的自動化工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色，在自動化生產(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）。此形式的輸送機械機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、直觀性強等優(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重停機事故。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，2019年，在磷化電泳入口將康耐視IS2000視覺相機安裝在轉(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)掛的實物圖

視覺相機自安裝以來，及時有效避免將轉(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，將磷化電泳輸送設備的自動化和智能化有效提升，避免了轉(zhuǎn)掛失敗引起的嚴重停機，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

在被檢測點的可視性上，被檢測物實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。

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

在視覺相機與本地PLC的通訊上，視覺相機支持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遠程模塊的I/O點接線的方式與視覺相機通訊。

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

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

圖3 康耐視InSight2000視覺相機應用的實物圖

2 硬件選型與設計

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進行視覺相機的邏輯控制。

2.2 遠程I/O適配器及模塊的選型

在遠程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，使遠程I/O模塊與PLC以環(huán)型Ethernet網(wǎng)的拓撲形式連接。此類網(wǎng)絡具備通訊速度快、網(wǎng)絡穩(wěn)定性強的優(yōu)勢，PLC能夠快速檢測到遠程I/O的狀態(tài)。

圖4 通過I/O通訊的視覺相機柜內(nèi)接線的實物圖

2.3 視覺相機的選型

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

圖5 視覺相機運行中的實物圖

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

3 硬件安裝與調(diào)試

3.1 視覺相機的接線

視覺相機使用了標準的工業(yè)相機12芯線纜，故實現(xiàn)I/O通訊需要將相機的24V供電、輸入/輸出信號線及其COMM端線，與24V電源、PLC遠程I/O點正確連接（如圖6、圖7）。視覺相機除正確的連接外，仍需要參數(shù)配置、邏輯規(guī)劃、圖片訓練以及通訊配置后方可投入使用。

圖6 視覺相機與PLC通訊的示意圖

圖7 視覺相機12芯線接線原理圖

3.2 視覺相機的曝光度和增益度

以懸鏈轉(zhuǎn)掛的被檢測點為例，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），延遲拍攝時間、PLC類型、曝光時間、增益度、輸出延遲時間等，其中曝光時間和增益度直接影響拍攝的圖片的質(zhì)量，因此至關重要。曝光時間和增一度的調(diào)試以凸顯特征點和被檢測點為目的，優(yōu)化至特征點和被檢測點的清晰程度；但是，同時要避免因為圖像過度清晰造成不必要的細節(jié)差別被凸顯，從而造成圖像與訓練圖片之間的相似度大幅降低。

圖8 視覺相機曝光與增益的調(diào)整

3.3 視覺相機的觸發(fā)方式

相機觸發(fā)方式的選擇應與PLC邏輯相匹配，避免不觸發(fā)、誤觸發(fā)以及重復觸發(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1秒，相機觸發(fā)方式同時為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。實際拍攝時每隔0.1秒，相機均接收到接下來的1秒內(nèi)拍攝10次的指令，接收到10次。故在調(diào)試時，應考慮PLC輸出信號的條件與相機觸發(fā)方式、周期動作的匹配性，反之亦然。

圖9 視覺相機觸發(fā)方式的調(diào)整

3.4 視覺相機的邏輯規(guī)劃

在視覺相機的邏輯規(guī)劃上，利用手動觸發(fā)相機拍攝的圖片進行定位-監(jiān)測。為檢測被測件，首先，應該精準定位被測件。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，作為訓練圖片。

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)設定參考圖形（如圖10框選區(qū)域，即訓練查找的參考圖片），在照相機掃描圖像時，照相機會根據(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圖像，當相似度大于給定的圖像相似度時，照相機即識別掃描圖像為目標圖像。

圖10 捕獲并訓練特征點作為定位基準

在完成特征點的檢測后，需要建立特征點與被檢測點的形位關系，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的位置，將特征點與被檢測點的位置偏移關聯(lián)建立。故視覺相機檢測到特征點后，根據(jù)矢量坐標能夠定位到被檢測點。

圖11 通過坐標定位的被檢測點

3.5 視覺相機檢測結(jié)果的合格性

完成被檢測點的定位后，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、與訓練圖片的相似度、形位關系。以懸鏈轉(zhuǎn)掛的檢測區(qū)域為例，被檢測點為懸鏈擺桿的掛鉤中心是否懸鏈著托架的掛耳。根據(jù)點光源光照強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，掛鉤中心的照度遠遠低于轉(zhuǎn)掛良好時的照度。故使用亮度值作為判斷被檢測區(qū)域是否合格的條件。

視覺相機判定亮度是否合格的條件為閾值，根據(jù)應用現(xiàn)場的實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 視覺相機的通訊配置

通訊配置實際的作用是將相機線纜內(nèi)承擔輸入/輸出作用的線以及視覺相機的LED指示燈與相機的輸入/輸出信號相關聯(lián)。除了常開式、常閉式的響應，也可以旁通地響應方式更改配置。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，需要將實際接線的端口與檢測結(jié)果相關聯(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 視覺相機檢測合格的閾值大于100

圖15 視覺相機的通訊配置

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)掛時機控制，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實現(xiàn)，因此，每組懸鏈的擺桿在運動至指定位置時，編碼器的數(shù)值接近一個常數(shù)。故完成轉(zhuǎn)掛后，擺桿運動到視覺相機成像范圍內(nèi)的編碼器數(shù)值區(qū)間也是穩(wěn)定的。

當擺桿運動到視覺相機成像范圍內(nèi)時，相視覺機將執(zhí)行連續(xù)拍攝動作，若視覺相機的檢測結(jié)果為合格，則程序?qū)z測成功標簽的值自鎖，直至下一個檢測任務的開始。如果視覺相機在成像范圍內(nèi)檢測結(jié)果始終為不合格，將懸鏈前進的使能值置0，懸鏈將停止運行，避免轉(zhuǎn)掛不良的車身進入槽內(nèi)。

圖16是PLC程序自動化控制的梯形圖模型，其中梯形圖的第一行是相機拍攝的條件：設備處于自動狀態(tài)時，在擺桿運行至視覺相機視野內(nèi)的編碼器數(shù)值范圍內(nèi)，視覺相機將以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 視覺相機的邏輯控制程序

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

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

圖17 是視覺相機最終檢測結(jié)果為不合格，懸鏈停止前進運行時的圖片，在視覺相機的遠程軟件端，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 視覺相機檢測結(jié)果為不合格

5 結(jié)語

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