呂 堯, 劉業(yè)峰, 趙科學(xué), 雷翔鵬 ,孫福英

(1.沈陽(yáng)工學(xué)院 遼寧省數(shù)控機(jī)床信息物理融合與智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122；2.沈陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

0 引言

伴隨工業(yè)4.0時(shí)代的到來，工業(yè)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，自動(dòng)化加工以其高精度、高速度、高穩(wěn)定性，已成為工業(yè)生產(chǎn)中最重要的加工方式。輕質(zhì)合金輪轂作為汽車、電動(dòng)車等交通工具的關(guān)鍵部分，因其傳統(tǒng)的加工方式，易受人為因素影響、效率低、穩(wěn)定性差，以難以滿足高速發(fā)展市場(chǎng)需求。輕質(zhì)合金輪轂的自動(dòng)化加工勢(shì)在必行[1-2]。

在電動(dòng)車輕質(zhì)合金輪轂加工過程中，因更換加工工序時(shí)，需要對(duì)工件進(jìn)行翻及調(diào)整角度后，再重新裝卡，輪轂裝卡位置是否精確，便成為影響安裝孔與氣門孔銑削、鉆削的加工精度的重要因素，直接影響輪轂的氣密性及安裝精度。裝卡位置精確測(cè)定便成為電動(dòng)車輕質(zhì)合金輪轂加工過程中的重要環(huán)節(jié)[3-4]。現(xiàn)行的電動(dòng)車輕質(zhì)合金輪轂裝卡位置精度測(cè)定，主要應(yīng)用傳統(tǒng)人工接觸式的雙目測(cè)量法測(cè)定，這種方式生產(chǎn)效率低、定位精度差，易受人為因素影響，在檢測(cè)人員疲勞或精力不集中的情況下，容易造成嚴(yán)重誤判，已無法滿足智能化生產(chǎn)需求?；谟?jì)算機(jī)視覺的測(cè)量技術(shù)[5]，因其非接觸、高穩(wěn)定性、高速度、低成本等特點(diǎn)，能較好地滿足電動(dòng)車輕質(zhì)合金輪轂的自動(dòng)化加工裝卡位置精度測(cè)定需求。文獻(xiàn)[6]采用視覺檢測(cè)技術(shù)對(duì)采集到的圖像分別進(jìn)行均值濾波和邊緣分割檢測(cè)，以提高檢測(cè)的精度以及檢測(cè)的快速性。文獻(xiàn)[7]采用視覺檢測(cè)技術(shù)，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)和邊緣識(shí)別，利用最小二乘法與霍夫變換兩種直線識(shí)別方法提取圖像中夾角兩條邊的傾斜角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的角度檢測(cè)。文獻(xiàn)[8]采用小波降噪的方法對(duì)相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行優(yōu)化, 再使用最大類間方差法，計(jì)算得出適用于降噪后圖片的最佳閾值來進(jìn)行二值化處理，以提高檢測(cè)的視覺準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[9]使用Canny邊緣檢測(cè)算子檢測(cè)邊緣特征，再使用改進(jìn)后的隨機(jī)霍夫圓檢測(cè)算法檢測(cè)斷面輪廓，提高了視覺檢測(cè)算法的檢測(cè)精度與效率。文獻(xiàn)[10]采用機(jī)器視覺技術(shù)，使用單目相機(jī)對(duì)靶標(biāo)實(shí)時(shí)成像，再通過二值化、輪廓提取等數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行定位與跟蹤，有效提高了測(cè)量效率和穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量。

基于機(jī)器視覺的輪轂裝卡位置精確測(cè)定的關(guān)鍵技術(shù)與優(yōu)勢(shì)在于，通過用機(jī)器視覺系統(tǒng)，來代替人眼識(shí)別與工具測(cè)量輪轂位置精度。即將輪轂位置精度信息，通過機(jī)器視覺系統(tǒng)[11-16]對(duì)視覺圖像處理[17-18]，將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，根據(jù)呈現(xiàn)的結(jié)果，計(jì)算輪轂裝卡位置精度。

本文針對(duì)電動(dòng)車輕質(zhì)合金輪轂加工，提出根據(jù)輪轂的關(guān)鍵參量值來判斷輪轂裝卡位置精度的方法，建立基于視覺檢測(cè)技術(shù)的輪轂裝卡位置精確測(cè)定，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的檢測(cè)輪轂裝卡位置精度的目的，更好的實(shí)現(xiàn)輪轂自動(dòng)化加工。

1 輪轂自動(dòng)加工工藝流程

金屬切削加工是電動(dòng)車輕質(zhì)合金輪轂生產(chǎn)工藝過程中唯一的精加工過程，是輕質(zhì)合金輪轂加工中最為重要的環(huán)節(jié)。采用自動(dòng)化加工方式，因其高速度、良好的實(shí)時(shí)性、非接觸、低成本等特點(diǎn)，能夠較好的滿足輕質(zhì)合金輪轂智能化的生產(chǎn)需求。電動(dòng)車輕質(zhì)合金輪轂自動(dòng)化加工主要由數(shù)控車床對(duì)輪轂輪廓的車削加工，及加工中心銑削、鉆削加工組成，如圖1。應(yīng)用視覺檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)輪轂裝卡位置精確測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果，分析計(jì)算準(zhǔn)確裝卡位置，引導(dǎo)機(jī)械手對(duì)工件進(jìn)行位移補(bǔ)差運(yùn)動(dòng)，再抓取至后續(xù)加工，這種檢測(cè)與補(bǔ)償方式很好的滿足了，電動(dòng)車輕質(zhì)合金輪轂裝卡位置精度要求。

圖1 輪轂自動(dòng)化加工流程圖

2 搭建視覺檢測(cè)系統(tǒng)

視覺檢測(cè)系統(tǒng)主要由光源、鏡頭、CCD相機(jī)、傳感器、計(jì)算機(jī)等幾部分組成，如圖2所示。在工件進(jìn)入視覺檢測(cè)區(qū)域，傳感器感應(yīng)工件到位后，視覺系統(tǒng)調(diào)用相機(jī)采集視野內(nèi)，由被測(cè)物體反射的光源，再經(jīng)過CCD電荷耦合裝置，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將待測(cè)信息進(jìn)行識(shí)別，并與標(biāo)準(zhǔn)信息模板進(jìn)行對(duì)比，分析查找出位置誤差，經(jīng)過分析計(jì)算給出位移補(bǔ)差值，及最佳位移補(bǔ)差路徑。

圖2 視覺檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.1 視覺檢測(cè)光源

在視覺檢測(cè)系統(tǒng)中，由于相機(jī)采集圖像主要通過被測(cè)物體對(duì)光的反射來實(shí)現(xiàn)，光源便成為影響圖像質(zhì)量的重要條件，直接影響檢測(cè)精度。對(duì)于輪轂裝卡位置精度測(cè)定，這種可能有陰影問題的金屬元件的檢測(cè)特點(diǎn)。視覺系統(tǒng)選用LED漫射型前光源，作為視覺檢測(cè)系統(tǒng)的光源。這種光更柔軟、均勻，能有效減少眩光和陰影的幾率低，覆蓋區(qū)域也更大，能夠消除熱點(diǎn)，使CCD相機(jī)有理想的圖像攝取環(huán)境。

2.2 視覺檢測(cè)精度

影響視覺檢測(cè)精度的因數(shù)主要有：視野、相機(jī)像素、分辨率、視覺工具精度 。

如CDD相機(jī)水平方向視野為FOV1，垂直方向視野為FOV2，視覺工具精度為N，水平方向像素?cái)?shù)量P1，垂直方向像素?cái)?shù)量P2，則:

水平方向檢測(cè)精度：

(1)

垂直方向檢測(cè)精度：

(2)

根據(jù)公式(1)和公式(2)可以得出，視覺系統(tǒng)檢測(cè)精度與相機(jī)像素成正比關(guān)系，與視野大小成反比關(guān)系，即相機(jī)像素越高，分辨率越大，視野范圍越小，檢測(cè)精度越高。

3 輪轂裝卡位置精確測(cè)定方法

3.1 雙特征位置精確測(cè)定方法

因?yàn)檩嗇炑b卡位置精度，對(duì)輪轂的位置與姿態(tài)有雙重定位要求，為保證輪轂裝卡位置精度的準(zhǔn)確性，采用雙特征位置精度測(cè)定的方法，相比也以往的單特征位置測(cè)定方法，雙特征定位能夠有效的消除微小誤差，對(duì)工件姿態(tài)位置精度的影響。具體方法為：通過對(duì)輪轂兩處主要典型特征，即輪轂氣門孔位置與輪轂中心孔位置進(jìn)行位置測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果計(jì)算分析輪轂姿態(tài)與位置，以達(dá)到精準(zhǔn)測(cè)定。

應(yīng)用視覺系統(tǒng)提取輪轂兩處特征位置信息后，對(duì)信息進(jìn)行分析計(jì)算，已知輪轂特征1(氣門孔)位置信息x1、y1，輪轂特征2(中心孔)位置信息x2，y2，輪轂位置偏轉(zhuǎn)角度r，則有：

(3)

3.2 圖形特征提取與分析

圖像采集處理完成后，需要提取檢測(cè)特征，并與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像進(jìn)行比對(duì)，輪轂裝卡位置精確測(cè)定采用In-Sight Explorer軟件對(duì)輪轂的氣門孔位置與中心孔位置的兩項(xiàng)基本特征進(jìn)行提取，再分別將待測(cè)圖像特征與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算兩者間的相似度，若計(jì)算結(jié)果符合相似度要求則認(rèn)為位置符合，不符合要求則根據(jù)圖像位置與標(biāo)準(zhǔn)位置的誤差，計(jì)算出需要位移補(bǔ)差的距離或角度，具體流程如圖3所示。

圖3 特征提取與分析流程圖

如圖3所示，首先提取標(biāo)準(zhǔn)模板圖像中的氣門孔特征信息，如圖4，再在待測(cè)圖像區(qū)域，查找氣門孔特征的位置信息，如圖5，通過將找到的氣門孔特征位置坐標(biāo)x1、y1，與標(biāo)準(zhǔn)模板中的氣門孔特征位置坐標(biāo)xb1、yb1進(jìn)行比較，計(jì)算位置誤差，若誤差小于等于閥值，則氣門孔特征位置符合要求。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)圖像確認(rèn)提取特征圖

圖5 待測(cè)圖像特征查找范圍圖

圖6 局部掩膜后心孔特征

3.3 結(jié)果輸出與反饋

圖7 輪轂裝卡位置精度傳輸結(jié)果

因單次測(cè)量精度存在誤差，且視覺系統(tǒng)單次測(cè)量時(shí)間極其短，為減少誤差值，輪轂位置精準(zhǔn)測(cè)定，選用多次測(cè)量(10次)取平均值的方式，減少測(cè)量誤差，測(cè)量完成再后將輸出結(jié)果反饋給機(jī)械手進(jìn)行位移差補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

為減少機(jī)械手定位精度存在誤差，位移差補(bǔ)時(shí)，針對(duì)位置偏差較大的工件，輪轂位置精度測(cè)定，選用分段位移、逐漸次定位的方式進(jìn)行位移補(bǔ)差運(yùn)動(dòng)，設(shè)定角度60°為單次最大補(bǔ)差區(qū)間，即偏差大于60°的工件，以每次補(bǔ)差60°的方式，補(bǔ)差至剩余角度小于60°，再直接補(bǔ)差角度至符合要求。具體補(bǔ)差調(diào)整流程如圖8所示。

圖8 移補(bǔ)差調(diào)整流程圖

移補(bǔ)差調(diào)整步驟：

1)根據(jù)測(cè)量結(jié)果區(qū)分輪轂角度偏差范圍，按不同角度分為-60°至60°、60°至120°、120°至180°、-60°至-120°、-120°至-180°五個(gè)區(qū)間；

2)對(duì)輪轂角度偏差在120°至180°或-120°至-180°區(qū)間的工件，統(tǒng)一位移補(bǔ)差60°到60°至120°或-60°至-120°區(qū)間，并再次測(cè)量；

3)對(duì)輪轂角度偏差在60°至120°或-60°至-120°區(qū)間的工件，統(tǒng)一位移補(bǔ)差60°到-60°至60°區(qū)間，并再次測(cè)量；

4)對(duì)輪轂角度偏差在-60°至60°區(qū)間的工件，直接位移補(bǔ)差測(cè)量結(jié)果至正確位置；

5)測(cè)量補(bǔ)差結(jié)果，位置符合裝卡要求視為調(diào)整結(jié)束。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選用130萬像素、分辨率1 280×1 024的CDD相機(jī)，配合LED漫反射前光源，設(shè)置鏡頭距工件620 mm，光源距工件420 mm，相機(jī)曝光參數(shù)為8 ms，組成的輪轂裝卡位置精確測(cè)定系統(tǒng)，對(duì)同一偏轉(zhuǎn)角度為3°的工件進(jìn)行連續(xù)實(shí)際測(cè)量40次，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算得出：

輪轂位置精確測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)差s:

(2)

測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA:

(3)

輪轂位置精度誤差要求±0.5°，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出輪轂位置精度測(cè)量最大誤差0.046°、標(biāo)準(zhǔn)差0.022 6°、A類不確定度0.003 6°，均在理想范圍之內(nèi)，說明基于視覺檢測(cè)技術(shù)的輪轂位置精度測(cè)定系統(tǒng)，能夠滿足輪轂位置精度檢測(cè)的要求，并可快速重復(fù)測(cè)量，位移補(bǔ)差系統(tǒng)能夠滿足輸出且系統(tǒng)處理時(shí)間較短，滿足工業(yè)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)要求。若要進(jìn)一步提高測(cè)量精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、縮短系統(tǒng)處理時(shí)間 ，還要對(duì)有關(guān)問題作更深入的研究，如定位相機(jī)像素、檢測(cè)環(huán)境、鏡頭、光源的穩(wěn)定性等。

應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用視覺檢測(cè)系統(tǒng)，輔助輪轂自動(dòng)化加工577件電動(dòng)車輕質(zhì)合金輪轂，其中問題工件55件，一次加工產(chǎn)品合格率為90.47%，經(jīng)過對(duì)問題工件的檢測(cè)分析，產(chǎn)生問題原因全部為加工或卡具精度，輪轂位置精準(zhǔn)測(cè)定全部符合要求，能夠滿足輪轂自動(dòng)化加工檢測(cè)定位需求。若要進(jìn)一步提高加工效率，提高自動(dòng)化加工穩(wěn)定性，需對(duì)工裝夾具、切削刀具、切削液、切削速度等進(jìn)行深入研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

為滿足智能化生產(chǎn)需求，基于視覺檢測(cè)技術(shù)的輪轂裝卡位置精確測(cè)定，可以通過視覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)代替人眼及相應(yīng)檢測(cè)工具，自動(dòng)檢測(cè)獲取測(cè)定結(jié)果，并對(duì)結(jié)果分析后輸出，與機(jī)器人配合使用，可以克服傳統(tǒng)的人工手動(dòng)搬運(yùn)和裝卡的弊端，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，通過實(shí)驗(yàn)可證明該視覺系統(tǒng)，對(duì)輪轂位置精度的非接觸式在線檢測(cè)，具有精密高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，還能夠提高輪轂位置精確測(cè)定效率， 具有較高的應(yīng)用價(jià)值，適合用于輪轂自動(dòng)化加工中位置精度的測(cè)定。

視覺檢測(cè)技術(shù)作為代替人眼和其他檢測(cè)工具的智能化檢測(cè)技術(shù)，因其高效率，非接觸，高精度等特點(diǎn)，可以在定位檢測(cè)、精度測(cè)量、位置測(cè)定等方面廣泛應(yīng)用，對(duì)工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展能夠起到關(guān)鍵作用，符合未來工業(yè)智能化的發(fā)展方向，極具開發(fā)及研究?jī)r(jià)值。