張振 鄭芳 李凱 劉子涵

[摘 ? ?要]隨著工業(yè)自動化進程的加快，密封膠的涂裝檢測系統(tǒng)成為發(fā)動機裝配過程的重要組成部分。發(fā)動機作為工業(yè)化最重要的核心部件，其缸體涂膠好壞與否就對發(fā)動機整體質量造成直接影響?；诖?，利用機器視覺系統(tǒng)來檢測發(fā)動機涂膠工作，就能從根本上加強發(fā)動機涂膠的工作質量和效率，讓涂膠工作更加高速穩(wěn)定。文章主要探析視覺系統(tǒng)在發(fā)動機涂膠的應用，以期讓視覺系統(tǒng)更加完善，給發(fā)動機涂膠工作的開展提供助益。

[關鍵詞]視覺系統(tǒng);發(fā)動機涂膠;工藝安全;圖像處理

[中圖分類號]U466 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）05–0–03

Application of Vision System in Engine Gluing

Zhang Zhen，Zheng Fang，Li Kai，Liu Zi-han

[Abstract]With the acceleration of industrial automation， the coating detection system of sealant has become an important part of engine assembly process. As the most important core component of industrialization， the gluing of the engine block has a direct impact on the overall quality of the engine. Based on this， using machine vision system to detect engine gluing can fundamentally strengthen the quality and efficiency of engine gluing and make the gluing work more high-speed and stable. This paper mainly discusses the application of vision system in engine gluing， in order to make the vision system more perfect and provide help for the development of engine gluing.

[Keywords]visual system; Engine gluing; Process safety; image processing

目前，我國大多制造企業(yè)在發(fā)動機組件安裝過程中，還主要將人工操作當成主要操作主體，這就導致發(fā)動機涂膠工作環(huán)節(jié)中存在一定問題，主要表現(xiàn)為涂膠不均勻、涂膠位置精準度不夠、涂膠工作效率偏低等方面。這些問題的存在，在一定程度上會破壞發(fā)動機完整性和安全性，輕者導致發(fā)動機在使用過程中出現(xiàn)油體泄漏，重則造成發(fā)動機損壞，對駕駛者的生命財產(chǎn)安全造成損害。因此，視覺系統(tǒng)在發(fā)動機涂膠工作中的應用，就對發(fā)動機制造有著至關重要的現(xiàn)實

意義。

1 視覺系統(tǒng)的概述

從宏觀角度上來看，圖像處理是基于圖像處理技術的一門機械或學科圖像處理系統(tǒng)，測量和控制設備以及基于圖像處理的設備，都屬于視覺系統(tǒng)這一大分類。而從微觀角度理解，機器視覺系統(tǒng)是指基于視覺識別的工業(yè)設備，和工具的測量控制設備。機器視覺系統(tǒng)的研發(fā)和推廣應用，能夠有效加強產(chǎn)品質量監(jiān)控工作，提高應用企業(yè)的自動化水平，尤其是在惡劣或不可見的環(huán)境中，有必要用機器視覺代替人眼。許多現(xiàn)代工廠需要更高產(chǎn)能，而傳統(tǒng)靠人工控制的產(chǎn)品質量識別不僅效率低、精度低，還需要較大的人力投入。但視覺系統(tǒng)可以通過圖像處理來解決這一問題。此外，圖像處理還可以實現(xiàn)信息收集、存儲和傳輸，采集的圖像數(shù)據(jù)，通過光學設備和非接觸式傳感器自動記錄和處理，視覺系統(tǒng)不但是真實物體的圖像處理設備，更是一種接收圖像分析需求信息或控制運動的重要設備。

2 視覺系統(tǒng)的優(yōu)點

視覺系統(tǒng)的完整性，必須擁有良好的視覺處理系統(tǒng)，這就要求在構建此系統(tǒng)時，要按照工廠實際所需情況進行設計，保證其能夠滿足應用效果。視覺系統(tǒng)在發(fā)動機企業(yè)中的應用，主要是為了讓企業(yè)實現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化和自動化。在對完整的視覺系統(tǒng)開展詳細分析以后發(fā)現(xiàn)，其主要包含以下幾項優(yōu)點。

2.1 精準度高

機器設備與人眼相比較存在的優(yōu)勢可謂天差地別，傳統(tǒng)的發(fā)動機涂膠需要人眼利用放大鏡或靠工人自身經(jīng)驗去檢測，而利用機器視覺系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)微小瑕疵，其可利用效率能夠達到人眼的幾十倍甚至百倍。

2.2 檢測效率高

機器視覺識別的速度是無與倫比的，尤其是在高速檢測生產(chǎn)中測量物體時，機器視覺極大提高了操作者的工作效率。

2.3 測量更加全面

機器視覺系統(tǒng)在檢測過程中不會損壞車身，尤其是敏感部位，從而提高了整個檢測的可靠性。它的范圍很廣，特殊的光學設備可以檢測寬的波長范圍，控制人眼無法看到的波長范圍，以及它擴大了人眼可見的空間。

2.4 測量結果更加客觀

人工檢測最重要的一項缺點，就是檢測結果會依靠檢測人員的主觀性發(fā)生變化，這就導致工作標準不規(guī)范，機器視覺系統(tǒng)則不存在這一缺點，其會按照制定的標準數(shù)據(jù)對部件進行檢測，其檢測結果只有合格與否，更加客觀與可靠。

3 視覺系統(tǒng)的設計開發(fā)與應用

涂膠質量檢測主要由視覺系統(tǒng)硬件和在線檢測系統(tǒng)軟件組成。視覺系統(tǒng)通過在線質量檢測軟件實時采集和處理標定物或膠黏線圖像加工分析，創(chuàng)建膠黏劑質量標準數(shù)據(jù)庫，完成在線質量檢測分析，并將結果保存到本地數(shù)據(jù)庫。

3.1 涂膠檢測模塊的設計開發(fā)與應用

視覺系統(tǒng)必須選擇高像素、高質量的工業(yè)數(shù)碼相機，同時配備鏡頭、燈具等，另外還要配備滿足傳輸速度要求的網(wǎng)卡，以及滿足處理速度要求的工控機等。

（1）設計了圖像采集模塊的程序，確定待分析對象的屬性。然后，圖像處理流程設計調用并更改Visual Basic中的包庫文件，用程序功能實現(xiàn)所需功能，如添加顯示功能和對比效果，網(wǎng)絡參數(shù)可以在VB中直接控制，也可以在Visionpro中設置和控制，完成整個系統(tǒng)的功能。

（2）利用Visionpro軟件中的圖像采集模塊，可以實現(xiàn)橡膠圓筒線樣品的圖像采集。系統(tǒng)需要連續(xù)、快速、簡單、可靠地獲取被測發(fā)動機缸體的圖像。通過VB直接調用Visionpro軟件的圖像采集模塊庫文件。

（3）與PLC進行通信，獲取攝像機的觸發(fā)信號并實時傳輸，發(fā)送信號結果。考慮到OPC過程在1s內完成，通信方法PLC向PC機發(fā)送脈沖觸發(fā)信號，用VB進行網(wǎng)絡通信來使Visionpro啟動攝像頭模塊并開始捕獲數(shù)據(jù)。測試完成后，結果將直接通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)庫塊寫入PLC當中，利用VB本地存儲網(wǎng)絡工具中的圖像數(shù)據(jù)在電腦內完成檢測。

在視覺系統(tǒng)硬件設備方面，選擇合適的光源和照明方式。軟件方面則利用圖像預處理通過圖像形態(tài)學中的狹縫算法，濾除影響檢測的像素雜質。采用平面棋盤法和等比例題法，提出了一種解決鏡頭透視圖像畸變的算法，讓測試結果準確性更高，滿足發(fā)動機涂膠生產(chǎn)工藝要求。

3.2 涂膠圖像處理模塊設計開發(fā)與應用

照相機拍攝的照片必須轉換成計算機能夠處理格式。轉化的過程中，相機拍攝的圖像不可避免地會出現(xiàn)一定的失真和變形。所以，有必要讓圖像處理軟件通過一系列的圖像處理步驟，如增強、識別、特征提取、等方面。獲得對比度良好的清晰特征圖像后，再對其進一步分析。圖像處理和檢測一般包括：目標、傳感器、捕獲、分析和檢測。涂膠圖像處理模塊設計與開發(fā)，首先對發(fā)動機涂膠進行圖像提取;其次，在Visionpro視覺系統(tǒng)中通過合理進行處理之后提取到的相關圖像;再次，通過vb來使用Visionpro視覺系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)檢測，同時利用PLC控制整個視覺檢測系統(tǒng)進。最后，統(tǒng)計整理出檢測完成后的數(shù)據(jù)報表，明確標記所檢測發(fā)動機涂膠是否符合制定標準。

3.3 視覺系統(tǒng)中相機的設計與應用

圖像處理系統(tǒng)是視覺系統(tǒng)的重要組成部分。攝像機的畸變將攝像機的像素值轉換為實際毫米級，這使得涂膠的檢測數(shù)據(jù)準確。相機標定是實際在選擇攝像機和其他設備的基礎上，去除攝像機的內外部參數(shù)?；跀z像機與發(fā)動機涂膠關系的圖像處理系統(tǒng)，零件參數(shù)標定適用于大多數(shù)圖像處理系統(tǒng)，尤其是精密測量，相機應用圖像處理系統(tǒng)的標定是非常必要和重要的。

本項目的目的是測量發(fā)動機表面的膠合線。如果考慮膠層厚度的影響，需要使用三維目標，這也使測量過程中計算過多。在測量過程中，不用對景深進行考慮，這樣使測量結果更加準確。所以，涂膠的膠水線可以看作是校準目標層的二維圖像，這極大減少了計算量，其對準確性的影響可以忽略。

最大視野的鏡頭畸變也可能很大。基于此，選擇了一種平面標靶目標的攝像機模型及標定方法。一方面，它位于黑白棋盤之間，距離是固定的，因此很容易找到正確的點（即黑白交叉點）;另一方面，Visionpro中的程序有黑白棋盤視覺模塊，便于開發(fā)和使用。

如果相機鏡頭畸變較大，忽略畸變的影響可以得到相機的內外參數(shù)。如果使用較大的線性誤差參數(shù)校準相機的畸變系數(shù)，則誤差較大。將這些誤差引入變形系數(shù)，增加了計算量，降低了計算效率。如果修正輻射線徑向畸變校正可以與其他線性校正參數(shù)分離。應該先消除被測物體圖像的非線性畸變，然后根據(jù)畸變圖像對攝像機進行標定，這樣計算相對較小且有效。

3.4 涂膠圖片的預處理開發(fā)與應用

在消除相機獲取圖片時的相機畸變后，因為原始圖像噪聲較多，所以信噪就會偏低。在視覺系統(tǒng)中測試發(fā)動機缸體的涂膠面，在磨削過程中，膠面會產(chǎn)生一定的摩擦痕跡，發(fā)動機表面的清潔和拋光是一個非常完整的過程。清洗液殘留等因素導致了背景圖像的復雜性。此外，由實際攝像機記錄的橡膠圓筒線的原始圖像質量不高。在邊緣檢測過程中，需要對涂膠膠黏線的原始圖像進行預處理。圖像預處理不僅可以提高原始圖像的視覺效果，而且可以提高邊緣檢測的準確性，高識別率提高了圖像中光線的有效性。視覺識別是圖像識別的良好基礎，如果一張照片不能正常工作，它就不能準確地確定每張照片的具體內容。

（1）在Visionpro軟件上，從單個磁帶中提取輪廓。從相機鏡頭可以看到發(fā)動機缸體的整個表面，獲取到的圖像格式為2 592×1 944像素，但并非圖像的每個部分都包含檢測測量有用的信息。大部分圖像是500萬像素高的圖像，帶有大量有用信息的涂膠粘合線信息，很容易被其他無關信息淹沒。因此，無論是處理加速度還是為了促進圖像處理的發(fā)展，圖像中的有用信息量盡可能小，但精度較低沒有必要這樣做。為了使信息盡可能小和準確，使用軟件選擇框選擇并使用有關圖像涂膠的有用信息，而更多圖片信息不在考慮范圍內。

（2）將原始涂膠圓柱橡膠線圖像分解為不同頻段的信號，得到橡膠線的高頻信號。詳細信息（即缸體和橡膠線之間的邊界）和低頻信號是圖像的基本信息，考慮到圖像的大部分能量集中在低頻和中頻振幅譜中，圖像的邊緣和噪聲對應于高頻部分。因此，能夠降低高頻分量振幅的濾波器，也可以有效降低噪聲。

（3）如果光源的亮度恒定，則圖像傳感器的表面靈敏度會隨著相機曝光時間的增加而增加。獲得的光通量增加了圖像的亮度，對比度將在一定范圍內增加。但如果暴露如果照明時間過長，圖像的亮度會增加，對比度會降低，給后續(xù)的圖像處理帶來不便。同時，由于攝像頭隨粘合劑機器人移動，粘合劑質量標準信息庫在在線質量檢測中，長曝光時間會延長圖像采集時間，導致圖像采集時間的誤差。相機位置的不確定性將直接影響神經(jīng)網(wǎng)絡的預測精度。根據(jù)曝光時間的實驗結果，線膠對圖像處理的影響比相機曝光時間更敏感。

因此，曝光時間只能在小范圍內設置。為了獲得更高質量的照片良好的圖像處理效果，有必要對照明系統(tǒng)的設置進行實驗?；趫D像處理的光源確定相機的曝光時間后，采集圖像的亮度將隨著光源系統(tǒng)亮度的增加而增加。圖像對比度也會在一定范圍內增加，曝光時間與實驗結果相同如果照明系統(tǒng)過高，圖像對比度則會降低。

3.5 視覺系統(tǒng)在發(fā)動機涂膠中的應用驗證

設計并搭建了基于圖像處理的發(fā)動機涂膠視覺檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基礎。只有通過測試才能知道視覺系統(tǒng)是否滿足發(fā)動機涂膠檢測的基本要求?？傮w必要性測試主要包含以下方面。

（1）視覺系統(tǒng)測試發(fā)動機涂膠的檢測時間。

（2）檢測發(fā)動機涂膠穩(wěn)定性是否符合要求。

（3）視覺系統(tǒng)測試發(fā)動機涂膠數(shù)據(jù)的準確性。

整個光學檢測系統(tǒng)需要的時間小于1s。使用一般類型的工業(yè)工程來測試尺寸檢測系統(tǒng)時間，首先，選擇500片自動涂膠測試樣品，計時器用于確定測試系統(tǒng)需要測試總時間約為22 min，機械機構需要83 s來移動和固定缸體。因此，視覺系統(tǒng)在對發(fā)動機涂膠進行檢測的時間約為0.6 s。通過應用實踐結果可知，視覺系統(tǒng)能夠達到對發(fā)動機涂膠檢測的相關要求，但由于關于其系統(tǒng)性研究較少，其仍然擁有更大的發(fā)展前景。

4 結束語

與光學和光電傳感器相比，視覺系統(tǒng)處理更加方便。自動化系統(tǒng)更加多樣化、靈活和可重構性較強，如果生產(chǎn)過程需要改變系統(tǒng)，只需調整軟件參數(shù)，無需更換硬件，生產(chǎn)設施更新后圖像處理系統(tǒng)可以重復使用?，F(xiàn)階段，視覺系統(tǒng)檢測已經(jīng)逐漸取代了手工操作，很大程度上加強了企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)自動化和規(guī)范化。

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