關(guān)于沖壓預(yù)裝零件視覺檢測(cè)裝置的研究與應(yīng)用

檢測(cè)技術(shù)作為保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵手段，一直是現(xiàn)代工業(yè)中一道重要的工序。在沖壓預(yù)裝零件檢測(cè)中，通常需要對(duì)零件的型號(hào)、各預(yù)裝后零件的有無和預(yù)裝零件粘貼的位置進(jìn)行檢測(cè)，而目前在發(fā)達(dá)國家企業(yè)中，沖壓預(yù)裝類的零件檢測(cè)技術(shù)相當(dāng)成熟，具體已發(fā)展到對(duì)沖壓預(yù)裝零件的外觀、尺寸、結(jié)構(gòu)變化等方面進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)。隨著我國沖壓行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，對(duì)沖壓件視覺檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用也應(yīng)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

沖壓預(yù)裝零件視覺檢測(cè)技術(shù)概述

現(xiàn)代工業(yè)制造的產(chǎn)品精度要求都非常高，用人眼無法快速進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的檢測(cè)。在線、實(shí)時(shí)、非接觸是現(xiàn)代制造業(yè)所提倡和推行的檢測(cè)理念，旨在幫助企業(yè)實(shí)施全面控制，提高產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)人工檢測(cè)不僅不能保證檢測(cè)的速度和質(zhì)量，還增加了企業(yè)管理成本和人工成本，因此在這種環(huán)境下催生了新興的檢測(cè)技術(shù)，即視覺檢測(cè)技術(shù)。視覺檢測(cè)就是用機(jī)器人代替人眼來做測(cè)量和判斷，在工廠的生產(chǎn)、包裝和裝配等環(huán)節(jié)有很大的實(shí)用價(jià)值。

近幾年來，視覺檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐步向高端邁進(jìn)，并廣泛應(yīng)用于空調(diào)沖壓預(yù)裝零件的制造生產(chǎn)中。沖壓預(yù)裝零件過程中零件生產(chǎn)頻率快、預(yù)裝數(shù)量多、人員需求大，產(chǎn)品質(zhì)量控制不足既會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成大量報(bào)廢，也會(huì)因產(chǎn)品質(zhì)量不符合要求，造成對(duì)空調(diào)整機(jī)裝配及其性能的影響。對(duì)沖壓預(yù)裝零件視覺檢測(cè)裝置的研究與應(yīng)用，不僅更加完善了這一領(lǐng)域，并保證了檢測(cè)精度高，提高了生產(chǎn)效率，減少了檢測(cè)成本，積極地推動(dòng)了電子技術(shù)在沖壓制造業(yè)中的發(fā)展。

沖壓預(yù)裝零件檢測(cè)技術(shù)主要對(duì)零件的型號(hào)、外觀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，具有速度快、處理信息量大、精度要求高等優(yōu)點(diǎn)，其主要工作原理是利用光學(xué)技術(shù)和圖像攝取裝置，將零件轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，再由圖像處理系統(tǒng)根據(jù)圖像的亮度、顏色、像素分布等信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過數(shù)字系統(tǒng)對(duì)零件尺寸、位置和顏色等部位進(jìn)行高速計(jì)算分析（圖1），判斷輸送帶上預(yù)裝的零件是否存在用錯(cuò)或者預(yù)裝錯(cuò)誤的情況，辨別出不合格的零件，并傳出異常警報(bào)。基于視覺的沖壓預(yù)裝零件的檢測(cè)技術(shù)涉及了多個(gè)學(xué)科，有電氣技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件硬件技術(shù)等，這些技術(shù)的相互協(xié)作才可以構(gòu)成一個(gè)完善的沖壓預(yù)裝零件檢測(cè)系統(tǒng)。

沖壓預(yù)裝零件視覺檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)



圖1 數(shù)據(jù)收集測(cè)算

沖壓預(yù)裝零件視覺檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求：⑴自由更改參數(shù)，根據(jù)不同型號(hào)的零件選擇適合的參數(shù)；⑵速度要求，檢測(cè)速度必須與生產(chǎn)線體速度一致，或快于生產(chǎn)速度；⑶I/O擴(kuò)展要求，可通過擴(kuò)展I/O，檢測(cè)不同傳感信號(hào)；⑷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和記錄的要求；⑸必須具有圖像分割計(jì)算能力。

提供總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須包含中心處理單元、圖像處理器檢測(cè)單元和基于PLC的現(xiàn)場(chǎng)控制單元。在此基礎(chǔ)上又可細(xì)分為成像單元、圖像處理與采集單元、監(jiān)控管理單元三個(gè)部分，這三部分主要構(gòu)成有CCD圖像傳感器、可重構(gòu)圖像處理器、LED光源、光電控制單元和機(jī)械定位裝置等，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。
三個(gè)部分各自的作用分別是：成像單元使用LED光源、光電感應(yīng)開關(guān)和CCD圖像傳感器等設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)圖像，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。圖像處理與采集單元采集原始圖像并進(jìn)行一定的預(yù)處理，然后預(yù)處理單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得出運(yùn)算結(jié)果，將結(jié)果上傳至監(jiān)控管理單元。監(jiān)控管理單元主要由PLC、操作面板、工控機(jī)構(gòu)組成，該單元起到設(shè)定參數(shù)、計(jì)算結(jié)果、分析統(tǒng)計(jì)的作用，并完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。

成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成像的質(zhì)量直接影響了檢測(cè)工作的成效，影響零件狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確與否，圖像有灰度、存在光源不足等問題，同樣影響檢測(cè)系統(tǒng)的有效性。利用CCD圖像傳感器攝像機(jī)通過調(diào)整焦距選取最佳拍攝狀態(tài)，或者通過光源控制器調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)燈光亮度情況以滿足現(xiàn)場(chǎng)亮度要求，攝取現(xiàn)場(chǎng)透射或反射的圖像信息可有效避免以上問題，并檢測(cè)零件的整體結(jié)構(gòu)、尺寸、顏色和預(yù)裝零件位置。



圖2 總體結(jié)構(gòu)

成像系統(tǒng)的工作方式為：采用條形LED光源（圖3），安裝至沖壓預(yù)裝零件上部，保證零件能夠處于光源照射范圍內(nèi)，通過零件圖像的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)樣件進(jìn)行對(duì)比，對(duì)所使用零件的結(jié)構(gòu)、尺寸、顏色和預(yù)裝零件位置與設(shè)置好的樣件進(jìn)行對(duì)比，完成零件的視覺檢測(cè)。



圖3 LED光源

視覺檢測(cè)技術(shù)在空調(diào)零件生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

格力電器（石家莊）有限公司沖壓車間在零件生產(chǎn)過程中，根據(jù)班組零件生產(chǎn)模式和零件特殊結(jié)構(gòu)及存在的質(zhì)量控制難點(diǎn)，開展了視覺檢測(cè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，主要集中在沖壓組件和沖壓預(yù)裝組件等生產(chǎn)繁瑣、復(fù)雜的零件上。

沖壓組件視覺檢測(cè)的應(yīng)用

空調(diào)外機(jī)零件如圖4所示，紅色區(qū)域處組件為空調(diào)底盤，它是空調(diào)整機(jī)組成部分中關(guān)鍵零件之一，在整機(jī)裝配及售后安裝中發(fā)揮重要性作用，該組件由一個(gè)底盤、兩個(gè)基腳、兩個(gè)擋塊、三個(gè)螺栓組成，是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的焊接件，如圖5所示。由于該組件涉及工序較多，使用人員較多，產(chǎn)品質(zhì)量控制難度較大，在生產(chǎn)過程中難免出現(xiàn)質(zhì)量問題，如漏工序、焊接不良等，一旦不良品流出廠外，將給整機(jī)裝配和售后安裝帶來重大的安全隱患，因此零件在生產(chǎn)完畢后傳遞到下道工序之前，必須嚴(yán)格控制底盤組件的質(zhì)量。



圖4 空調(diào)外機(jī)零件分解圖



圖5 底盤組件示意圖

視覺檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)速度快、精度高、柔性好、非接觸式等優(yōu)點(diǎn)，為了解決沖壓底盤組件漏工序、漏基腳、漏擋塊、漏螺栓的質(zhì)量異常，制定了利用視覺檢測(cè)技術(shù)在線完成底盤零件的檢測(cè)方案。在生產(chǎn)過程中，由于底盤零件是懸掛在傳送鏈上不斷移動(dòng)的，對(duì)處于運(yùn)動(dòng)中的零件難以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，為此進(jìn)行了深入研究，建立了針對(duì)底盤在移動(dòng)中進(jìn)行檢測(cè)的方案，在檢測(cè)方案設(shè)計(jì)上，根據(jù)底盤零件的吊掛方式（一個(gè)掛具上吊四個(gè)底盤組件），采用了三套CCD攝像機(jī)、一套圖像處理系統(tǒng)和穩(wěn)定零件的導(dǎo)向工裝（解決底盤晃動(dòng)異常），如圖6所示，來檢測(cè)底盤組件是否存在漏工序的質(zhì)量缺陷，通過攝像判斷底盤組件中的基腳和擋塊是否存在，螺栓有無則通過安裝孔相對(duì)位置與理想位置進(jìn)行判斷，系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行了去背景、降噪、邊緣加強(qiáng)等一系列的預(yù)處理，再通過計(jì)算對(duì)邊緣圖像進(jìn)行提取，并與實(shí)物進(jìn)行比對(duì)，完成了底盤組件的對(duì)比檢測(cè)，如圖7所示。



圖6 穩(wěn)定工裝



圖7 檢測(cè)方案

沖壓預(yù)裝組件視覺檢測(cè)的應(yīng)用
沖壓預(yù)裝生產(chǎn)的右側(cè)板組件零件如圖8所示，側(cè)板零件屬于空調(diào)整機(jī)的骨架零件，零件整體結(jié)構(gòu)由1個(gè)右側(cè)板零件、2片右側(cè)板襯墊海綿、1片大海綿、1片標(biāo)識(shí)組成，右側(cè)板零件在空調(diào)整機(jī)中主要起骨架及隔音降噪作用，產(chǎn)品下掛零件較多，人員投入較多，生產(chǎn)過程波動(dòng)性較大，質(zhì)量控制難度較大，零件生產(chǎn)過程中主要存在漏工序的異常，此零件產(chǎn)品質(zhì)量及功能較為重要，因此在本工序生產(chǎn)完畢以后，必須保證產(chǎn)品符合質(zhì)量要求，才可傳遞至下道工序使用。



圖8 預(yù)裝零件示意圖

該零件的質(zhì)量控制模式是通過人工進(jìn)行定期抽檢，防止大批量零件貼錯(cuò)、貼歪、漏貼等異常發(fā)生，但由于人員操作的不穩(wěn)定性，仍不能杜絕部分零件出現(xiàn)質(zhì)量異常，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，決定采用基于PC機(jī)的視覺系統(tǒng)及視覺檢測(cè)傳感器方案來完成對(duì)預(yù)裝零件的檢測(cè)，該檢測(cè)方案具有抓拍速度快、處理信息量大、檢測(cè)精度高等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上除了完成視覺檢測(cè)傳感器的機(jī)械裝置部分外，還需根據(jù)該系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)專用的LED光源照明方案，來滿足其視覺傳感器對(duì)零件周邊環(huán)境的抓拍要求，快速實(shí)時(shí)對(duì)生產(chǎn)線上零件進(jìn)行抓拍，并與系統(tǒng)存儲(chǔ)的圖像進(jìn)行對(duì)比，完成零件檢測(cè)。如零件檢測(cè)合格，顯示屏處顯示“OK”綠色界面，如零件不合格則顯示“NG”紅色界面，并傳輸相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，人工剔除不良品，實(shí)現(xiàn)了零件在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，滿足了產(chǎn)品的質(zhì)量要求，保證產(chǎn)品合格率。

結(jié)束語

公司通過LED光源、CCD攝像機(jī)和圖像采集系統(tǒng)等完成對(duì)零件的圖像采集，在Windows Embedded Standard軟件程序編輯的基礎(chǔ)上，將采集的圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行多次匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)圖像的定位，完成對(duì)圖像的處理；利用圖像分割算法計(jì)算待檢測(cè)圖像各區(qū)域的結(jié)構(gòu)百分比，比較是否符合要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖壓零件預(yù)裝質(zhì)量的檢測(cè)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)沖壓預(yù)裝零件視覺檢測(cè)裝置的研究及應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法精度低、效率低、檢測(cè)成本高、受外界環(huán)境因素影響大等不足，實(shí)現(xiàn)了非接觸性、可視化、智能化的檢測(cè)。