关于冲压预装零件视觉检测装置的研究与应用

文/刘大永，闫媛芳，张涛·石家庄中博汽车有限公司

检测技术作为保证产品质量的关键手段，一直是现代工业中一道重要的工序。在冲压预装零件检测中，通常需要对零件的型号、各预装后零件的有无和预装零件粘贴的位置进行检测，而目前在发达国家企业中，冲压预装类的零件检测技术相当成熟，具体已发展到对冲压预装零件的外观、尺寸、结构变化等方面进行精准检测。随着我国冲压行业的稳步发展，对冲压件视觉检测技术的应用也应得到进一步的发展。

冲压预装零件视觉检测技术概述

现代工业制造的产品精度要求都非常高，用人眼无法快速进行连续稳定的检测。在线、实时、非接触是现代制造业所提倡和推行的检测理念，旨在帮助企业实施全面控制，提高产品合格率和生产效率。传统人工检测不仅不能保证检测的速度和质量，还增加了企业管理成本和人工成本，因此在这种环境下催生了新兴的检测技术，即视觉检测技术。视觉检测就是用机器人代替人眼来做测量和判断，在工厂的生产、包装和装配等环节有很大的实用价值。

近几年来，视觉检测技术已经逐步向高端迈进，并广泛应用于空调冲压预装零件的制造生产中。冲压预装零件过程中零件生产频率快、预装数量多、人员需求大，产品质量控制不足既会对生产造成大量报废，也会因产品质量不符合要求，造成对空调整机装配及其性能的影响。对冲压预装零件视觉检测装置的研究与应用，不仅更加完善了这一领域，并保证了检测精度高，提高了生产效率，减少了检测成本，积极地推动了电子技术在冲压制造业中的发展。

冲压预装零件检测技术主要对零件的型号、外观和结构进行检测，具有速度快、处理信息量大、精度要求高等优点，其主要工作原理是利用光学技术和图像摄取装置，将零件转换成图像信号，再由图像处理系统根据图像的亮度、颜色、像素分布等信息转换成数字信号，通过数字系统对零件尺寸、位置和颜色等部位进行高速计算分析（图1），判断输送带上预装的零件是否存在用错或者预装错误的情况，辨别出不合格的零件，并传出异常警报。基于视觉的冲压预装零件的检测技术涉及了多个学科，有电气技术、人机接口技术、光学成像技术、数字图像处理技术、计算机软件硬件技术等，这些技术的相互协作才可以构成一个完善的冲压预装零件检测系统。

冲压预装零件视觉检测系统的总体方案设计

图1 数据收集测算

冲压预装零件视觉检测系统的总体方案设计应满足下列要求：⑴自由更改参数，根据不同型号的零件选择适合的参数；⑵速度要求，检测速度必须与生产线体速度一致，或快于生产速度；⑶I/O扩展要求，可通过扩展I/O，检测不同传感信号；⑷统计数据和记录的要求；⑸必须具有图像分割计算能力。

提供总体结构设计

总体结构设计必须包含中心处理单元、图像处理器检测单元和基于PLC的现场控制单元。在此基础上又可细分为成像单元、图像处理与采集单元、监控管理单元三个部分，这三部分主要构成有CCD图像传感器、可重构图像处理器、LED光源、光电控制单元和机械定位装置等，总体结构设计如图2所示。

三个部分各自的作用分别是：成像单元使用LED光源、光电感应开关和CCD图像传感器等设备采集现场图像，转换为数字信号。图像处理与采集单元采集原始图像并进行一定的预处理，然后预处理单元对数据进行运算，得出运算结果，将结果上传至监控管理单元。监控管理单元主要由PLC、操作面板、工控机构组成，该单元起到设定参数、计算结果、分析统计的作用，并完成对现场设备的控制。

成像系统设计

成像的质量直接影响了检测工作的成效，影响零件状态判断的准确与否，图像有灰度、存在光源不足等问题，同样影响检测系统的有效性。利用CCD图像传感器摄像机通过调整焦距选取最佳拍摄状态，或者通过光源控制器调整现场灯光亮度情况以满足现场亮度要求，摄取现场透射或反射的图像信息可有效避免以上问题，并检测零件的整体结构、尺寸、颜色和预装零件位置。

图2 总体结构

成像系统的工作方式为：采用条形LED光源（图3），安装至冲压预装零件上部，保证零件能够处于光源照射范围内，通过零件图像的数据采集与存储样件进行对比，对所使用零件的结构、尺寸、颜色和预装零件位置与设置好的样件进行对比，完成零件的视觉检测。

图3 LED光源

视觉检测技术在空调零件生产过程中的应用

格力电器（石家庄）有限公司冲压车间在零件生产过程中，根据班组零件生产模式和零件特殊结构及存在的质量控制难点，开展了视觉检测技术的广泛应用，主要集中在冲压组件和冲压预装组件等生产繁琐、复杂的零件上。

冲压组件视觉检测的应用

空调外机零件如图4所示，红色区域处组件为空调底盘，它是空调整机组成部分中关键零件之一，在整机装配及售后安装中发挥重要性作用，该组件由一个底盘、两个基脚、两个挡块、三个螺栓组成，是结构较为复杂的焊接件，如图5所示。由于该组件涉及工序较多，使用人员较多，产品质量控制难度较大，在生产过程中难免出现质量问题，如漏工序、焊接不良等，一旦不良品流出厂外，将给整机装配和售后安装带来重大的安全隐患，因此零件在生产完毕后传递到下道工序之前，必须严格控制底盘组件的质量。

图4 空调外机零件分解图

图5 底盘组件示意图

视觉检测技术具有检测速度快、精度高、柔性好、非接触式等优点，为了解决冲压底盘组件漏工序、漏基脚、漏挡块、漏螺栓的质量异常，制定了利用视觉检测技术在线完成底盘零件的检测方案。在生产过程中，由于底盘零件是悬挂在传送链上不断移动的，对处于运动中的零件难以实现在线检测，为此进行了深入研究，建立了针对底盘在移动中进行检测的方案，在检测方案设计上，根据底盘零件的吊挂方式（一个挂具上吊四个底盘组件），采用了三套CCD摄像机、一套图像处理系统和稳定零件的导向工装（解决底盘晃动异常），如图6所示，来检测底盘组件是否存在漏工序的质量缺陷，通过摄像判断底盘组件中的基脚和挡块是否存在，螺栓有无则通过安装孔相对位置与理想位置进行判断，系统对图像进行了去背景、降噪、边缘加强等一系列的预处理，再通过计算对边缘图像进行提取，并与实物进行比对，完成了底盘组件的对比检测，如图7所示。

图6 稳定工装

图7 检测方案

冲压预装组件视觉检测的应用

冲压预装生产的右侧板组件零件如图8所示，侧板零件属于空调整机的骨架零件，零件整体结构由1个右侧板零件、2片右侧板衬垫海绵、1片大海绵、1片标识组成，右侧板零件在空调整机中主要起骨架及隔音降噪作用，产品下挂零件较多，人员投入较多，生产过程波动性较大，质量控制难度较大，零件生产过程中主要存在漏工序的异常，此零件产品质量及功能较为重要，因此在本工序生产完毕以后，必须保证产品符合质量要求，才可传递至下道工序使用。

图8 预装零件示意图

该零件的质量控制模式是通过人工进行定期抽检，防止大批量零件贴错、贴歪、漏贴等异常发生，但由于人员操作的不稳定性，仍不能杜绝部分零件出现质量异常，经过现场调查研究，决定采用基于PC机的视觉系统及视觉检测传感器方案来完成对预装零件的检测，该检测方案具有抓拍速度快、处理信息量大、检测精度高等特点，在设计上除了完成视觉检测传感器的机械装置部分外，还需根据该系统的要求设计专用的LED光源照明方案，来满足其视觉传感器对零件周边环境的抓拍要求，快速实时对生产线上零件进行抓拍，并与系统存储的图像进行对比，完成零件检测。如零件检测合格，显示屏处显示“OK”绿色界面，如零件不合格则显示“NG”红色界面，并传输相应的报警信号，人工剔除不良品，实现了零件在线实时检测，满足了产品的质量要求，保证产品合格率。

结束语

公司通过LED光源、CCD摄像机和图像采集系统等完成对零件的图像采集，在Windows Embedded Standard软件程序编辑的基础上，将采集的图像与标准模板进行多次匹配，实现对目标图像的定位，完成对图像的处理；利用图像分割算法计算待检测图像各区域的结构百分比，比较是否符合要求，实现对冲压零件预装质量的检测，保证了产品质量。对冲压预装零件视觉检测装置的研究及应用，解决了传统人工检测方法精度低、效率低、检测成本高、受外界环境因素影响大等不足，实现了非接触性、可视化、智能化的检测。