基于机器视觉系统的汽车发动机装配线

臧程程

摘要：机器视觉系统主要就是利用机器视觉产品对目标对象进行图像信号的转换，并将图像信号传递给专用的图像处理系统中，图像处理系统会根据像素的分布和亮度等信息，将其转换为数字信号。图像系统会根据释放出的数字信号進行运算，从而获取目标对象的具体特点，根据获得的信息进行结果的比较，从而对现场的设备动作进行控制。因此，引入机器视觉技术，对零件的外形尺寸进行检测，降低零件的容错率，从而提高产品装配的质量。

Abstract： Machine vision system is mainly to use machine vision products to transform the image signal of the target object， and the image signal is transferred to the special image processing system， the image processing system will be based on the distribution and brightness of pixels and other information， it will be converted into digital signals. The image system will operate according to the released digital signal， so as to obtain the specific characteristics of the target object， and compare the results according to the obtained information， so as to control the action of the equipment on site. Therefore， the introduction of machine vision technology to detect the dimensions of parts， reduce the fault tolerance of parts， so as to improve the quality of product assembly.

关键词：机器视觉系统;汽车发动机;装配线;检测

Key words： machine vision system;automobile engine;the assembly line;detection

中图分类号：U472.43                                 文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0226-03

0  引言

随着我国发动机行业的快速发展，对发动机的装配质量要求也越来越高。在汽车行业，发动机装配制造尤为重要，流水线式的作业方式容易出现质量问题，为了满足汽车行业的发展需要，引入机器视觉系统，是为了避免因人为的失误而造成物料错装或漏装的问题，更是为了降低品质事故。一旦出现品质问题，对企业会带来非常严重的负面影响。对汽车发动机进行装配制造时，使用机器代替人工进行品质检查，借助机器进行零部件的测量和判断，可以有效提升发动机装配线的质量控制需求。机器视觉技术目标的应用广泛，且获取的实际效果较好，但是其自身或配套技术上所存在的实时性问题还有待改善，在工业检测时，实时性是衡量机器视觉系统的重要因素，因此在机器视觉的实时性研究方面，要加强重视，以提高机器视觉系统的检测准确度。

1  视觉系统的硬件要求

视觉系统在设计过程中需要根据项目的具体要求，从系统的各个方面出发进行考察，将检测到的目标图像进行提取，得到目标图像的感兴趣特征，然后进行检测结果的判断，并将检测结果统一发送到执行单元中。视觉检测系统需要进行考察的硬件因素有如下几个方面：

工业的光源和照明方式是保证企业在生产现场可以长时间工作的基本保障，可以更加稳定的采集高质量的图像进行检测，从而满足视觉系统的检测需求;

根据企业项目对检测的需求，为视觉系统配制质量好、工作高效的工业相机、镜头以及处理器;

因为企业中的所有设备随时处于高速高效的工作状态下，所以会受到来自外界各种各样的干扰影响视觉系统的正常运行。因此，视觉系统需要具备较强的抗干扰功能，可以有效应对工业相机偏移、目标物位置变化以及光源强度变化等干扰;

视觉系统在设计过程中，除了需要具备较强的检测功能外，还需要随时根据检测的位置进行调整，通过对工业相机和光源的位置调整，得到较好的成像距离和视野范围，随时随地得到最佳的调整位置;

送料的机构不仅可以安全的进行滑轮的输送，同时还需要保证滑轮的检测顺序;

系统自带报警功能，当设备出现问题后会立即进行反映。

2  机器视觉系统的搭建和选型

机器视觉系统的硬件结构如图1所示。

2.1 工业光源和照明方式

工业光源和照明方法的选择直接决定连接了视觉系统的质量问题，好的工业光源不仅可以增强对比效果，还可以防止其他因素的干扰，保证工业相机在特定的范围内可以保持较好的亮度效果，从而获取准确的检测目标位置。工业光源根据光源的形状和特性进行类型划分，通过比较不同类型的工业光源，得出LED光源具有较好的稳定性效果，可以降低衰减性的速度，并保持颜色的多样性。因此，LED光源被广泛应用于嵌入式的视觉系统中。

工业中需要根据被测试的对象，进行生产现场的模拟，常见的照明方式有通用照明、背光照明、漫反射照明、暗域照明、亮域照明等。根据生产情况，选择合适的照明方式。

2.2 工业相机

工业相机与普通相机相比，在图像质量、信息传输速度等方面更加具有优势，CCD和CMOS是当前工业相机中经常使用到的两种传感器，CCD相比CMOS，具有更加明显的光敏感性，在进行目标检测时，可以更容易发现对比度较低的目标。CCD图像传感器主要是通过电荷移动进行信号的传输，信号的存储与读取一体，反映快速。

驱动电路提供电荷移动脉冲信号;接口电路可以转换外部输入信号。两种电路都可以实现CCD图像传感器的图像采集。根据CCD的尺寸，得出CCD图像传感器的靶面标准，如表1所示。

CCD图像传感器的型号选择，需要根据实际场合情况进行使用，同时还要考虑到图像颜色、最大帧率、像素尺寸、分辨率等因素。其中，分辨率的计算公式为：

P=FOV/DetX

P表示分辨率;FOV表示检测宽度;DetX表示检测精度。

2.3 工业镜头

工业镜头的主要功能就是以目标对象为主，将目标对象统一聚集在CCD的图像传感器中，以获取目标对象的图像。工业镜头型号的选择直接影响到视觉系统的性能。因此，根据目标对象的尺寸大小、光圈大小、视野大小等进行镜头型号的选择。工业镜头的成像原理如图2所示。

焦距：是指目标对象的图像与实物的比例，如果目标对象距离恒定，则图像的比例会发生变化。工业镜头的焦距越小，则视场角越大，反之越小。工业镜头的变化并不是图像的变化，不会影响到图像的准确度;分辨率：选择比CCD图像传感器更高的分辨率，才可以满足系统的要求;光圈数：是指工业镜头的孔径大小;视场角：与CCD图像传感器的成像视野范围密切相关，会随着焦距而发生变化。

2.4 图像采集模块

图像采集模块主要连接CCD图像和ARM处理器，通过获取CCD图像传感器发出的信号，并完成信号的转换，信号转换完成后，将转换后的结果发送到ARM处理器中。图像采集模块所支持的样式必须对应CCD图像传感器的输出样式。当获取目标对象的图像后，需要对图像进行识别，利用ARM处理器以及OPENCV视觉库，完成图像的处理过程。

3  机器视觉系统在汽车发动机装配线上的应用

3.1 工艺分析

以嵌入式视觉系统为例，该系统分为两个系列，VS100系列和VS700系列。

VS100系列是专用型视觉系统，VS100系列的视觉系统，主要进行特定图像的处理;VS700系列是通用型的视觉系统，主要用于生产线中，对生产的产品进行质量检测和控制。通用型系统通过编程的形式完成图像的采集和处理，适用于在一个测试循环中完成多项测试任务。两个系列的主要功能如表2所示。

根据表1可得，不同的系列对应着不同的功能，在VS720系列中，传感器为其提供了1个集成以太网接口、8个可自由配置的输入/输出端。通过摄像机，将以太网连接到网络上，连接成功后可以接收任何终端设备的访问，从而提高设备的维护效率和诊断效率。VS链接接口模块可以完成一台对应多台摄像机获取图像的功能，或者利用PROFIBUS与连接模块连接，完成其他终端的监测。另外，以太网所提供的带宽可以备份质量数据和故障图像。

3.2 工艺描述

以某汽车发动机生产厂的装配车间为例，为了保证发动机装配线的生产质量，利用VS722系列实现对发动机缸体号码打刻质量的检测，并对发动机装配完成后进行自动化外观检查。

缸体打刻号码检查工位，在缸体标签打刻工位的后方，利用VS722进行拍照，检查缸体的标签打刻号码是否正确。FR表示打刻面在左侧，FF表示打刻面在右侧。因为型号较多，在进行检测时，需要利用系统中的自动读取功能，查找到被检测缸体的型号，从而比较打印的号码是否正确。

对于总成后的发动机外观检查工位而言，当发动机的外观检查位置位于外装线的末端，在完成发动机装配之前，利用VS722傳感器，对四周进行拍照检查，同时，在工位的左右两侧安装传感器，当零件进入工位后，会先获取信号，然后拍照，这样可以保证发动机的四周都可以检查到位。对于不同型号的发动机，检查程序基本相同，先检查防水塞是否有漏装或者安装错误，然后检查发动机的吊钩、机油尺、通气软管是否出现漏装或者安装错误，最后检查出水接头、隔热罩螺栓以及机油冷却软管是否存在漏装或者安装错误。

3.3 工作原理

3.3.1 数据通讯

VS722视觉传感器与PLC之间进行数据通讯的方式为：

①VS722所提供8DI/DO接口可以完成与PLC硬件的连接，完成拍照，并将拍摄的图像进行结果反馈;

②通过工业以太网，让VS722与PLC进行数据通讯，这种通信方式需要用到FC72通讯功能模块，通过工业以太网实现数据通讯，字节可以达到60K;而是用PROFIBUS总线只能实现28K字节的通讯;

③如果对数据通讯的要求很高，可以选择增强型的通讯方式进行数据通讯，通过PROFIBUS，利用虚拟I/O的方式实现增强型通讯;或者使用以太网的系统/数据连接驱动实现增强型通讯。

3.3.2 号码识别

缸体打刻检查控制系统在PLC、VS722、RFID读写识别系统的基础上，完成数字检查，并通过以太网实现了VS722与PLC之间的数据通讯。当进入到工体后，缸体会自带M/P存储卡，在M/P存储卡中标记的有缸体的号码信息，PLC会通过串口的形式进行存储卡的号码读取，并在触摸屏上将号码信息进行显示。PLC会将读取的号码信息进行自动识别和判断，并在需要启动的传感器两侧进行拍照，实时显示图像的事物信息，随后VS722会立即进行拍照并完成字符的识别。同时，为了实现号码的准确识别，可以进行软件的编程，创建PRODUCT，将编辑好的程序上传至VS722中。

3.3.3 错装漏装

发动机的外观检查，由PLC、VS722、ELS以及RFID组成，当发动机的工件进入指定的工位后，定位抬起，开始拍照。传感器会对比并检查部件信息，当发现工件与图像信息不符后会发出警报，并在WINCC画面上进行不合格图像的公示。利用VS722进行拍摄的图像，会将整个图像画面都集成在一个软件中，如果有不合格，会自动获取不合格的画面信息，然后工作人员会根据弹出的不合格信息进行最终画面的确认。如果是发动机的零部件出现错装或者漏装的情况，利用SPECTATION所提供的软传感器信息，如特征值、边沿计数、模板匹配等，分别对不同的部位进行检查，然后根据获取的图像特征选择合适的软传感器完成最后的检测。

在整个项目的检查过程中可以发现，要想让机器视觉系统发挥出最佳效果，不仅要具备合适的光源和合理的机械结构，还需要对视觉传感器进行编程。在没有将VS722应用在发动机生产线之前，所有的部件检测都是通过人工肉眼的方式进行检查，不仅工作量巨大，且内容单一，非常容易出现人为错漏的情况发生，一旦发现错漏，出现质量问题，将会对企业、用户都带来不良的负面影响。因此，采用机器视觉系统替代人工肉眼检查，不仅大大的提高了工作效率，更保证了发动机生产的质量，所获取的经济效益和社会效益都非常巨大。

4  结束语

人们使用机器视觉系统主要的目的就是为了提高生产质量，让生产线可以达到自动化生产的程度，降低人工作业的危险系数，以获得人眼无法达到的工作需求。在大批量的工业生产过程中，人工视觉检查产品质量获得的精准率较低，使用机器视觉检测技术进行质量检测，可以大大提高生产效率。

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