视觉系统在发动机涂胶的应用

张振 郑芳 李凯 刘子涵

[摘    要]随着工业自动化进程的加快，密封胶的涂装检测系统成为发动机装配过程的重要组成部分。发动机作为工业化最重要的核心部件，其缸体涂胶好坏与否就对发动机整体质量造成直接影响。基于此，利用机器视觉系统来检测发动机涂胶工作，就能从根本上加强发动机涂胶的工作质量和效率，让涂胶工作更加高速稳定。文章主要探析视觉系统在发动机涂胶的应用，以期让视觉系统更加完善，给发动机涂胶工作的开展提供助益。

[关键词]视觉系统;发动机涂胶;工艺安全;图像处理

[中图分类号]U466 [文献标志码]A [文章编号]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，我國大多制造企业在发动机组件安装过程中，还主要将人工操作当成主要操作主体，这就导致发动机涂胶工作环节中存在一定问题，主要表现为涂胶不均匀、涂胶位置精准度不够、涂胶工作效率偏低等方面。这些问题的存在，在一定程度上会破坏发动机完整性和安全性，轻者导致发动机在使用过程中出现油体泄漏，重则造成发动机损坏，对驾驶者的生命财产安全造成损害。因此，视觉系统在发动机涂胶工作中的应用，就对发动机制造有着至关重要的现实

意义。

1 视觉系统的概述

从宏观角度上来看，图像处理是基于图像处理技术的一门机械或学科图像处理系统，测量和控制设备以及基于图像处理的设备，都属于视觉系统这一大分类。而从微观角度理解，机器视觉系统是指基于视觉识别的工业设备，和工具的测量控制设备。机器视觉系统的研发和推广应用，能够有效加强产品质量监控工作，提高应用企业的自动化水平，尤其是在恶劣或不可见的环境中，有必要用机器视觉代替人眼。许多现代工厂需要更高产能，而传统靠人工控制的产品质量识别不仅效率低、精度低，还需要较大的人力投入。但视觉系统可以通过图像处理来解决这一问题。此外，图像处理还可以实现信息收集、存储和传输，采集的图像数据，通过光学设备和非接触式传感器自动记录和处理，视觉系统不但是真实物体的图像处理设备，更是一种接收图像分析需求信息或控制运动的重要设备。

2 视觉系统的优点

视觉系统的完整性，必须拥有良好的视觉处理系统，这就要求在构建此系统时，要按照工厂实际所需情况进行设计，保证其能够满足应用效果。视觉系统在发动机企业中的应用，主要是为了让企业实现现代化、智能化和自动化。在对完整的视觉系统开展详细分析以后发现，其主要包含以下几项优点。

2.1 精准度高

机器设备与人眼相比较存在的优势可谓天差地别，传统的发动机涂胶需要人眼利用放大镜或靠工人自身经验去检测，而利用机器视觉系统能够发现微小瑕疵，其可利用效率能够达到人眼的几十倍甚至百倍。

2.2 检测效率高

机器视觉识别的速度是无与伦比的，尤其是在高速检测生产中测量物体时，机器视觉极大提高了操作者的工作效率。

2.3 测量更加全面

机器视觉系统在检测过程中不会损坏车身，尤其是敏感部位，从而提高了整个检测的可靠性。它的范围很广，特殊的光学设备可以检测宽的波长范围，控制人眼无法看到的波长范围，以及它扩大了人眼可见的空间。

2.4 测量结果更加客观

人工检测最重要的一项缺点，就是检测结果会依靠检测人员的主观性发生变化，这就导致工作标准不规范，机器视觉系统则不存在这一缺点，其会按照制定的标准数据对部件进行检测，其检测结果只有合格与否，更加客观与可靠。

3 视觉系统的设计开发与应用

涂胶质量检测主要由视觉系统硬件和在线检测系统软件组成。视觉系统通过在线质量检测软件实时采集和处理标定物或胶黏线图像加工分析，创建胶黏剂质量标准数据库，完成在线质量检测分析，并将结果保存到本地数据库。

3.1 涂胶检测模块的设计开发与应用

视觉系统必须选择高像素、高质量的工业数码相机，同时配备镜头、灯具等，另外还要配备满足传输速度要求的网卡，以及满足处理速度要求的工控机等。

（1）设计了图像采集模块的程序，确定待分析对象的属性。然后，图像处理流程设计调用并更改Visual Basic中的包库文件，用程序功能实现所需功能，如添加显示功能和对比效果，网络参数可以在VB中直接控制，也可以在Visionpro中设置和控制，完成整个系统的功能。

（2）利用Visionpro软件中的图像采集模块，可以实现橡胶圆筒线样品的图像采集。系统需要连续、快速、简单、可靠地获取被测发动机缸体的图像。通过VB直接调用Visionpro软件的图像采集模块库文件。

（3）与PLC进行通信，获取摄像机的触发信号并实时传输，发送信号结果。考虑到OPC过程在1s内完成，通信方法PLC向PC机发送脉冲触发信号，用VB进行网络通信来使Visionpro启动摄像头模块并开始捕获数据。测试完成后，结果将直接通过网络将数据库块写入PLC当中，利用VB本地存储网络工具中的图像数据在电脑内完成检测。

在视觉系统硬件设备方面，选择合适的光源和照明方式。软件方面则利用图像预处理通过图像形态学中的狭缝算法，滤除影响检测的像素杂质。采用平面棋盘法和等比例题法，提出了一种解决镜头透视图像畸变的算法，让测试结果准确性更高，满足发动机涂胶生产工艺要求。

3.2 涂胶图像处理模块设计开发与应用

照相机拍摄的照片必须转换成计算机能够处理格式。转化的过程中，相机拍摄的图像不可避免地会出现一定的失真和变形。所以，有必要让图像处理软件通过一系列的图像处理步骤，如增强、识别、特征提取、等方面。获得对比度良好的清晰特征图像后，再对其进一步分析。图像处理和检测一般包括：目标、传感器、捕获、分析和检测。涂胶图像处理模块设计与开发，首先对发动机涂胶进行图像提取;其次，在Visionpro视觉系统中通过合理进行处理之后提取到的相关图像;再次，通过vb来使用Visionpro视觉系统中的数据检测，同时利用PLC控制整个视觉检测系统进。最后，统计整理出检测完成后的数据报表，明确标记所检测发动机涂胶是否符合制定标准。

3.3 视觉系统中相机的设计与应用

图像处理系统是视觉系统的重要组成部分。摄像机的畸变将摄像机的像素值转换为实际毫米级，这使得涂胶的检测数据准确。相机标定是实际在选择摄像机和其他设备的基础上，去除摄像机的内外部参数。基于摄像机与发动机涂胶关系的图像处理系统，零件参数标定适用于大多数图像处理系统，尤其是精密测量，相机应用图像处理系统的标定是非常必要和重要的。

本项目的目的是测量发动机表面的胶合线。如果考虑胶层厚度的影响，需要使用三维目标，这也使测量过程中計算过多。在测量过程中，不用对景深进行考虑，这样使测量结果更加准确。所以，涂胶的胶水线可以看作是校准目标层的二维图像，这极大减少了计算量，其对准确性的影响可以忽略。

最大视野的镜头畸变也可能很大。基于此，选择了一种平面标靶目标的摄像机模型及标定方法。一方面，它位于黑白棋盘之间，距离是固定的，因此很容易找到正确的点（即黑白交叉点）;另一方面，Visionpro中的程序有黑白棋盘视觉模块，便于开发和使用。

如果相机镜头畸变较大，忽略畸变的影响可以得到相机的内外参数。如果使用较大的线性误差参数校准相机的畸变系数，则误差较大。将这些误差引入变形系数，增加了计算量，降低了计算效率。如果修正辐射线径向畸变校正可以与其他线性校正参数分离。应该先消除被测物体图像的非线性畸变，然后根据畸变图像对摄像机进行标定，这样计算相对较小且有效。

3.4 涂胶图片的预处理开发与应用

在消除相机获取图片时的相机畸变后，因为原始图像噪声较多，所以信噪就会偏低。在视觉系统中测试发动机缸体的涂胶面，在磨削过程中，胶面会产生一定的摩擦痕迹，发动机表面的清洁和抛光是一个非常完整的过程。清洗液残留等因素导致了背景图像的复杂性。此外，由实际摄像机记录的橡胶圆筒线的原始图像质量不高。在边缘检测过程中，需要对涂胶胶黏线的原始图像进行预处理。图像预处理不仅可以提高原始图像的视觉效果，而且可以提高边缘检测的准确性，高识别率提高了图像中光线的有效性。视觉识别是图像识别的良好基础，如果一张照片不能正常工作，它就不能准确地确定每张照片的具体内容。

（1）在Visionpro软件上，从单个磁带中提取轮廓。从相机镜头可以看到发动机缸体的整个表面，获取到的图像格式为2 592×1 944像素，但并非图像的每个部分都包含检测测量有用的信息。大部分图像是500万像素高的图像，带有大量有用信息的涂胶粘合线信息，很容易被其他无关信息淹没。因此，无论是处理加速度还是为了促进图像处理的发展，图像中的有用信息量尽可能小，但精度较低没有必要这样做。为了使信息尽可能小和准确，使用软件选择框选择并使用有关图像涂胶的有用信息，而更多图片信息不在考虑范围内。

（2）将原始涂胶圆柱橡胶线图像分解为不同频段的信号，得到橡胶线的高频信号。详细信息（即缸体和橡胶线之间的边界）和低频信号是图像的基本信息，考虑到图像的大部分能量集中在低频和中频振幅谱中，图像的边缘和噪声对应于高频部分。因此，能够降低高频分量振幅的滤波器，也可以有效降低噪声。

（3）如果光源的亮度恒定，则图像传感器的表面灵敏度会随着相机曝光时间的增加而增加。获得的光通量增加了图像的亮度，对比度将在一定范围内增加。但如果暴露如果照明时间过长，图像的亮度会增加，对比度会降低，给后续的图像处理带来不便。同时，由于摄像头随粘合剂机器人移动，粘合剂质量标准信息库在在线质量检测中，长曝光时间会延长图像采集时间，导致图像采集时间的误差。相机位置的不确定性将直接影响神经网络的预测精度。根据曝光时间的实验结果，线胶对图像处理的影响比相机曝光时间更敏感。

因此，曝光时间只能在小范围内设置。为了获得更高质量的照片良好的图像处理效果，有必要对照明系统的设置进行实验。基于图像处理的光源确定相机的曝光时间后，采集图像的亮度将随着光源系统亮度的增加而增加。图像对比度也会在一定范围内增加，曝光时间与实验结果相同如果照明系统过高，图像对比度则会降低。

3.5 视觉系统在发动机涂胶中的应用验证

设计并搭建了基于图像处理的发动机涂胶视觉检测系统，该系统是整个系统的基础。只有通过测试才能知道视觉系统是否满足发动机涂胶检测的基本要求。总体必要性测试主要包含以下方面。

（1）视觉系统测试发动机涂胶的检测时间。

（2）检测发动机涂胶稳定性是否符合要求。

（3）视觉系统测试发动机涂胶数据的准确性。

整个光学检测系统需要的时间小于1s。使用一般类型的工业工程来测试尺寸检测系统时间，首先，选择500片自动涂胶测试样品，计时器用于确定测试系统需要测试总时间约为22 min，机械机构需要83 s来移动和固定缸体。因此，视觉系统在对发动机涂胶进行检测的时间约为0.6 s。通过应用实践结果可知，视觉系统能够达到对发动机涂胶检测的相关要求，但由于关于其系统性研究较少，其仍然拥有更大的發展前景。

4 结束语

与光学和光电传感器相比，视觉系统处理更加方便。自动化系统更加多样化、灵活和可重构性较强，如果生产过程需要改变系统，只需调整软件参数，无需更换硬件，生产设施更新后图像处理系统可以重复使用。现阶段，视觉系统检测已经逐渐取代了手工操作，很大程度上加强了企业实现生产自动化和规范化。

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