基于工業(yè)視覺的汽車鈑金件柔性檢測系統設計

王富春，張栩濤，梁 云

（柳州職業(yè)技術學院 機電工程學院，廣西 柳州 545006）

鈑金件在汽車行業(yè)中大量使用，鈑金件的質量問題是至關重要的，目前汽車行業(yè)一般使用三坐標測量儀或專用的工裝及檢具進行鈑金件質量檢測。三坐標測量儀存在測量設備龐大、檢測效率低等缺點；專用的質量檢測工裝及檢具存在設計、制造周期長，成本高，柔性差，易受人為因素影響等缺點[1]。傳統的檢測方法無法適應目前汽車行業(yè)車型變化快及客戶個性化配置等需求[2]。汽車鈑金件檢測自動化是目前國內外汽車行業(yè)迫切需要解決的難題。視覺技術有無接觸、無損傷、柔性強和速度快等優(yōu)點[3]，是實現汽車鈑金件檢測自動化的一種有效方法。安紫明[4]利用機器視覺實現了鋼質缺陷檢測及分類。魯鑫[5]設計了一款基于機器視覺的煙條外包裝檢測系統，該系統可以自動檢測煙條的包裝缺陷并根據缺陷進行剔除處理。于宏全等[6]提出了一種基于深度學習的鑄件缺陷檢測方法，實現了多種鑄件的自動化檢測。視覺檢測技術在自動化檢測的理論研究和工業(yè)應用中得到了廣泛應用，但是視覺檢測技術存在受現場環(huán)境光照變化影響的缺點[7]。環(huán)境光的變化會造成檢測精度不穩(wěn)定，限制了工業(yè)視覺在鈑金件質量檢測的應用。

本文設計了一套基于工業(yè)視覺的汽車鈑金件柔性檢測系統，該系統具有模塊化設計、柔性化程度高、檢測效率高和檢測精度自適應穩(wěn)定等特點。該系統可以自適應不同的環(huán)境光，可以檢測多種環(huán)境下不同的鈑金件精度，該系統具有柔性化程度高、環(huán)境適應性好、檢測精度高、不受人為因素影響、檢測效率高、無需開發(fā)與零件配套的專用檢具和檢測數據可以實時統計及分析等優(yōu)點，能有效解決傳統三坐標測量儀鈑金件質量檢測的設備龐大，檢測效率低等缺點及傳統專用鈑金件檢測工裝及檢具的設計、制造周期長，成本高，柔性差，易受人為因素影響等缺點。

1 系統的構成及工作過程

該汽車鈑金件柔性檢測系統由工業(yè)機器人、工業(yè)相機、光源、變位機、夾具、定位工裝、控制器和觸摸屏等主要部件組成，如圖1所示。

圖1 設備結構示意圖

具有快換功能的夾具安裝在可調變位機上，鈑金件通過夾具實現定位。工業(yè)相機安裝在工業(yè)機器人上，通過工業(yè)機器人帶動工業(yè)相機到檢測件的不同檢測區(qū)域進行圖像采集，可調變位機配合機器人運動使得工業(yè)相機在不同的角度采集圖形。檢測工作開始時，工業(yè)機器人帶動工業(yè)相機移動到標定塊的位置上方進行拍攝采集數據，檢測控制系統在運行時會顯示工業(yè)相機拍攝標定塊所采集到的數據。同時檢測控制系統通過采集到的標定塊實際像素值與標定塊標準環(huán)境光像素值X進行對比，得出像素值偏差P，經過算法計算并調整可調節(jié)光源的亮暗程度對實際環(huán)境光進行補償，直到工業(yè)相機所拍攝標定塊的數據符合設定的數據范圍，補償后實際工況與標準環(huán)境光工況一致，再對工件進行拍攝采集數據。由控制器處理圖像數據后將相應數據傳送到PLC處理。觸摸屏實時顯示當前檢測數據與結果。工件的檢測數據會在檢測控制系統中顯示，并在檢測控制系統內部進行數據對比，若數據在合格范圍內，則工件合格；若數據不在合格范圍內，工件將定義為不合格。檢測過程中，該裝備實時記錄每個工件檢測數據并分析檢測結果，輸出分析報告。

2 視覺檢測系統設計

2.1 機器人視覺檢測

工業(yè)機器人具有重復定位精度高和效率高等特點，為了提高本系統的工作效率，本系統采用一臺工業(yè)機器人通過連接軸裝載一臺工業(yè)攝像機給鈑金件進行檢測，如圖2所示。本設計采用工業(yè)機器人通過連接軸驅動工業(yè)智能攝像機代替鈑金件人工檢測，解決了鈑金件人工檢測效率低、速度慢的缺陷。

圖2 工業(yè)機器人及攝像機

2.2 可調變位機及夾具

為了提高鈑金檢測效率及準確性，本系統采用可調變位機及快速更換夾具設計，具有快換功能的夾具安裝在可調變位機上，鈑金件通過夾具實現定位，可調變位機以合適的角度配合機器人運動，使工業(yè)相機實現在多個角度采集圖形，提高了圖像采集的質量。具有快換功能的夾具實現了不同鈑金件的快速裝夾定位。如圖3所示。

圖3 可調變位機及快換夾具

2.3 控制系統

檢測裝置的控制系統采用網絡集成式設計，該控制系統分為：①流水線及鈑金件上料控制模塊；②鈑金件檢測控制模塊；③PLC及觸摸屏、上位機控制系統模塊；④服務器控制系統模塊。每個模塊相互獨立又相互作用，如圖4所示。對比傳統采用單一PLC或者單片機的控制系統，本系統具有模塊化設計、各子系統分工明確、系統的維護，故障的排除檢修和升級更加便利等優(yōu)點。

圖4 控制系統

2.4 檢測精度自適應穩(wěn)定系統

針對視覺檢測精度受現場環(huán)境光照變化影響較大的缺點，本系統設計了檢測精度自適應穩(wěn)定系統，檢測精度自適應穩(wěn)定系統由可調節(jié)光源、工業(yè)相機及配套光源、工業(yè)機器人、標定塊及檢測精度自適應穩(wěn)定控制器組成，如圖5所示。

圖5 檢測精度自適應穩(wěn)定系統

本系統具有一定數量的精度高于10μm的標定塊，標定塊布置于被檢件的周邊。在標準環(huán)境光的工況下，本裝備通過工業(yè)相機拍照采集多組標定塊的像素值，以該數值作為標準環(huán)境光像素值X。本系統在檢測鈑金件之前，通過采集多組標定塊的實際像素數值與標準環(huán)境光像素值X進行對比，從而判斷當前被檢件的環(huán)境光是否發(fā)生變化。本系統通過采集的多組標定塊實際像素值與標定塊標準環(huán)境光像素值X進行對比，得出像素值偏差P，通過算法計算并調整可調光源的亮度對環(huán)境光進行補償，補償后實際工況與標準環(huán)境光工況一致，從而達到提高檢測精度與質量的作用，如圖6所示。

圖6 檢測精度自適應穩(wěn)定系統閉環(huán)控制流程圖

3 結論

針對目前汽車行業(yè)傳統三坐標測量儀鈑金件質量檢測的設備龐大，檢測效率低等缺點及傳統專用鈑金件檢測工裝及檢具的設計、制造周期長、成本高、柔性差和易受人為因素影響等缺點。本文設計了一套基于工業(yè)視覺的汽車鈑金件柔性檢測系統，該系統具有模塊化設計、柔性化程度高和檢測效率高等特點。通過檢測精度自適應穩(wěn)定系統，有效解決了環(huán)境光變化對檢測精度的影響。在汽車產業(yè)升級的背景下，該系統具有較高的實用價值及推廣意義。