沖壓中工業(yè)視覺系統(tǒng)的應(yīng)用范文

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摘要：簡單說明了工業(yè)視覺在沖壓行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例，工業(yè)視覺對沖壓工藝質(zhì)量的提升，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化。主要分析了工業(yè)視覺相機(jī)的成像原理，相機(jī)成像后對圖像判定的算法分析，最后簡單的介紹了工業(yè)視覺編寫程序的思路。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；信息處理；視覺分析；CCD；CMOS

引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車需求量不斷增加，沖壓車間生產(chǎn)任務(wù)隨之加重。其中，沖壓車間生產(chǎn)時(shí)有噪音大、油污重，鈑金件易劃傷、皮帶機(jī)易卷入及壓機(jī)設(shè)備等傷人風(fēng)險(xiǎn)，沖壓生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣。而工業(yè)視覺系統(tǒng)作為一種沖壓零件自動(dòng)化檢測手段，用于代替人工批量檢測工作，可降低檢測作業(yè)人安全風(fēng)險(xiǎn)，并提升零件檢測效率及檢測質(zhì)量。工業(yè)視覺系統(tǒng)在沖壓中的應(yīng)用具有重要的工程意義。

1視覺成像原理

1.1相機(jī)分類

根據(jù)相機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，工業(yè)視覺相機(jī)可分為CCD和CMOS兩種。CCD：ChargeCoupledDevice（電荷耦合器件）。CCD為電荷耦合器，是一種將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的半導(dǎo)體部件。它的長和寬均為10mm左右，由數(shù)百萬個(gè)排列成網(wǎng)格狀小像素組成。相機(jī)拍照時(shí)，從目標(biāo)處反射光線穿過透鏡，在CCD上組成圖像。根據(jù)光電效應(yīng)原理，當(dāng)CCD上的像素接收光線時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生與光強(qiáng)度相對應(yīng)的電荷。該電荷被轉(zhuǎn)換為電子信號，以獲取各個(gè)像素接受的光強(qiáng)度。若是將數(shù)十萬甚至數(shù)百萬個(gè)傳感器集合，就能形成圖像運(yùn)用于各種不同的環(huán)境中。CMOS：ComplementaryMetalOxideSemiconductor（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）。CCD和CMOS在制造結(jié)構(gòu)與原理上大致相同，主要區(qū)別是CCD是集成在半導(dǎo)體單晶體上，而CMOS是集成在金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，CCD相機(jī)內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移方式為單個(gè)感光元件依次經(jīng)由垂直和水平寄存器整合后輸出給信號放大器。而CMOS相機(jī)則是單個(gè)感光元件直接放大輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。CCD相機(jī)與CMOS相機(jī)有以下不同之處：（1）CCD相機(jī)靈敏度要高于CMOS相機(jī)；（2）CCD相機(jī)的成本會(huì)高于CMOS相機(jī)；（3）CCD相機(jī)的分辨率會(huì)優(yōu)于CMOS相機(jī)；（4）CCD相機(jī)的噪聲影響優(yōu)于CMOS相機(jī)；（5）CCD相機(jī)的功耗高于CMOS相機(jī)。因沖壓生產(chǎn)中需要工業(yè)相機(jī)具有高精度、高靈敏度、高分辨率及高穩(wěn)定性，故CCD相機(jī)在沖壓有著大量應(yīng)用。

1.2相機(jī)黑白成像原理

沖壓零件或板料受到光線反射至相機(jī)鏡頭后產(chǎn)生對應(yīng)的電流，電流大小與光強(qiáng)對應(yīng)，感光元件（像素）直接輸出模擬信號。在CCD傳感器中，感光元件都不對此作信號處理，而是將模擬信號直接輸出到垂直寄存器，經(jīng)垂直寄存器整合后的信號再同一輸出至水平寄存器，最后才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號強(qiáng)度很弱，在經(jīng)過寄存器時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓損耗，無法進(jìn)行后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，因此必須進(jìn)行信號放大處理，于是再增加一個(gè)信號放大器，經(jīng)放大器處理之后，每個(gè)像素點(diǎn)的電信號強(qiáng)度都獲得同樣幅度的增大；因各像素信號通過同一個(gè)放大器進(jìn)行放大，所以產(chǎn)生的噪點(diǎn)較少，圖像質(zhì)量較高。但由于CCD本身無法將模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，還需一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行信號處理，光線越亮，電流的數(shù)值就越大；光線越暗，電流的數(shù)值越小。最亮的白光（255），數(shù)值是十六進(jìn)制的FF，最暗的光線（沒有光），數(shù)值是十六進(jìn)制的00。最終以二進(jìn)制形式數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專門的數(shù)字信號處理器（DSP），經(jīng)過處理后分析得出我們所需的圖片；因未對圖像進(jìn)行顏色的分析和處理，所以相機(jī)成像為黑白圖像。

1.3相機(jī)彩色成像原理

視覺系統(tǒng)中使用的彩色照相機(jī)通常是包含單個(gè)CCD的單芯片照相機(jī)。由于獲取彩色圖像需要關(guān)于三原色（紅、綠、藍(lán)，即R、G和B）的信息，因此CCD的每個(gè)像素都裝有R、G或B色濾鏡（也稱拜耳濾光器）。每個(gè)像素以256級R、G或B將強(qiáng)度信息發(fā)送給控制器。顏色系統(tǒng)以數(shù)字形式描述顏色。它通常表示成有三個(gè)軸的3D空間。使用“色調(diào)”（Hue）、“飽和度”（Saturation）、“亮度”（Brightness）的HSB顏色系統(tǒng)與人的眼睛最接近，最適合用于圖像處理。

2沖壓視覺系統(tǒng)的邏輯算法分析

2.1工業(yè)視覺在沖壓的應(yīng)用

2.1.1沖壓零件品質(zhì)檢測目前國內(nèi)汽車主機(jī)廠沖壓生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍普遍都在8-15SPM左右，部份伺服沖壓線節(jié)拍甚至達(dá)到更高的節(jié)拍。采用工業(yè)視覺技術(shù)在線檢測零件品質(zhì)，將會(huì)提高零件品質(zhì)率，降低人工成本，提高生產(chǎn)效率；目前此項(xiàng)目為各大配套廠商極力開發(fā)的重點(diǎn)。沖壓零件品質(zhì)過程檢測主要是以視覺系統(tǒng)，機(jī)器人，夾具三大部分構(gòu)成，功能是抽檢沖壓零件，檢測零件品質(zhì)變化趨勢，可以觀察出沖壓設(shè)備、工藝或模具質(zhì)量狀態(tài)變化趨勢，以便調(diào)整出合適的工藝文件。例如目前廣泛應(yīng)用于沖壓行業(yè)的藍(lán)光檢測系統(tǒng)。

2.1.2沖壓鍛造零件尺寸以及編號檢測應(yīng)用于沖壓或鍛造零件尺寸測量，檢測流水生產(chǎn)線上零件尺寸是否合格，編號是否正確，不合格零件將會(huì)由氣缸或抓手等裝置將其篩選出去。

2.1.3自動(dòng)化生產(chǎn)線零件定位及引導(dǎo)用于沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)器人拆、堆垛定位，目前已經(jīng)在沖壓生產(chǎn)線普及使用。

2.1.4沖壓無人車間方向的應(yīng)用在工業(yè)4.0時(shí)代，工業(yè)視覺系統(tǒng)將對實(shí)現(xiàn)無人車間有著不可或缺的作用。視覺相機(jī)在汽車沖壓運(yùn)用十分廣泛，但工業(yè)視覺成像原理以及核心算法卻是萬變不離其宗。

2.2算法分析

（1）邊緣檢測原理：邊緣是指在圖像中分隔明、暗區(qū)域的邊界。要檢測邊緣，就必須處理這種不同陰影間的邊界。邊緣可以通過以下幾個(gè)處理步驟獲得：a）執(zhí)行投影處理投影處理垂直掃描圖像以獲得每條投影線的平均強(qiáng)度。每條線的平均強(qiáng)度波形稱為投影波形。投影處理原理：投影處理用于獲得平均強(qiáng)度，減少由測量區(qū)域中因噪點(diǎn)所引起的失敗檢測。b）執(zhí)行微分處理陰影中的差異越明顯，獲得的偏差值越大。微分處理原理：差異處理可以消除因測量區(qū)域中絕對強(qiáng)度值變化而造成的影響。如果陰影中沒有變化，則絕對強(qiáng)度值是“0”。如果顏色從白色（255）變?yōu)楹谏?），則變化量是-255。c）最大偏差值必須始終是100%為保持實(shí)際生產(chǎn)情形中邊緣的穩(wěn)定性，會(huì)執(zhí)行內(nèi)部補(bǔ)償，以使最大偏差值始終保持在100%。然后，從差異波形中超過預(yù)設(shè)邊緣敏感度（%）的頂點(diǎn)確定邊緣位置。這種邊緣規(guī)范化方法可以確保始終能夠檢測到邊緣的頂點(diǎn)，從而穩(wěn)定了易受照明頻繁變化影響的圖像檢驗(yàn)。d）執(zhí)行亞像素處理針對最高差異波形的三個(gè)鄰近像素執(zhí)行插值計(jì)算。測量邊緣位置，精確到1/100像素（次像素處理）。（2）圖像二元化處理相機(jī)成像后，原始圖像因空氣中的塵埃，油霧以及光線干擾會(huì)變得不清晰，對相機(jī)的特征點(diǎn)判定造成干擾。故在設(shè)計(jì)程序時(shí)，可調(diào)用圖像二元化處理指令。將實(shí)際的拍照圖像增強(qiáng)對比度，將顏色“二元值”處理。

3沖壓視覺設(shè)計(jì)方案

以沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線系統(tǒng)中，調(diào)試視覺系統(tǒng)前，需要示教相機(jī)，對相機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)系標(biāo)定；原點(diǎn)定位；像素與長度換算；相機(jī)焦距調(diào)整等。相機(jī)觸發(fā)拍照后，相機(jī)成像為零件原始圖片。受到環(huán)境、燈光、震動(dòng)等各種因素的影響，成像圖片質(zhì)量會(huì)有所變化。需要調(diào)用相機(jī)內(nèi)置功能讓成像圖變得更加容易識(shí)別和判定。例如：灰度值優(yōu)化，預(yù)處理濾鏡，污點(diǎn)檢測原理等，顏色濃淡處理等。當(dāng)成像圖片經(jīng)過上述步驟優(yōu)化后，相機(jī)會(huì)基于示教的坐標(biāo)系進(jìn)行特征點(diǎn)、原點(diǎn)位置檢測，算出相應(yīng)坐標(biāo)值，設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值。后續(xù)所有同型號零件成像后的坐標(biāo)與之標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行位置比較（坐標(biāo)差值換算），此時(shí)可得出不同零件在傳送帶上的不同位置。將不同坐標(biāo)零件發(fā)送機(jī)器人后，機(jī)器人能夠快速精準(zhǔn)的識(shí)別并且抓取后裝框。在設(shè)計(jì)沖壓工業(yè)視覺系統(tǒng)時(shí)需考慮很多對系統(tǒng)造成影響的因素，需要設(shè)計(jì)者進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫵绦蚓帉懀噶钫{(diào)用；安裝過程中要做到每一顆螺絲都按照標(biāo)準(zhǔn)扭矩安裝，保證相機(jī)在沖壓相對惡劣的環(huán)境中不會(huì)受到影響，此外配備合適的光源系統(tǒng)對成像結(jié)果都會(huì)有很大的影響。一個(gè)高精度的視覺系統(tǒng)離不開每一步精密嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳌Ｏ嘈殴I(yè)視覺作為工業(yè)4.0時(shí)代的眼睛，能給我們的制造業(yè)、社會(huì)、人類的進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)，創(chuàng)造更多的奇跡。

參考文獻(xiàn)

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[3]王雪紅,羅勇新,王桂良.機(jī)器視覺系統(tǒng)在機(jī)械制造中的應(yīng)用[B].2008.

作者：郭焰軍 聶國成 張玉成 單位：東風(fēng)小康汽車有限公司