關于沖壓預裝零件視覺檢測裝置的研究與應用

文/劉大永，閆媛芳，張濤·石家莊中博汽車有限公司

檢測技術作為保證產品質量的關鍵手段，一直是現代工業中一道重要的工序。在沖壓預裝零件檢測中，通常需要對零件的型號、各預裝后零件的有無和預裝零件粘貼的位置進行檢測，而目前在發達國家企業中，沖壓預裝類的零件檢測技術相當成熟，具體已發展到對沖壓預裝零件的外觀、尺寸、結構變化等方面進行精準檢測。隨著我國沖壓行業的穩步發展，對沖壓件視覺檢測技術的應用也應得到進一步的發展。

沖壓預裝零件視覺檢測技術概述

現代工業制造的產品精度要求都非常高，用人眼無法快速進行連續穩定的檢測。在線、實時、非接觸是現代制造業所提倡和推行的檢測理念，旨在幫助企業實施全面控制，提高產品合格率和生產效率。傳統人工檢測不僅不能保證檢測的速度和質量，還增加了企業管理成本和人工成本，因此在這種環境下催生了新興的檢測技術，即視覺檢測技術。視覺檢測就是用機器人代替人眼來做測量和判斷，在工廠的生產、包裝和裝配等環節有很大的實用價值。

近幾年來，視覺檢測技術已經逐步向高端邁進，并廣泛應用于空調沖壓預裝零件的制造生產中。沖壓預裝零件過程中零件生產頻率快、預裝數量多、人員需求大，產品質量控制不足既會對生產造成大量報廢，也會因產品質量不符合要求，造成對空調整機裝配及其性能的影響。對沖壓預裝零件視覺檢測裝置的研究與應用，不僅更加完善了這一領域，并保證了檢測精度高，提高了生產效率，減少了檢測成本，積極地推動了電子技術在沖壓制造業中的發展。

沖壓預裝零件檢測技術主要對零件的型號、外觀和結構進行檢測，具有速度快、處理信息量大、精度要求高等優點，其主要工作原理是利用光學技術和圖像攝取裝置，將零件轉換成圖像信號，再由圖像處理系統根據圖像的亮度、顏色、像素分布等信息轉換成數字信號，通過數字系統對零件尺寸、位置和顏色等部位進行高速計算分析（圖1），判斷輸送帶上預裝的零件是否存在用錯或者預裝錯誤的情況，辨別出不合格的零件，并傳出異常警報。基于視覺的沖壓預裝零件的檢測技術涉及了多個學科，有電氣技術、人機接口技術、光學成像技術、數字圖像處理技術、計算機軟件硬件技術等，這些技術的相互協作才可以構成一個完善的沖壓預裝零件檢測系統。

沖壓預裝零件視覺檢測系統的總體方案設計

圖1 數據收集測算

沖壓預裝零件視覺檢測系統的總體方案設計應滿足下列要求：⑴自由更改參數，根據不同型號的零件選擇適合的參數；⑵速度要求，檢測速度必須與生產線體速度一致，或快于生產速度；⑶I/O擴展要求，可通過擴展I/O，檢測不同傳感信號；⑷統計數據和記錄的要求；⑸必須具有圖像分割計算能力。

提供總體結構設計

總體結構設計必須包含中心處理單元、圖像處理器檢測單元和基于PLC的現場控制單元。在此基礎上又可細分為成像單元、圖像處理與采集單元、監控管理單元三個部分，這三部分主要構成有CCD圖像傳感器、可重構圖像處理器、LED光源、光電控制單元和機械定位裝置等，總體結構設計如圖2所示。

三個部分各自的作用分別是：成像單元使用LED光源、光電感應開關和CCD圖像傳感器等設備采集現場圖像，轉換為數字信號。圖像處理與采集單元采集原始圖像并進行一定的預處理，然后預處理單元對數據進行運算，得出運算結果，將結果上傳至監控管理單元。監控管理單元主要由PLC、操作面板、工控機構組成，該單元起到設定參數、計算結果、分析統計的作用，并完成對現場設備的控制。

成像系統設計

成像的質量直接影響了檢測工作的成效，影響零件狀態判斷的準確與否，圖像有灰度、存在光源不足等問題，同樣影響檢測系統的有效性。利用CCD圖像傳感器攝像機通過調整焦距選取最佳拍攝狀態，或者通過光源控制器調整現場燈光亮度情況以滿足現場亮度要求，攝取現場透射或反射的圖像信息可有效避免以上問題，并檢測零件的整體結構、尺寸、顏色和預裝零件位置。

圖2 總體結構

成像系統的工作方式為：采用條形LED光源（圖3），安裝至沖壓預裝零件上部，保證零件能夠處于光源照射范圍內，通過零件圖像的數據采集與存儲樣件進行對比，對所使用零件的結構、尺寸、顏色和預裝零件位置與設置好的樣件進行對比，完成零件的視覺檢測。

圖3 LED光源

視覺檢測技術在空調零件生產過程中的應用

格力電器（石家莊）有限公司沖壓車間在零件生產過程中，根據班組零件生產模式和零件特殊結構及存在的質量控制難點，開展了視覺檢測技術的廣泛應用，主要集中在沖壓組件和沖壓預裝組件等生產繁瑣、復雜的零件上。

沖壓組件視覺檢測的應用

空調外機零件如圖4所示，紅色區域處組件為空調底盤，它是空調整機組成部分中關鍵零件之一，在整機裝配及售后安裝中發揮重要性作用，該組件由一個底盤、兩個基腳、兩個擋塊、三個螺栓組成，是結構較為復雜的焊接件，如圖5所示。由于該組件涉及工序較多，使用人員較多，產品質量控制難度較大，在生產過程中難免出現質量問題，如漏工序、焊接不良等，一旦不良品流出廠外，將給整機裝配和售后安裝帶來重大的安全隱患，因此零件在生產完畢后傳遞到下道工序之前，必須嚴格控制底盤組件的質量。

圖4 空調外機零件分解圖

圖5 底盤組件示意圖

視覺檢測技術具有檢測速度快、精度高、柔性好、非接觸式等優點，為了解決沖壓底盤組件漏工序、漏基腳、漏擋塊、漏螺栓的質量異常，制定了利用視覺檢測技術在線完成底盤零件的檢測方案。在生產過程中，由于底盤零件是懸掛在傳送鏈上不斷移動的，對處于運動中的零件難以實現在線檢測，為此進行了深入研究，建立了針對底盤在移動中進行檢測的方案，在檢測方案設計上，根據底盤零件的吊掛方式（一個掛具上吊四個底盤組件），采用了三套CCD攝像機、一套圖像處理系統和穩定零件的導向工裝（解決底盤晃動異常），如圖6所示，來檢測底盤組件是否存在漏工序的質量缺陷，通過攝像判斷底盤組件中的基腳和擋塊是否存在，螺栓有無則通過安裝孔相對位置與理想位置進行判斷，系統對圖像進行了去背景、降噪、邊緣加強等一系列的預處理，再通過計算對邊緣圖像進行提取，并與實物進行比對，完成了底盤組件的對比檢測，如圖7所示。

圖6 穩定工裝

圖7 檢測方案

沖壓預裝組件視覺檢測的應用

沖壓預裝生產的右側板組件零件如圖8所示，側板零件屬于空調整機的骨架零件，零件整體結構由1個右側板零件、2片右側板襯墊海綿、1片大海綿、1片標識組成，右側板零件在空調整機中主要起骨架及隔音降噪作用，產品下掛零件較多，人員投入較多，生產過程波動性較大，質量控制難度較大，零件生產過程中主要存在漏工序的異常，此零件產品質量及功能較為重要，因此在本工序生產完畢以后，必須保證產品符合質量要求，才可傳遞至下道工序使用。

圖8 預裝零件示意圖

該零件的質量控制模式是通過人工進行定期抽檢，防止大批量零件貼錯、貼歪、漏貼等異常發生，但由于人員操作的不穩定性，仍不能杜絕部分零件出現質量異常，經過現場調查研究，決定采用基于PC機的視覺系統及視覺檢測傳感器方案來完成對預裝零件的檢測，該檢測方案具有抓拍速度快、處理信息量大、檢測精度高等特點，在設計上除了完成視覺檢測傳感器的機械裝置部分外，還需根據該系統的要求設計專用的LED光源照明方案，來滿足其視覺傳感器對零件周邊環境的抓拍要求，快速實時對生產線上零件進行抓拍，并與系統存儲的圖像進行對比，完成零件檢測。如零件檢測合格，顯示屏處顯示“OK”綠色界面，如零件不合格則顯示“NG”紅色界面，并傳輸相應的報警信號，人工剔除不良品，實現了零件在線實時檢測，滿足了產品的質量要求，保證產品合格率。

結束語

公司通過LED光源、CCD攝像機和圖像采集系統等完成對零件的圖像采集，在Windows Embedded Standard軟件程序編輯的基礎上，將采集的圖像與標準模板進行多次匹配，實現對目標圖像的定位，完成對圖像的處理；利用圖像分割算法計算待檢測圖像各區域的結構百分比，比較是否符合要求，實現對沖壓零件預裝質量的檢測，保證了產品質量。對沖壓預裝零件視覺檢測裝置的研究及應用，解決了傳統人工檢測方法精度低、效率低、檢測成本高、受外界環境因素影響大等不足，實現了非接觸性、可視化、智能化的檢測。