機器視覺在擰緊工藝中的應用

毛揚，劉俊，曹倩偉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司，重慶 401135）

1 背景

發動機離合器固定螺栓有6顆，且旋轉后在工件上的位置不固定，分布在一個同心圓周上，傳統的擰緊工藝是人工將離合器旋轉到固定的位置，再由設備進行擰緊，這樣會出現人工操作浪費，以及手動旋轉無法保證精度，造成合格率低等情況，采用視覺系統可以排除人為安裝的影響，提高設備柔性，提高生產效率。

2 工作過程

工業相機對離合器進行拍照，將照片轉換成圖像信號，傳輸給處理系統，圖像處理軟件根據事先設定的螺栓模板在一定的范圍內進行匹配，找到螺栓圓心坐標；根據離合器中一個圓弧面擬合出圓心坐標；圓心和螺母中心確定一條直線，再計算出與中軸線的夾角坐標，輸出角度給PLC，PLC根據此角度控制擰緊軸去對應位置對螺栓進行擰緊。

圖1

3 視覺系統硬件組成

光源、鏡頭、相機、圖像采集卡、圖像處理卡、圖像處理軟件、通訊單元。

（1）光源，機器視覺系統的重要組成部分。光源直接作用于特征對象，對于特征的準確識別起著非常重要的作用。在選擇光源的時候遵循突出被攝對象的特征，增加與周圍區域對比度的原則。

（2）鏡頭，起光學成像的作用。

（3）相機，機器視覺相機的目的是將通過鏡頭投影到傳感器的圖像傳送到能夠儲存、分析和（或者）顯示的機器設備上。

（4）圖像采集卡，完成信號的采集與格式轉換。可分為模擬(標準和非標準）/數字、單通道/多通道；主要參數為采集頻率（速度）、接口、Buffer大小、預處理功能、支持相機的種類、控制功能、I/O點數。

（5）圖像處理卡，完成圖像處理的各種運算，種類：DSP、FPGA、PowerPC。

4 視覺軟件處理過程

離合器螺栓共計6顆，分布在一個分度圓上（如圖2），工業相機運動到拍照位置對離合器進行拍照。如下為康耐視in-sight軟件處理過程：

圖2

4.1 圖像采集

圖3

如圖3，電子表格的A0單元格有函數“image”，即為相機圖像采集設置區域，同時可以設置不同曝光參數提高拍照合格率。

4.2 查找螺母

①確定工件圓心的特征區域，訓練特征，如紅色區域所示；

②使用 TrainPatMaxPattern函數訓練螺栓，確定模板（黃色區域），如圖4。

圖4

圖5

③設定查找螺栓區域，在該區域內匹配第②步中設定的模板螺栓，確定螺栓坐標；（藍色區域）。

4.3 查找工件圓心

圖6

在圖6紅色方框內，使用FindCurve函數，利用圓弧計算出工件圓心坐標。

4.4 工件圓心和螺母圓心擬合出一條直線

圖7

使用LineFromNPoints函數，根據螺母圓心和工件圓心擬合出一條直線，如圖7綠色線。

4.5 繪制標準線

圖8

如圖8，使用EditLine函數繪制一條橫向的中軸線（固定線），用于計算第四步中擬合線的角度。

4.6 角度計算

圖9

如圖9中，使用LineToLine函數，通過首次校準后得到的標準線和即時得到的工件圓心與螺釘圓心的連線計算他們的夾角就是我們所需要的工件偏轉角度。

4.7 結果及輸出

圖10

如圖10中，我們把得到的角度結果在簡單處理后，使用FormatOutputBuffer函數寫入緩沖區，通過“WriteResults”函數將結果傳輸到PLC，PLC根據收到的角度補償給伺服電機，伺服電機帶動擰緊軸到達螺栓位置實現精確擰緊。

5 PLC處理過程

視覺相機與PLC通過以太網實現通訊，采用PROFINET協議。PLC根據機型調用不用拍照程序，實現拍照，詳細過程見圖11流程圖。

圖11

6 優缺點

視覺系統廣泛應用于零件防錯、特征識別等方面，具有如下優點。精度高，視覺系統能夠對多部件進行測量。因為此種測量不需要接觸，所以對脆弱部件沒有磨損和危險。連續性，視覺系統可以連續工作，沒有疲勞。同時消除了人為造成的操作變化。成本效率高，隨著硬件成本的急劇下降，機器視覺系統成本效率也變得越來越高。另外，視覺系統的操作和維持費用非常低。靈活性，視覺系統能夠進行各種不同的測量。當應用變化以后，只需軟件做相應變化或者升級以適應新的需求即可，當生產線重組后，視覺系統往往可以重復使用。

7 結束語

為了降低人工成本和提高制造質量，制造業正快速向自動化、智能化升級，工業視覺系統能夠代替人的眼睛對零件進行識別，精準尋找出目標特征，為機構的動作提供依據，視覺也是實現零件錯漏裝防錯很好的工具，能極大提高了生產效率和自動化程度，是實現智慧工廠的可靠保障。