呂 堯, 劉業(yè)峰, 趙科學(xué), 雷翔鵬 ,孫福英

(1.沈陽工學(xué)院 遼寧省數(shù)控機床信息物理融合與智能制造重點實驗室,遼寧 撫順 113122；2.沈陽工學(xué)院 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

0 引言

伴隨工業(yè)4.0時代的到來，工業(yè)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，自動化加工以其高精度、高速度、高穩(wěn)定性，已成為工業(yè)生產(chǎn)中最重要的加工方式。輕質(zhì)合金輪轂作為汽車、電動車等交通工具的關(guān)鍵部分，因其傳統(tǒng)的加工方式，易受人為因素影響、效率低、穩(wěn)定性差，以難以滿足高速發(fā)展市場需求。輕質(zhì)合金輪轂的自動化加工勢在必行[1-2]。

在電動車輕質(zhì)合金輪轂加工過程中，因更換加工工序時，需要對工件進行翻及調(diào)整角度后，再重新裝卡，輪轂裝卡位置是否精確，便成為影響安裝孔與氣門孔銑削、鉆削的加工精度的重要因素，直接影響輪轂的氣密性及安裝精度。裝卡位置精確測定便成為電動車輕質(zhì)合金輪轂加工過程中的重要環(huán)節(jié)[3-4]。現(xiàn)行的電動車輕質(zhì)合金輪轂裝卡位置精度測定，主要應(yīng)用傳統(tǒng)人工接觸式的雙目測量法測定，這種方式生產(chǎn)效率低、定位精度差，易受人為因素影響，在檢測人員疲勞或精力不集中的情況下，容易造成嚴重誤判，已無法滿足智能化生產(chǎn)需求?；谟嬎銠C視覺的測量技術(shù)[5]，因其非接觸、高穩(wěn)定性、高速度、低成本等特點，能較好地滿足電動車輕質(zhì)合金輪轂的自動化加工裝卡位置精度測定需求。文獻[6]采用視覺檢測技術(shù)對采集到的圖像分別進行均值濾波和邊緣分割檢測，以提高檢測的精度以及檢測的快速性。文獻[7]采用視覺檢測技術(shù)，對采集到的圖像進行邊緣檢測和邊緣識別，利用最小二乘法與霍夫變換兩種直線識別方法提取圖像中夾角兩條邊的傾斜角，從而實現(xiàn)對工件的角度檢測。文獻[8]采用小波降噪的方法對相機采集到的圖像進行優(yōu)化, 再使用最大類間方差法，計算得出適用于降噪后圖片的最佳閾值來進行二值化處理，以提高檢測的視覺準確性。文獻[9]使用Canny邊緣檢測算子檢測邊緣特征，再使用改進后的隨機霍夫圓檢測算法檢測斷面輪廓，提高了視覺檢測算法的檢測精度與效率。文獻[10]采用機器視覺技術(shù)，使用單目相機對靶標實時成像，再通過二值化、輪廓提取等數(shù)字圖像處理技術(shù)對靶標進行定位與跟蹤，有效提高了測量效率和穩(wěn)定性，并實現(xiàn)了實時測量。

基于機器視覺的輪轂裝卡位置精確測定的關(guān)鍵技術(shù)與優(yōu)勢在于，通過用機器視覺系統(tǒng)，來代替人眼識別與工具測量輪轂位置精度。即將輪轂位置精度信息，通過機器視覺系統(tǒng)[11-16]對視覺圖像處理[17-18]，將圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，根據(jù)呈現(xiàn)的結(jié)果，計算輪轂裝卡位置精度。

本文針對電動車輕質(zhì)合金輪轂加工，提出根據(jù)輪轂的關(guān)鍵參量值來判斷輪轂裝卡位置精度的方法，建立基于視覺檢測技術(shù)的輪轂裝卡位置精確測定，從而實現(xiàn)準確高效的檢測輪轂裝卡位置精度的目的，更好的實現(xiàn)輪轂自動化加工。

1 輪轂自動加工工藝流程

金屬切削加工是電動車輕質(zhì)合金輪轂生產(chǎn)工藝過程中唯一的精加工過程，是輕質(zhì)合金輪轂加工中最為重要的環(huán)節(jié)。采用自動化加工方式，因其高速度、良好的實時性、非接觸、低成本等特點，能夠較好的滿足輕質(zhì)合金輪轂智能化的生產(chǎn)需求。電動車輕質(zhì)合金輪轂自動化加工主要由數(shù)控車床對輪轂輪廓的車削加工，及加工中心銑削、鉆削加工組成，如圖1。應(yīng)用視覺檢測系統(tǒng)，對輪轂裝卡位置精確測定，根據(jù)測定結(jié)果，分析計算準確裝卡位置，引導(dǎo)機械手對工件進行位移補差運動，再抓取至后續(xù)加工，這種檢測與補償方式很好的滿足了，電動車輕質(zhì)合金輪轂裝卡位置精度要求。

圖1 輪轂自動化加工流程圖

2 搭建視覺檢測系統(tǒng)

視覺檢測系統(tǒng)主要由光源、鏡頭、CCD相機、傳感器、計算機等幾部分組成，如圖2所示。在工件進入視覺檢測區(qū)域，傳感器感應(yīng)工件到位后，視覺系統(tǒng)調(diào)用相機采集視野內(nèi)，由被測物體反射的光源，再經(jīng)過CCD電荷耦合裝置，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再將待測信息進行識別，并與標準信息模板進行對比，分析查找出位置誤差，經(jīng)過分析計算給出位移補差值，及最佳位移補差路徑。

圖2 視覺檢測系統(tǒng)簡圖

2.1 視覺檢測光源

在視覺檢測系統(tǒng)中，由于相機采集圖像主要通過被測物體對光的反射來實現(xiàn)，光源便成為影響圖像質(zhì)量的重要條件，直接影響檢測精度。對于輪轂裝卡位置精度測定，這種可能有陰影問題的金屬元件的檢測特點。視覺系統(tǒng)選用LED漫射型前光源，作為視覺檢測系統(tǒng)的光源。這種光更柔軟、均勻，能有效減少眩光和陰影的幾率低，覆蓋區(qū)域也更大，能夠消除熱點，使CCD相機有理想的圖像攝取環(huán)境。

2.2 視覺檢測精度

影響視覺檢測精度的因數(shù)主要有：視野、相機像素、分辨率、視覺工具精度 。

如CDD相機水平方向視野為FOV1，垂直方向視野為FOV2，視覺工具精度為N，水平方向像素數(shù)量P1，垂直方向像素數(shù)量P2，則:

水平方向檢測精度：

(1)

垂直方向檢測精度：

(2)

根據(jù)公式(1)和公式(2)可以得出，視覺系統(tǒng)檢測精度與相機像素成正比關(guān)系，與視野大小成反比關(guān)系，即相機像素越高，分辨率越大，視野范圍越小，檢測精度越高。

3 輪轂裝卡位置精確測定方法

3.1 雙特征位置精確測定方法

因為輪轂裝卡位置精度，對輪轂的位置與姿態(tài)有雙重定位要求，為保證輪轂裝卡位置精度的準確性，采用雙特征位置精度測定的方法，相比也以往的單特征位置測定方法，雙特征定位能夠有效的消除微小誤差，對工件姿態(tài)位置精度的影響。具體方法為：通過對輪轂兩處主要典型特征，即輪轂氣門孔位置與輪轂中心孔位置進行位置測定，根據(jù)測定結(jié)果計算分析輪轂姿態(tài)與位置，以達到精準測定。

應(yīng)用視覺系統(tǒng)提取輪轂兩處特征位置信息后，對信息進行分析計算，已知輪轂特征1(氣門孔)位置信息x1、y1，輪轂特征2(中心孔)位置信息x2，y2，輪轂位置偏轉(zhuǎn)角度r，則有：

(3)

3.2 圖形特征提取與分析

圖像采集處理完成后，需要提取檢測特征，并與標準模板圖像進行比對，輪轂裝卡位置精確測定采用In-Sight Explorer軟件對輪轂的氣門孔位置與中心孔位置的兩項基本特征進行提取，再分別將待測圖像特征與標準模板圖像進行比對，計算兩者間的相似度，若計算結(jié)果符合相似度要求則認為位置符合，不符合要求則根據(jù)圖像位置與標準位置的誤差，計算出需要位移補差的距離或角度，具體流程如圖3所示。

圖3 特征提取與分析流程圖

如圖3所示，首先提取標準模板圖像中的氣門孔特征信息，如圖4，再在待測圖像區(qū)域，查找氣門孔特征的位置信息，如圖5，通過將找到的氣門孔特征位置坐標x1、y1，與標準模板中的氣門孔特征位置坐標xb1、yb1進行比較，計算位置誤差，若誤差小于等于閥值，則氣門孔特征位置符合要求。

圖4 標準圖像確認提取特征圖

圖5 待測圖像特征查找范圍圖

圖6 局部掩膜后心孔特征

3.3 結(jié)果輸出與反饋

圖7 輪轂裝卡位置精度傳輸結(jié)果

因單次測量精度存在誤差，且視覺系統(tǒng)單次測量時間極其短，為減少誤差值，輪轂位置精準測定，選用多次測量(10次)取平均值的方式，減少測量誤差，測量完成再后將輸出結(jié)果反饋給機械手進行位移差補運動。

為減少機械手定位精度存在誤差，位移差補時，針對位置偏差較大的工件，輪轂位置精度測定，選用分段位移、逐漸次定位的方式進行位移補差運動，設(shè)定角度60°為單次最大補差區(qū)間，即偏差大于60°的工件，以每次補差60°的方式，補差至剩余角度小于60°，再直接補差角度至符合要求。具體補差調(diào)整流程如圖8所示。

圖8 移補差調(diào)整流程圖

移補差調(diào)整步驟：

1)根據(jù)測量結(jié)果區(qū)分輪轂角度偏差范圍，按不同角度分為-60°至60°、60°至120°、120°至180°、-60°至-120°、-120°至-180°五個區(qū)間；

2)對輪轂角度偏差在120°至180°或-120°至-180°區(qū)間的工件，統(tǒng)一位移補差60°到60°至120°或-60°至-120°區(qū)間，并再次測量；

3)對輪轂角度偏差在60°至120°或-60°至-120°區(qū)間的工件，統(tǒng)一位移補差60°到-60°至60°區(qū)間，并再次測量；

4)對輪轂角度偏差在-60°至60°區(qū)間的工件，直接位移補差測量結(jié)果至正確位置；

5)測量補差結(jié)果，位置符合裝卡要求視為調(diào)整結(jié)束。

4 實驗結(jié)果與分析

選用130萬像素、分辨率1 280×1 024的CDD相機，配合LED漫反射前光源，設(shè)置鏡頭距工件620 mm，光源距工件420 mm，相機曝光參數(shù)為8 ms，組成的輪轂裝卡位置精確測定系統(tǒng)，對同一偏轉(zhuǎn)角度為3°的工件進行連續(xù)實際測量40次，測量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)測量結(jié)果計算得出：

輪轂位置精確測定標準差s:

(2)

測量的標準不確定度uA:

(3)

輪轂位置精度誤差要求±0.5°，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算得出輪轂位置精度測量最大誤差0.046°、標準差0.022 6°、A類不確定度0.003 6°，均在理想范圍之內(nèi)，說明基于視覺檢測技術(shù)的輪轂位置精度測定系統(tǒng)，能夠滿足輪轂位置精度檢測的要求，并可快速重復(fù)測量，位移補差系統(tǒng)能夠滿足輸出且系統(tǒng)處理時間較短，滿足工業(yè)在線實時檢測要求。若要進一步提高測量精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、縮短系統(tǒng)處理時間 ，還要對有關(guān)問題作更深入的研究，如定位相機像素、檢測環(huán)境、鏡頭、光源的穩(wěn)定性等。

應(yīng)用現(xiàn)場實驗應(yīng)用視覺檢測系統(tǒng)，輔助輪轂自動化加工577件電動車輕質(zhì)合金輪轂，其中問題工件55件，一次加工產(chǎn)品合格率為90.47%，經(jīng)過對問題工件的檢測分析，產(chǎn)生問題原因全部為加工或卡具精度，輪轂位置精準測定全部符合要求，能夠滿足輪轂自動化加工檢測定位需求。若要進一步提高加工效率，提高自動化加工穩(wěn)定性，需對工裝夾具、切削刀具、切削液、切削速度等進行深入研究。

5 結(jié)束語

為滿足智能化生產(chǎn)需求，基于視覺檢測技術(shù)的輪轂裝卡位置精確測定，可以通過視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)代替人眼及相應(yīng)檢測工具，自動檢測獲取測定結(jié)果，并對結(jié)果分析后輸出，與機器人配合使用，可以克服傳統(tǒng)的人工手動搬運和裝卡的弊端，實現(xiàn)自動化加工，通過實驗可證明該視覺系統(tǒng)，對輪轂位置精度的非接觸式在線檢測，具有精密高、穩(wěn)定性好等特點，還能夠提高輪轂位置精確測定效率， 具有較高的應(yīng)用價值，適合用于輪轂自動化加工中位置精度的測定。

視覺檢測技術(shù)作為代替人眼和其他檢測工具的智能化檢測技術(shù)，因其高效率，非接觸，高精度等特點，可以在定位檢測、精度測量、位置測定等方面廣泛應(yīng)用，對工業(yè)自動化發(fā)展能夠起到關(guān)鍵作用，符合未來工業(yè)智能化的發(fā)展方向，極具開發(fā)及研究價值。