专利名称：汽车活塞装配质量视觉检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种自动化光学检测技术领域的装置，具体是一种汽车活塞装配 质量视觉检测系统。
背景技术：
汽车发动机活塞是汽车动力系统最重要装置之一，它承受交变的机械负荷和热负 荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件。在活塞铝基体铸件加工完成后，需根据不同 产品要求完成石墨层喷涂，阳极氧化层加工，油孔开槽，活塞环装配等多道工序。其中任何 一道工序的疏漏都会影响活塞最终成品的质量。如活塞环漏装或装反会使得气缸密封性能 受到破坏，从而使发动机无法正常工作。因此活塞装配质量必须100%检测。经对现有文献的检索，目前常用的具体操作方法一种为人工目测。即由经过培 训的工人对活塞装配质量进行肉眼观测。这种方法具有操作简单的优点，其缺点在于人 工检测结果受众多因素影响，无法达到稳定性和可靠性的要求。在《微机算计信息》2008， Vol. 24,No. 10上刊登了“智能图像检测在活塞在线分选中的应用”，该文介绍了一种活塞分 选系统，具体内容是，用图像传感器获取活塞表面图像，再通过特征提取和模板匹配的方法 识别活塞表面的喷墨字符，如果和正确字符不符合，系统发出报警并将活塞剔除。该方法可 以代替工人目测检测活塞表面字符错误，但其检测内容非常有限，无法覆盖大部分的活塞 装配质量问题。

发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种汽车活塞装配质量视觉检测系 统，可一次性自动对汽车活塞顶面字符，活塞环装配，石墨层完整性等内容进行基于数字图 像的视觉检测。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括活塞进料机构、活塞出料机构、 活塞检测机构和PLC控制模块，其中PLC控制模块通过I/O 口的通信线与活塞进料机构和 活塞出料机构相连并输出控制指令，接收工件到位信号，活塞检测机构位于活塞进料机构 和活塞出料机构之间并正对待测活塞，活塞检测机构与PLC控制模块相连接并传输检测信 肩、ο所述的活塞进料机构包括步伐器、进料气缸和工件进料传感器，其中进料气缸 安装在步伐器的下方，工件进料传感器安装在步伐器的一侧，其信号输出端和PLC控制模 块相连。所述的活塞出料机构包括步伐器、出料气缸、NG推块和工件出料传感器，其中 出料机构设有平行布置的合格出料带和不合格出料带，出料气缸连接NG推块，NG推块在合 格出料带和不合格出料带之间移动，两个工件出料传感器分别设置于合格出料带和不合格 出料带的最末端，在出料带满时将信号传递给PLC控制模块实现暂停运行，防止工件溢出。所述的活塞检测机构包括密闭检测腔和与之相连接的工控机、辅助光源、数字摄像头、伺服电机、侧推挡块、侧推气缸以及工件检测传感器，其中辅助光源包括碗状光源 和条形光源，其中碗状光源的直径大于活塞直径的3倍；条形光源的长度大于活塞直径的 2倍；碗状光源布置在被测活塞的正上方，且与活塞基座同轴布置由伺服电机带动上下垂 直运动，条形光源固定在被测活塞侧面，光源中心点与活塞在高度方向的中点基本处于同 一水平高度且在检测过程中无变化；数字摄像头固定设置于被测活塞位置的正上方和侧面 且通过数据信号线与工控机相连，由工控机控制触发，并将拍摄的图像传递给工控机作图 像处理；伺服电机与PLC控制模块相连接并接收控制指令；侧推挡块与侧推气缸转动连接 并在待测活塞旋转时实现伸缩运动。拍摄过程中碗状光源始终处于点亮状态；条形光源在拍摄顶面图像时不点亮，拍 摄侧面图像时用同步频闪照明的方式。进行顶面拍摄时，位于顶部的碗状光源高角度照明， 以获取对比度较高的顶面图像；进行侧面拍摄时，由于伺服电机带动碗状光源向下运动，同 时活塞向上运动，两者运动至固定位置拍摄，此时碗状光源低角度照明，同时侧面的条形光 源作为碗状光源的补充照明，两者配合使用。由于活塞环在槽内可自由移动，在旋转中会出 现活塞环突出活塞槽的情况，此时活塞环下方的油孔区域会产生阴影区，侧面照明可以较 好地消除阴影；且由于弹簧圈的环槽内是反光度较高的铝基体，单一使用侧面照明会使得 弹簧圈与活塞基体对比度较低，顶面光线可以增强这一区域的对比度，所以侧面和顶面照 明的配合使用可以提高侧面图像的特征清晰度。所述的同步频闪照明，是工控机通过I/O板卡控制条形光源的频闪电源，使光源 以亮/灭交替的方式频闪照明。具体做法是工控机发出点亮信号给频闪光源后，延时触发 侧面摄像头拍摄，摄像头在频闪光源点亮的时间段内完成曝光，频闪光源熄灭后，工控机再 次延时触发摄像头拍摄，摄像头在频闪光源熄灭的时间段内完成曝光，上述频闪光源亮/ 灭过程为一个周期，在一个周期内侧面摄像头被触发两次，获得两幅亮度不同的图像。所述的伺服电机包括用于控制活塞基座升降的第一电机，用于控制活塞旋转的 第二电机，用于控制碗状光源升降的第三电机。所述的侧推挡块是一个表面光滑的立方体小块，尺寸与被测活塞的半径相匹配， 保证在运动过程中不会在侧面图像上因光线遮挡留下阴影。所述的转动连接是指侧推挡块的下方通过一个可以调节高度的连杆与侧推气缸 相连，当活塞换型时，将可调节的螺丝和连杆调整到与当前型号匹配的角度和高度，然后再 加以固定。所述的工控机包括图像单元、控制单元和通信单元，其中图像单元通过图像采 集卡接受数字摄像头拍摄的图像信号，并进行顶面图像处理和侧面图像处理，最后将检测 结果传输给通信单元；控制单元通过数字I/O信号线与频闪条形光源以及侧面摄像头相 连，控制频闪光源以固定的频率点亮和熄灭，同时触发侧面摄像头在频闪光源点亮和熄灭 的周期内各拍摄一幅图像；通信单元通过数字I/O信号线与PLC控制模块相连，通信单元向 PLC输出2种I/O信号工件拍摄完毕信号，工件检测结果信号，PLC向通信单元输出工件到 位信号。本发明通过以下方式进行工作首先进料口的工件到位传感器检测到信号，并传 递给PLC ；PLC控制进料气缸运动，将活塞运送到检测工位前一位；此时检测工位若有工件 在检，则等待；若无工件，则PLC控制气缸将活塞送到检测位；PLC将工件到位信号传递给工控机；工控机触发顶面摄像头，拍摄并处理顶面图像；工控机将拍摄完毕信号传递给PLC， PLC控制1号和3号伺服电机同时运动；PLC将工件到位信号传递给工控机，同时控制第二 电机旋转、控制侧推挡块运动；工控机触发侧面摄像头，拍摄并处理侧面图像，同时控制条 形LED光同步频闪；工控机将拍摄完毕信号传递给PLC，PLC控制1号和3号伺服电机复位， 出料气缸将活塞送到出料带；工控机将活塞检测结果信号发送给PLC，同时将检测结果详 细列表在显示器上表示；PLC根据检测结果，控制NG气缸运动，将活塞推至NG出料口或OK 出料口。进行顶面拍摄时，位于顶部的碗状光源位置不变进行照明，同时侧面的条形光源 处于关闭状态。结束顶面拍摄与顶面图像处理后，碗状光源向下运动且活塞向上运动，两者 运动至固定位置后，开始进行侧面图像的拍摄。进行侧面拍摄时，工控机频闪点亮侧面的条形光源进行混合光源的照明。条形光 源熄灭时，活塞侧面光照强度较小，活塞环槽内的铝基体不会过度曝光，拍摄的图片用于活 塞环的检测；条形光源点亮时，活塞侧面光照强度较大，油孔区域的阴影可以得到抑制，且 活塞下部的石墨层、裙边、活塞销等区域对比度较好，拍摄的图像用于侧面中下部检测对象 的分析。安装在活塞侧面的侧推挡块在气缸推动下以伸出/收回为一个周期反复运动。因 为如果侧推挡块在活塞旋转过程中始终伸出，则极易卡在活塞环的缺口处，使得活塞环不 随活塞基体一起旋转，采用伸出/收回方式可避免上述问题。与现有技术相比，本发明具有以下优点1)能够将活塞侧面和顶面检测集成在一个工位。由于需要获取检测对象的顶面和 侧面信息，通常的做法是布置两个检测工位，分别设置顶面辅助光源和侧面辅助光源，这样 不利于设备的集成。并且单一使用顶面光源或侧面光源进行活塞侧面图像拍摄时，无法消 除可能产生的阴影和反光，这些都会造成图像处理过程中的误判。本发明将侧面检测工位 与顶面检测工位合二为一，通过伺服电机的位置调节来兼顾顶面和侧面拍摄所需的照明条 件，侧面和顶面照明的同时使用可以消除活塞环造成的阴影，减小铝基体的反光。不仅使得 设备布局更加紧凑，而且两个辅助光源的配合使得能获取特征明显的顶面和侧面图像。2)能在活塞旋转一周过程内获取两种性质的图像。通过同步频闪照明，使侧面 LED条形光源以亮/灭交替的方式照亮活塞侧面。摄像头在侧面光源点亮和关断的周期内 曝光完成。活塞旋转一周内可获取两种性质的图像，一种是突出活塞环特征的图像，另一种 是突出活塞下部的油孔，石墨层和裙边特征的图像。这样只需活塞旋转一周，便可检测表面 特性差异较大的活塞各个区域的图像。本发明采用的图像处理技术在工厂大批量生产中具有很强的适应能力，可兼顾识 别精度和响应速度，活塞质量无须人工观察、凭经验判断，不受人为因素影响，机械结构简 单，测量过程可靠，重复精度高，操作简便迅速，适合于生产线大批量时使用；且其操作简单 方便，操作技能要求低，培训时间短，劳动强度低。


图1本发明系统整体结构示意图。图2两步法模板匹配流程图。图3侧面图像处理步骤示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实拖方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例包括活塞进料机构1、活塞出料机构2、活塞检测机构3和 PLC控制模块4，其中PLC控制模块4通过I/O 口的通信线与活塞进料机构1和活塞出料 机构2相连并输出控制指令，接收工件到位信号，活塞检测机构3位于活塞进料机构1和活 塞出料机构2之间并正对待测活塞5，活塞检测机构3与PLC控制模块4相连接并传输检测
fn息ο所述的活塞进料机构1包括进料步伐器6、进料气缸7和工件进料传感器8，其 中进料气缸7安装在进料步伐器6的下方，工件进料传感器8安装在步伐器的一侧，其信 号输出端和PLC控制模块相连。所述的活塞出料机构2包括出料步伐器9、出料气缸10、NG推块11、工件出料传 感器12以及平行布置的合格出料带13和不合格出料带14，其中出料气缸10连接NG推块 11，NG推块11在合格出料带13和不合格出料带13之间移动，两个工件出料传感器12分 别设置于合格出料带13和不合格出料带14的最末端，在出料带满时将信号传递给PLC控 制模块4实现暂停运行，防止工件溢出。所述的活塞检测机构3包括密闭检测腔15和与之相连接的工控机16、辅助光源 17、数字摄像头18、伺服电机19、侧推挡块20、侧推气缸21以及工件检测传感器22，其中 辅助光源17包括碗状光源和条形光源，其中碗状光源的直径大于活塞直径的3倍；条形 光源的长度大于活塞直径的2倍；碗状光源布置在被测活塞的正上方，且与活塞基座同轴 布置由伺服电机19带动上下垂直运动，条形光源固定在被测活塞侧面，光源中心点与活塞 在高度方向的中点基本处于同一水平高度且在检测过程中无变化；数字摄像头18固定设 置于被测活塞位置的正上方和侧面且通过数据信号线与工控机16相连，由工控机16控制 触发，并将拍摄的图像传递给工控机16作图像处理；伺服电机19与PLC控制模块相连接并 接收控制指令；侧推挡块20与侧推气缸21转动连接并在待测活塞5旋转时实现伸缩运动。拍摄过程中碗状光源始终处于点亮状态；条形光源在拍摄顶面图像时不点亮，拍 摄侧面图像时用同步频闪照明的方式。进行顶面拍摄时，位于顶部的碗状光源高角度照明， 以获取对比度较高的顶面图像；进行侧面拍摄时，由于伺服电机19带动碗状光源向下运 动，同时活塞向上运动，两者运动至固定位置拍摄，此时碗状光源低角度照明，同时侧面的 条形光源作为碗状光源的补充照明，两者配合使用。由于活塞环在槽内可自由移动，在旋转 中会出现活塞环突出活塞槽的情况，此时活塞环下方的油孔区域会产生阴影区，侧面照明 可以较好地消除阴影；且由于弹簧圈的环槽内是反光度较高的铝基体，单一使用侧面照明 会使得弹簧圈与活塞基体对比度较低，顶面光线可以增强这一区域的对比度，所以侧面和 顶面照明的配合使用可以提高侧面图像的特征清晰度。所述的同步频闪照明，是工控机16通过I/O板卡控制条形光源的频闪电源，使光 源以亮/灭交替的方式频闪照明。具体做法是工控机16发出点亮信号给频闪光源后，延时 触发侧面摄像头拍摄，摄像头在频闪光源点亮的时间段内完成曝光，频闪光源熄灭后，工控机16再次延时触发摄像头拍摄，摄像头在频闪光源熄灭的时间段内完成曝光，上述频闪光 源亮/灭过程为一个周期，在一个周期内侧面摄像头被触发两次，获得两幅亮度不同的图像。所述的伺服电机19包括用于控制活塞基座升降的第一电机23，用于控制活塞旋 转的第二电机对，用于控制碗状光源升降的第三电机25。所述的侧推挡块20是一个表面光滑的立方体小块，尺寸与被测活塞的半径相匹 配，保证在运动过程中不会在侧面图像上因光线遮挡留下阴影。所述的转动连接是指侧推挡块20的下方通过一个可以调节高度的连杆与侧推 气缸21相连，当活塞换型时，将可调节的螺丝和连杆调整到与当前型号匹配的角度和高 度，然后再加以固定。所述的工控机16包括图像单元沈、控制单元27和通信单元观，其中图像单元 沈通过图像采集卡接受数字摄像头18拍摄的图像信号，并进行顶面图像处理和侧面图像 处理，最后将检测结果传输给通信单元洲；控制单元27通过数字I/O信号线与频闪条形光 源以及侧面摄像头相连，控制频闪光源以固定的频率点亮和熄灭，同时触发侧面摄像头在 频闪光源点亮和熄灭的周期内各拍摄一幅图像；通信单元观通过数字I/O信号线与PLC控 制模块4相连，通信单元观向PLC输出2种I/O信号工件拍摄完毕信号，工件检测结果信 号，PLC向通信单元观输出工件到位信号。具体实现过程如下将检测工位四周用挡板包围，以消除光线干扰。活塞正上方安 装LED碗状漫反射光源，光源正下方安装顶面摄像头，并且三者同轴放置。在拍摄活塞顶面 图像时碗状光源底部距离活塞顶面约60cm，顶面摄像头的镜头距离活塞顶面约50cm，在拍 摄活塞侧面图像时碗状光源底部距离活塞顶面约3cm ；活塞侧面安装LED条形光源，其中心 点与活塞侧面的垂直距离约10cm，侧面摄像头安装在条形光源上方约5cm，两者中心点的 连线与活塞表面垂直，侧面摄像头的镜头与活塞侧面的垂直距离约20cm。活塞进入检测工位后，检测工位上方的摄像头在LED碗状漫反射光源照明下拍摄 一幅活塞顶面图，拍摄完成后活塞基座向上运动，同时上方光源向下运动。两者运动至固定 位置后，括塞以1秒/转的速度勻速旋转一周，旋转过程中侧推挡块反复伸出和收回。活塞 旋转过程中工控机控制侧面摄像头和频闪光源实现同步工作的时序，具体步骤如下1)工控机控制频闪光源点亮；2)频闪光源点亮IOOms后，工控机触发侧面摄像头拍摄一幅图像，摄像头曝光时 间为3ms ；3)频闪光源点亮200ms后，工控机控制频闪光源熄灭；4)频闪光源熄灭IOOms后，工控机触发侧面摄像头拍摄一幅图像，摄像头曝光时 间为3ms ；5)频闪光源熄灭200ms后，工控机控制频闪光源点亮；上述频闪光源的亮/灭过程为一个周期，在活塞旋转一周的过程中，共有20个周 期，每个周期内侧面摄像头获取2幅图像，活塞旋转一周摄像头共获取侧面图像40幅，其中 LED条形光点亮的图像和熄灭图像各20幅。活塞顶面图像中，刻字部分呈现较暗区域，将刻字区域图像截取后，通过阈值分割 可以获得二值化图像。二值化后的图像中存在一些孤立的噪声点，并且由于针刻的深度不均等原因某些字符笔划断裂，通过小结构元素的形态学腐蚀来消除噪声点，然后用形态学 膨胀消除断裂，最后将二值字符图像用两步法进行字符模板匹配。LED条形光源点亮时碗状光源和条形光源同时照射于活塞，图像亮度较高。位于活 塞中下部的油孔、石墨层、裙边、活塞销等区域和背景呈现很大的对比度，易于进行目标图 像特征的提取，活塞中下部区域的检测在这些图像中进行。LED条形光源熄灭时仅顶面光源 照射于活塞，图像亮度较低。由于顶面光源直径大于活塞直径，且距离活塞顶面很近，活塞 环细节被照亮而不会曝光过度，活塞环的检测在这些图像中进行。首先对图像进行预处理， 然后在图像中的固定区域内寻找石墨层上的高反光的金属点，以金属点的中心为基准点， 通过事先设定的相对于基准点的位置坐标，从原始图像中截取出各个待测目标区域。然后 在每一个待测目标区域内，用固定阈值进行二值化处理，最后在二值图像中逐幅图像寻找 与待测目标几何特征相似度在一定范围内的目标，用这样的方法检测油孔个数、石墨层完 整性、裙边完整性以及活塞销存在与否。下面以活塞环组中的上下油环刮片为例，说明图像 处理流程，其余目标区域的检测皆与此原理类似。①图像预处理将摄像头获取的图像经频域低通滤波器滤波；②截取检测项目对 应区域；③二值化设定灰度值大于90的像素点为白色，其余的为黑色；则只有油环刮片和 弹簧圈的很小一部分是白色，下油环刮片的缺口位置清晰，但需去除白色弹簧圈细小颗粒 的影响；④过滤小面积白色区域通过形态学滤波，将长度小于20个像素点的颗粒过滤掉； ⑤统计分析沿图片χ轴(向右为正)方向逐个统计在y轴方向(向下为正)上、下油环刮 片所在位置，最后计算出上下刮片间距离，统计距离大于43的像素点个数，如果个数大于 10则认为是缺口。应用本实施例方法检测汽车活塞装配质量，检测过程可靠，重复精度高；一次性 即可检测出表面刻字及活塞环装配等内容，检测内容基本覆盖装配质量人工目测的所有内 容；操作简便迅速，整个检测过程仅8秒，适用于生产线大批量使用。
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权利要求
1.一种汽车活塞装配质量视觉检测系统，其特征在于，包括活塞进料机构、活塞出料 机构、活塞检测机构和PLC控制模块，其中PLC控制模块通过I/O 口的通信线与活塞进料 机构和活塞出料机构相连并输出控制指令，接收工件到位信号，活塞检测机构位于活塞进 料机构和活塞出料机构之间并正对待测活塞，活塞检测机构与PLC控制模块相连接并传输 检测信息。
2.根据权利要求1所述的汽车活塞装配质量视觉检测系统，其特征是，所述的活塞进 料机构包括步伐器、进料气缸和工件进料传感器，其中进料气缸安装在步伐器的下方， 工件进料传感器安装在步伐器的一侧，其信号输出端和PLC控制模块相连。
3.根据权利要求1所述的汽车活塞装配质量视觉检测系统，其特征是，所述的活塞出 料机构包括步伐器、出料气缸、NG推块和工件出料传感器，其中出料机构设有平行布置 的合格出料带和不合格出料带，出料气缸连接NG推块，NG推块在合格出料带和不合格出料 带之间移动，两个工件出料传感器分别设置于合格出料带和不合格出料带的最末端，在出 料带满时将信号传递给PLC控制模块实现暂停运行，防止工件溢出。
4.根据权利要求1所述的汽车活塞装配质量视觉检测系统，其特征是，所述的活塞检 测机构包括密闭检测腔和与之相连接的工控机、辅助光源、数字摄像头、伺服电机、侧推挡 块、侧推气缸以及工件检测传感器，其中辅助光源包括碗状光源和条形光源，其中碗状 光源的直径大于活塞直径的3倍；条形光源的长度大于活塞直径的2倍；碗状光源布置在 被测活塞的正上方，且与活塞基座同轴布置由伺服电机带动上下垂直运动，条形光源固定 在被测活塞侧面，光源中心点与活塞在高度方向的中点基本处于同一水平高度且在检测过 程中无变化；数字摄像头固定设置于被测活塞位置的正上方和侧面且通过数据信号线与工 控机相连，由工控机控制触发，并将拍摄的图像传递给工控机作图像处理；伺服电机与PLC 控制模块相连接并接收控制指令；侧推挡块与侧推气缸转动连接并在待测活塞旋转时实现 伸缩运动。
5.根据权利要求4所述的汽车活塞装配质量视觉检测系统，其特征是，所述的伺服电 机包括用于控制活塞基座升降的第一电机，用于控制活塞旋转的第二电机，用于控制碗状 光源升降的第三电机。
6.根据权利要求4所述的汽车活塞装配质量视觉检测系统，其特征是，所述的侧推挡 块是一个表面光滑的立方体小块，尺寸与被测活塞的半径相匹配。
7.根据权利要求4所述的汽车活塞装配质量视觉检测系统，其特征是，所述的转动连 接是指侧推挡块的下方通过一个可以调节高度的连杆与侧推气缸相连，当活塞换型时，将 可调节的螺丝和连杆调整到与当前型号匹配的角度和高度，然后再加以固定。
8.根据权利要求4所述的汽车活塞装配质量视觉检测系统，其特征是，所述的工控机 包括图像单元、控制单元和通信单元，其中图像单元通过图像采集卡接受数字摄像头拍 摄的图像信号，并进行顶面图像处理和侧面图像处理，最后将检测结果传输给通信单元；控 制单元通过数字I/O信号线与频闪条形光源以及侧面摄像头相连，控制频闪光源以固定的 频率点亮和熄灭，同时触发侧面摄像头在频闪光源点亮和熄灭的周期内各拍摄一幅图像； 通信单元通过数字I/O信号线与PLC控制模块相连，通信单元向PLC输出2种I/O信号工 件拍摄完毕信号，工件检测结果信号，PLC向通信单元输出工件到位信号。
全文摘要
一种自动化光学检测技术领域的汽车活塞装配质量视觉检测系统，包括活塞进料机构、活塞出料机构、活塞检测机构和PLC控制模块，PLC控制模块通过I/O口的通信线与活塞进料机构和活塞出料机构相连并输出控制指令，接收工件到位信号，活塞检测机构位于活塞进料机构和活塞出料机构之间并正对待测活塞，活塞检测机构与PLC控制模块相连接并传输检测信息。本发明可一次性自动对汽车活塞顶面字符，活塞环装配，石墨层完整性等内容进行基于数字图像的视觉检测。
文档编号G01N21/88GK102072910SQ20101054300
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月13日 优先权日2010年11月13日
发明者华学明, 孔谅, 孙大为, 杨海澜, 蔡艳 申请人:上海交通大学