西門子機器視覺系統在汽車發動機裝配線上的應用

1 機器視覺簡介

機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號;圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據比較結果來控制現場的設備動作。

人們運用機器視覺系統是為了提高生產的產品質量和生產線自動化程度，尤其在一些不適合于人工作業的危險工作環境或人眼難以滿足要求的場合，同時在大批量工業生產過程中，用人工視覺檢查產品質量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產效率和生產的自動化程度。而且機器視覺易于實現信息集成，是實現計算機集成制造的基礎技術。與機器視覺關聯的學科有圖像處理、計算機圖形學、模式識別、人工智能、人工神經元網絡等。

2 西門子機器視覺系統

西門子機器視覺系統屬于嵌入式視覺系統，分為VS100系列和VS700系列。VS100系列是專用型視覺產品，SIMATIC VS 100 系列視覺系統用于特定的圖像處理任務。SIMATIC VS 110用于輪廓檢測;SIMATIC VS 120用于目標查找和搜索;SIMATIC VS 130適合二維碼的檢測。

SIMATIC VS 700 系列通用視覺系統主要用于生產過程中的質量檢測和質量控制。這種通用系統可以通過編程完成圖像采集、圖像處理、負載驅動以及聯網通訊(通過PROFIBUS或工業以太網)等功能，非常適宜于在一個測試循環中完成許多的測試任務。新型VS720生產線專門用于處理更為復雜的任務，比如圖像捕捉、圖像加工、最終結果的生成以及通信都是結合在一個緊湊的過程中的，是在一個檢測周期進行幾種檢測任務的理想方案。

VS721 CMOS和VS722基本型代表了適用于大批常規任務、較為經濟的解決方案。而帶有CMOS攝像頭的VS721，特別適用于精度要求不是非常高而價格比較經濟的場合。VS723是一臺用于高速攝影的攝像機，例如包裝技術領域，以及眾多需要執行性能檢測任務的領域，例如表面檢測。VS724是高分辨率傳感器，提供高達130萬像素，能拍攝非常詳細的圖像，因此非常適合需要高精度的檢測任務。VS725彩色傳感器系統具備分析色彩和檢測特定色彩值的能力，因此可以通過彩色碼，安全、可靠地區分零部件，檢測標簽的打印色或是識別膠珠。

VS720系列中的傳感器提供1個集成以太網接口和8個可自由配置的數字輸入、輸出端。攝像機可以很容易地通過以太網連接到網絡上，并接受幾乎任何一臺PC機的訪問，因此極大地簡化了設備的維護和診斷。VS鏈接接口模塊可以在一臺監視器顯示幾個攝像機所拍攝的圖像。也可以通過PROFIBUS與連接模塊相連，這樣可以省去用做監測功能的另外的PC機。而且，由工業以太網提供的帶寬，能使質量數據和故障圖像快速在外部設備上做備份。

作為VS720系列傳感器的組態軟件SPECTATION提供了多種檢測功能算法，通過非常友好的界面來建立定制圖像處理解決方案，當無視覺傳感器在線連接時，也可以使用仿真器來進行組態。

3 工藝描述

在某汽車發動機合資生產廠擴容新建的裝配車間中，為了確保產品質量，決定采用VS722來實現發動機缸體號碼打刻質量的自動檢測和發動機裝配完成后的外觀檢查。

3.1 缸體打刻號碼檢查工位

缸體打刻號碼檢查工位位于缸體標簽打刻工位的后面，主要功能是通過VS722拍照檢查缸體標簽打刻的質量和號碼正確與否。缸體共有兩大系列：FR(打刻面在左邊)和FF(打刻面在右邊)系列，共有97種不同的型號，在本工位需要系統自動讀取被檢測缸體的型號，以便進行比較。

3.2 總成后的發動機外觀檢查工位

發動機外觀檢查工位位于外裝線的線尾端，在發動機裝配完成之后，利用五個VS722傳感器分別從頂部和左右兩側拍照檢查，在左右兩側各裝兩個傳感器，工件進入工位之后通過定位抬起首先進行信號識別，然后開始拍照，然后再旋轉90度再次拍照。這樣保證將發動機的前后左右四個方向都能檢查到。

總共有97種型號的發動機，每種發動機的檢查項目大致有：放水塞是否漏裝, 發動機吊鉤是否漏裝, 機油尺是否漏裝, 通氣軟管漏裝, 出水接頭誤裝, 隔熱罩螺栓漏裝, 機油冷卻軟管是否漏裝, 氧傳感器是否誤裝(線束黑色或灰色)等。

4 系統工作原理

4.1 VS722與PLC之間的數據通訊

視覺傳感器VS722與PLC之間的數據傳遞可以通過三種方式：

VS722提供了8DI/DO的硬件接口，可以與PLC硬件連接實現拍照觸發指令，結果返回等簡單的數據傳遞。

通過PROFIBUS或以太網實現VS722與PLC之間簡單通訊，這種通訊方式使用標準通訊功能塊FC72，通過VS LINK 用PROFIBUS總線方式 能實現28K字節的通訊，通過以太網可以實現60K字節的通訊。在這次應用中VS722和PLC之間的通訊就是通過這種方式實現的。

如果數據通訊要求更高可以選擇增強型通訊，通過PROFIBUS 可以用背景腳本映射虛擬I/O的方式來實現;如果要用以太網來實現增強型數據通訊，可以選用兩種驅動模式：系統/數據連接驅動和背景腳本觸發。

總之，VS722提供的通訊方式非常靈活方便，在實際應用中要根據數據通訊量、實時反饋速度要求、項目成本等實際情況來選用合適的通訊方式。

4.2 缸體打刻號碼的識別

缸體打刻檢查控制系統由主控PLC、VS722、ELS、TP170B以及RFID讀寫識別系統構成。VS722與PLC的信息傳遞通過以太網實現。

進入工位的缸體攜帶M/P存儲卡，卡中存有缸體號碼信息，PLC通過串口利用RFID讀寫器從存儲卡中讀取號碼信息，并在觸摸屏TP170B上顯示出來。PLC通過讀取的號碼信息判斷是需要啟動左邊或者右邊的傳感器進行拍照，顯示了拍照的實物圖像，VS722完成拍照后馬上進行字符識別。

為實現號碼的識別，需要在SPECTATION軟件中進行編程，創建一個PRODUCT下載至VS722中，在PRODUCT 里定義了16個OCR軟傳感器。

4.3 發動機零部件錯裝漏裝的實現

發動機外觀檢查工位由主控PLC (CPU313-PtP),VS722,ELS以及用戶指定的OMRON的RFID讀寫系統構成。VS722與PLC的信息傳遞通過以太網實現。監控計算機的上位軟件采用WINCC。

發動機工件進入工位，定位抬起上升到位后開始拍照，每個傳感器對比檢查不同的部件，如果發現有工件與標準圖像不同將發出報警，同時WINCC畫面上將不合格項對應的圖片自動彈出。由于已將VS722拍攝的圖像顯示畫面集成在WINCC軟件中，如果出現不合格項將自動捕捉實時畫面，由操作人員根據畫面或實物進行最終檢查確認。

對于發動機零部件錯裝漏裝的檢查，SPECTATION提供了下列軟傳感器，特征值(Feature Count)、邊沿計數(Edge Count)目標發現(Object Find)、模板匹配(Template Match)，計算工具(Math Tools)。針對不同的檢查部位，根據不同 的圖像特征選擇合適的軟傳感器進行檢測。

5 結束語

在此次項目的實施過程中，我們深深體會到，如果要讓機器視覺系統發揮最佳效果，有三個基本要素缺一不可：選擇合適的光源，設計理想的機械結構，對視覺傳感器正確合理的編程。

在VS722使用在該發動機生產線之前，所有的相關檢測都需要設置人工工位由工人肉眼來完成，由于工作量大、內容枯燥，非常容易出現人為錯判、漏判的現象，由此出現的質量事件曾經給用戶造成很大的負面形象。此次采用了西門子機器視覺系統后取消了相關的人工崗位，大大提高了工作效率，并保證了產品的質量，取得了良好的經濟和社會效益。