機(jī)器視覺(jué)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)涂層均勻性的自動(dòng)化檢測(cè)。

作為內(nèi)燃機(jī)的主要部件，壓鑄氣缸體是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的支撐，它包含一些鏜孔，每個(gè)鏜孔用于安裝其他部件。其中缸體中直徑較大的一個(gè)鏜孔用于安裝活塞。當(dāng)活塞被安裝后，其通過(guò)連桿將推力傳遞到曲軸。

在過(guò)去，需要在缸體內(nèi)配置一個(gè)氣缸襯套來(lái)容納活塞。這會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)更重、鏜孔更小?，F(xiàn)在，通過(guò)部署美國(guó)Flame-SprayIndustries公司發(fā)明的線材等離子電弧噴涂（PTWA）技術(shù)，消除了這種復(fù)雜的裝配過(guò)程。

在PTWA過(guò)程中，將耐磨涂層噴涂到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鏜孔的內(nèi)表面上。這樣缸體內(nèi)就不需要增加氣缸襯套，從而讓發(fā)動(dòng)機(jī)的鏜孔更大，這樣就可以使用更大的進(jìn)氣閥，使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力更強(qiáng)。

工業(yè)自動(dòng)化專家和系統(tǒng)集成公司AISTechnologiesGroup的首席視覺(jué)專家AhmadShawky表示，“在涂覆了這種鐵質(zhì)耐磨涂層后，必須檢查氣缸鏜孔，以確保PTWA過(guò)程使得鏜孔內(nèi)壁被均勻涂覆?！?/p>

由于PTWA過(guò)程可能會(huì)在缸體內(nèi)壁殘留涂層材料的沉積物（或稱為“噴涂點(diǎn)”），因此必須對(duì)噴涂結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，以確保噴涂點(diǎn)的數(shù)量、寬度、長(zhǎng)度和位置都在制造商設(shè)定的公差范圍內(nèi)。

在引入和部署機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)之前，需要從生產(chǎn)線上取出單體發(fā)動(dòng)機(jī)缸體（可能每種產(chǎn)品需要取一個(gè)），然后將缸體切開，進(jìn)而檢查缸體鏜孔內(nèi)壁是否存在不合格的噴涂點(diǎn)。

“毫無(wú)疑問(wèn)，”Shawky解釋道，“這是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作，并且不能保證對(duì)每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行檢測(cè)?！?/p>

成像系統(tǒng)

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Shawky和他的同事為這項(xiàng)任務(wù)開發(fā)了一套自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)還提供了操作員可輕松掌握的圖形化用戶界面和檢測(cè)結(jié)果。

在使用PTWA過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行涂層后，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體沿著傳送帶進(jìn)入到成像站。由于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體在傳送帶上處于移動(dòng)狀態(tài)，因此必須將缸體從傳送帶上取下、并使其保持在一個(gè)穩(wěn)定的位置，以方便機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)缸體進(jìn)行成像。為了將每個(gè)缸體從傳送帶上取出，系統(tǒng)使用了由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多個(gè)線性滑塊來(lái)抓取缸體，其中伺服電機(jī)由PLC控制。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體被移動(dòng)到一個(gè)穩(wěn)定的位置后，使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的內(nèi)壁。該成像系統(tǒng)可以在兩種不同的配置下工作。第一種配置方法是使用定制的二次光學(xué)元件對(duì)缸體內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè)（見(jiàn)圖1）。

圖1：AISTechnologiesGroup提供的氣缸涂層檢測(cè)系統(tǒng)，在配置中采用了一個(gè)定制的二次光學(xué)元件，對(duì)氣缸的噴涂?jī)?nèi)壁進(jìn)行成像。

第二種配置方法基于OptoEngineering公司開發(fā)的“孔檢測(cè)”光學(xué)鏡頭，該透鏡專門用于對(duì)物體的垂直壁進(jìn)行成像。

系統(tǒng)的照明使用的是CCSAmerica公司的紅光LED環(huán)形漫射燈，安裝在透鏡系統(tǒng)上方大約4英寸處，這種直接/鏡面照明用于顯示高反射缸體表面上的任何變形。隨著透鏡系統(tǒng)通過(guò)線性滑塊導(dǎo)引至孔內(nèi)，LED光源則通過(guò)漫反射和直射兩種方式照亮該氣缸孔。不同于只能對(duì)平面視場(chǎng)進(jìn)行成像的所謂的“針孔鏡頭”，專用于孔洞檢測(cè)的光學(xué)鏡頭，能夠?qū)椎牡撞亢痛怪眱?nèi)壁成像（見(jiàn)圖2）。

圖2：不同于只能對(duì)平面視場(chǎng)進(jìn)行成像的所謂的“針孔鏡頭”，專用于孔洞檢測(cè)的光學(xué)鏡頭，能夠?qū)椎牡撞亢痛怪眱?nèi)壁成像。從圖中可以看到鏡頭的工作原理（上圖），以及AISTechnologiesGroup提供的氣缸涂層檢測(cè)系統(tǒng)的輸出結(jié)果（下圖）。

孔圖像

為了捕獲到深度約為135mm的缸體孔內(nèi)的圖像，鏡頭系統(tǒng)以15mm為增量單位、分九次分段移動(dòng)來(lái)捕獲缸體內(nèi)表面的圖像。

Shawky表示，“盡管鏡頭系統(tǒng)可以捕獲到大約50~90mm圓周寬度的圖像，但是采用15mm分段增量法，可確保圖像是在最佳焦點(diǎn)位置被捕獲，并且圖像的像素將保持一致的間距?！?/p>

隨后，來(lái)自鏡頭系統(tǒng)的圖像由Basler公司的piA2400-17gcPilot彩色工業(yè)相機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理；該相機(jī)基于Sony500萬(wàn)像素ICX625CCD圖像傳感器，幀率為17fps。捕獲的圖像隨即通過(guò)相機(jī)的GigE接口傳輸?shù)较到y(tǒng)主機(jī)，并在那里進(jìn)行圖像分析。為了分析缸體內(nèi)表面上涂層材料的沉積狀況，AISTechnologiesGroup嘗試了許多不同的方法。

“起初，人們認(rèn)為康耐視公司提供的VisionProBlob工具包中所包含的blob分析工具，可用于確定圖像中像素是否互連，從而衡量斑點(diǎn)的大小，以及任何不合格的涂層材料沉積點(diǎn)的大小和位置?！盨hawky分析道，“然而，盡管可以將VisionProBlob工具包配置為能在指定的灰度范圍內(nèi)查找斑點(diǎn)、并根據(jù)給定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾，但是很難確定是否存在一個(gè)“噴涂斑點(diǎn)”，或者該噴涂斑點(diǎn)是否與不合格的沉積物有關(guān)。”

深度學(xué)習(xí)

幸運(yùn)的是，2017年康耐視收購(gòu)了瑞士ViDiSystems公司，這是一家基于深度學(xué)習(xí)的工業(yè)圖像分析軟件開發(fā)商。現(xiàn)在ViDi（重命名為CognexVisionProViDi）軟件中的ViDiRed工具可用于監(jiān)控模式，用于圖像被首次展開并拼接起來(lái)后，執(zhí)行異常檢測(cè)、缺陷檢測(cè)以及圖像分割任務(wù)（見(jiàn)圖3）。

圖3：將圖像展開并拼接在一起后，康耐視的VisionProViDi工具用于監(jiān)控模式，以執(zhí)行異常檢測(cè)、缺陷檢測(cè)和圖像分割任務(wù)。在這種監(jiān)控模式下，軟件不怎么依賴于零部件的配置、類型或圖像捕獲時(shí)的條件。

在這種監(jiān)控模式下，深度學(xué)習(xí)軟件較少依賴于零部件的配置或類型，或是圖像捕獲時(shí)的條件。然而，處于監(jiān)控模式下的VisionProViDi軟件，形成了不同類型缺陷的顯式模型，這需要合格樣本和不良樣本，并用樣本對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，AISTechnologiesGroup與其汽車客戶展開密切合作，就可能存在的不同噴涂點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練。然后使用blob工具對(duì)這些噴涂點(diǎn)的類型、大小、位置和距離進(jìn)行分類。例如，可能存在許多小的噴涂點(diǎn)或少量大的噴涂點(diǎn)，所有的這些噴涂點(diǎn)都被系統(tǒng)識(shí)別、并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

對(duì)這些噴涂點(diǎn)進(jìn)行分類后，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體被放回到傳送帶上，然后移至第二個(gè)工位；在第二個(gè)工位，缸體被重新處理，以確保氣缸孔的內(nèi)表面光滑。之后，在第二個(gè)類似的成像站對(duì)氣缸孔再次成像，并檢查孔隙率。

Shawky介紹說(shuō)：“這樣做的目的，就是將噴涂點(diǎn)沉積物與最終加工過(guò)程中可能產(chǎn)生的空隙聯(lián)系起來(lái)?！?/p>

通過(guò)這種方法，可以判斷出該孔隙率是由噴涂點(diǎn)的數(shù)量產(chǎn)生的，還是由最終的加工工藝產(chǎn)生的。例如，在PTWA過(guò)程后進(jìn)行初始檢查，如果孔隙率與檢查中所發(fā)現(xiàn)的噴涂點(diǎn)的位置和尺寸大小存在直接關(guān)聯(lián)性，則可以將其標(biāo)記出來(lái)，并將其交給操作員調(diào)整PTWA過(guò)程?；蛘?，如果孔隙率與最終加工過(guò)程有關(guān)，也可以被標(biāo)記，并且調(diào)整孔加工過(guò)程，使其更加有效。

完成兩輪檢測(cè)后，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體被分類為合格或不合格。如果不合格，則通過(guò)線性滑塊將其移走并放置到一個(gè)轉(zhuǎn)盤上，隨后通過(guò)轉(zhuǎn)盤將其從生產(chǎn)線中移除，隨后可以根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行重新加工。檢測(cè)合格的氣缸繼續(xù)被放置到傳送帶上，進(jìn)行活塞、氣缸蓋的組裝以及最后的裝配工作。

Shawky介紹說(shuō)，AISTechnologiesGroup開發(fā)的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，已經(jīng)在被一些主流汽車制造商使用。這套價(jià)格35萬(wàn)美元的檢測(cè)系統(tǒng)，能夠確保100%檢查每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，從而避免了手動(dòng)切割缸體樣品這個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，以確定涂層和最終加工過(guò)程的有效性。