System wizyjnej kontroli na stanowisku montażowym półosi samochodowych.pdf

P OLITECHNIKA W ROCŁAWSKA

W YDZIAŁ E LEKTRONIKI

K IERUNEK : Automatyka i Robotyka (AIR)

S PECJALNOŚĆ : Robotyka (ARR)

PRACA DYPLOMOWA

MAGISTERSKA

System wizyjnej kontroli na stanowisku

montażowym półosi samochodowych

A UTOR :

PIEKUN PRACY :

Tomasz Duchiewicz

dr inż. Marek Wnuk

P ROWADZĄCY PRACĘ :

dr inż. Marek Wnuk

CENA PRACY :

Wrocław 2004

System wizyjnej kontroli na stanowisku montażowym półosi samochodowych

S PIS TREŚCI

S PIS TREŚCI .............................................................................................................................................................. 1

S PIS RYSUNKÓW ...................................................................................................................................................... 2

W STĘP ..................................................................................................................................................................... 4

I. O GÓLNA KONCEPCJA STANOWISKA POMIAROWEGO ....................................................................................... 6

II. P ROJEKT WSTĘPNY STANOWISKA POMIAROWEGO .......................................................................................... 8

II.1. Dobór i konfiguracja kamer ................................................................................................................. 8

II.2. Zniekształcenia związane z ustawieniem kamery względem obiektu................................................ 11

II.3. Zniekształcenia związane z właściwościami obiektywu kamery ....................................................... 16

II.4. Zniekształcenia związane z doborem rozdzielczości kamery ............................................................ 24

II.5. Dobór i konfiguracji oświetlenia........................................................................................................ 27

II.6. Zniekształcenia związane z natężeniem oświetlenia.......................................................................... 38

III. A LGORYTM POMIARU OPASKI .................................................................................................................. 40

III.1. Wyszukiwanie opaski ........................................................................................................................ 40

III.2. Wyszukiwanie krawędzi .................................................................................................................... 44

III.3. Pomiar odległości między krawędziami ............................................................................................ 47

III.4. Klasyfikacja opaski ............................................................................................................................ 49

IV. R EALIZACJA STANOWISKA POMIAROWEGO .............................................................................................. 52

IV.1. Stanowisko próbne............................................................................................................................. 52

IV.2. Stanowisko 2x135 o ............................................................................................................................. 53

IV.3. Stanowisko 2x90 o ............................................................................................................................... 56

IV.4. Stanowisko 2x0 o ................................................................................................................................. 60

P ODSUMOWANIE .................................................................................................................................................... 68

A. D ODATEK – P RZETWORNIKI OBRAZOWE ...................................................................................................... 69

B. D ODATEK – O PERACJE NA OBRAZACH ......................................................................................................... 74

C. D ODATEK – O PROGRAMOWANIE .................................................................................................................. 78

L ITERATURA .......................................................................................................................................................... 84

System wizyjnej kontroli na stanowisku montażowym półosi samochodowych

S PIS RYSUNKÓW

Rys. I.1. Wygląd półosi samochodowej. ................................................................................................................. 6

Rys. I.2. Wygląd opaski dużej i małej (jeden z dwóch typów dużej i małej).......................................................... 7

Rys. I.3. Wygląd części półosi wykorzystywanej do badań.................................................................................... 7

Rys. II.1. Konfiguracja systemu z jedną kamerą..................................................................................................... 9

Rys. II.2. Konfiguracja systemu z dwoma kamerami. .......................................................................................... 10

Rys. II.3. Konfiguracja systemu z czterema kamerami......................................................................................... 11

Rys. II.4. Zniekształcenia związane z odległością między kamerą a obiektem. ................................................... 12

Rys. II.5. Przykład zniekształceń zależnych od odległości między kamerą a obiektem. ...................................... 13

Rys. II.6. Zniekształcenie zależne od wysokości między osią optyczną kamery a obiektem. .............................. 14

Rys. II.7. Przykład zniekształceń zależnych od wysokości między osią optyczną kamery a obiektem – dla dwóch

wysokości. ................................................................................................................................................... 15

Rys. II.8. Zniekształcenie spowodowane dużą różnicą odległości między osią optyczną kamery a obiektem (A.) i

małą różnicą odległości między osią optyczną kamery a obiektem (B.) ..................................................... 15

Rys. II.9. Przebieg promieni świetlnych przez soczewkę wypukłą....................................................................... 16

Rys. II.10. Zniekształcenia geometryczne spowodowane małą ogniskową obiektywu (A.) i długą ogniskową

obiektywu(B.).............................................................................................................................................. 17

Rys. II.11. Sposób ustawiania ostrości na wybrany obiekt, tak aby obraz pojawił się na kliszy lub matrycy

przetwornika obrazowego............................................................................................................................ 19

Rys. II.12. Obrazy opaski wykonane przy różnych nastawach przesłony............................................................. 20

Rys. II.13. Przyczyna powstawania zależności pola widzenia od długości ogniskowej. ...................................... 20

Rys. II.14. Zakres pola widzenia (w stopniach) w zależności od długości ogniskowej (długość ogniskowej w

milimetrach). ............................................................................................................................................... 21

Rys. II.15. Efekt działania głębi ostrości. ............................................................................................................. 21

Rys. II.16. Błędy związane ze złym ustawieniem głębi ostrości........................................................................... 22

Rys. II.17. Obraz opaski małej rozdzielczości – 320x240 pikseli........................................................................ 25

Rys. II.18. Obraz opaski średniej rozdzielczości – 640x480 pikseli. .................................................................... 25

Rys. II.19. Obraz opaski wysokiej rozdzielczości – 1024x768 pikseli. ................................................................ 26

Rys. II.20. Obraz opaski wysokiej rozdzielczości - 2592x1944 pikseli. ............................................................... 27

Rys. II.21. Bieg promieni światła od źródła światła do kamery............................................................................ 27

Rys. II.22. Konfiguracja systemu bez dodatkowych źródeł oświetlenia. .............................................................. 29

Rys. II.23. Obraz opaski: oryginalny (A.); po progowaniu (B.)............................................................................ 29

Rys. II.24. Obraz opaski: oryginalne (A.); po progowaniu (B.)........................................................................... 30

Rys. II.25. Obraz opaski po progowaniu – zmniejszony poziom progowania. ..................................................... 30

Rys. II.26. Konfiguracja systemu z jednym punktowym źródłem światła – 1x0 o ................................................. 31

Rys. II.27. Obraz opaski: oryginalny (A.); po progowaniu (B.)............................................................................ 31

Rys. II.28. Konfiguracja systemu z dwoma punktowymi źródłami światła ustawionymi pod kątem 45 o ............. 32

Rys. II.29. Obraz opaski: oryginalny (A.); po progowaniu (B.)............................................................................ 32

Rys. II.30. Konfiguracja systemu z dwoma punktowymi źródłami światła ustawionymi pod kątem 90 o ............. 33

Rys. II.31. Obraz opaski: oryginalny (A.); po progowaniu (B.)............................................................................ 33

Rys. II.32. Konfiguracja systemu z dwoma punktowymi źródłami światła ustawionymi pod kątem 135 o ........... 34

Rys. II.33. Obraz opaski: oryginalny (A.); po progowaniu (B.)............................................................................ 34

Rys. II.34. Konfiguracja systemu z trzema punktowymi źródłami światła........................................................... 35

Rys. II.35. Obraz opaski: oryginalny (A.); po progowaniu (B.)............................................................................ 36

Rys. II.36. Konfiguracji systemu z dwoma punktowymi źródłami światła – 2x0 o . .............................................. 37

Rys. II.37. Obraz opaski: oryginalny (A.); po progowaniu (B.)............................................................................ 37

Rys. II.38. Poprawne ustawienie oświetlenia względem krawędzi opaski............................................................ 37

Rys. II.39. Zniekształcenia spowodowane za dużym natężeniem oświetlenia...................................................... 38

Rys. III.1. Etapy algorytmu wyszukiwania i pomiaru opaski. .............................................................................. 40

Rys. III.2. Przykłady wyszukania opaski na półosi dla różnych progów jasności. ............................................... 41

Rys. III.3. Algorytm wyszukiwania opaski na półosi. .......................................................................................... 42

Rys. III.4. Przykład wyszukania opaski na półosi dla różnych progów jasności. ................................................. 43

Rys. III.5. Wyszukania opaski dla błędnie dobranych obszarów. ......................................................................... 44

Rys. III.6. Przykłady wyszukania krawędzi opaski za pomocą progowania pojedynczego.................................. 45

Rys. III.7. Przykłady wyszukania krawędzi opaski za pomocą progowania podwójnego. ................................... 46

Rys. III.8. Obraz poszarpanych krawędzi opaski. ................................................................................................. 47

Rys. III.9. Schemat wyliczania średniej z linii obrazu. ......................................................................................... 49

Rys. III.10. Podział odległości opaski................................................................................................................... 49

System wizyjnej kontroli na stanowisku montażowym półosi samochodowych

Rys. III.11. Algorytm klasyfikacji opaski metodą dokładnego pomiaru............................................................... 50

Rys. III.12. Algorytm klasyfikacji opaski metodą porównawczą. ........................................................................ 51

Rys. IV.1. Stanowisko próbne............................................................................................................................... 52

Rys. IV.2. Obrazy półosi wykonane na stanowisku próbnym dla dwóch źródeł światła ustawionych pod różnymi

kątami. ......................................................................................................................................................... 53

Rys. IV.3. Kamera wykorzystana do budowy stanowiska pomiarowego. ............................................................ 54

Rys. IV.4. Lampa (A.) i sposób mocowania półosi (B.). ...................................................................................... 54

Rys. IV.5. Stanowisko pomiarowego z źródłami światła ustawiony pod kątem 135 o ........................................... 55

Rys. IV.6. Obrazy półosi wykonane na stanowisku 2x135 o przy różnej jasności źródeł światła.......................... 55

Rys. IV.7. Obrazy półosi wykonane na stanowisku pomiarowym dla dwóch źródeł światła ustawionych pod

różnymi kątami. ........................................................................................................................................... 56

Rys. IV.8. Stanowisko pomiarowe z źródłami światła ustawiony pod kątem 90 o . ............................................... 56

Rys. IV.9. Obrazy półosi wykonane na stanowisku 2x90 o przy różnej jasności źródeł światła............................ 57

Rys. IV.10. Stanowisko pomiarowe 2x90 o z dodatkowym źródłem światła. ........................................................ 58

Rys. IV.11. Obrazy półosi wykonane na zmodyfikowanym stanowisku 2x90 o przy różnej jasności źródeł światła.

..................................................................................................................................................................... 58

Rys. IV.12. Etapy działania algorytmu pomiarowego na stanowisku 2x90 o z dodatkowym oświetleniem. ........ 59

Rys. IV.13. Wyniki kolejnych pomiarów średnicy opaski.................................................................................... 60

Rys. IV.14. Stanowisko pomiarowe 2x0 o .............................................................................................................. 61

Rys. IV.15. Obrazy półosi wykonane na stanowisku 2x0 o przy różnej jasności źródeł światła............................ 61

Rys. IV.16. Obrazy półosi w negatywie wykonane na stanowisku 2x0 o przy różnej jasności źródeł światła...... 62

Rys. IV.17. Etapy działania algorytmu pomiarowego na stanowisku 2x0 o – odczyt obrazów w formie negatywu.

..................................................................................................................................................................... 63

Rys. IV.18. Wyniki kolejnych pomiarów średnicy opaski.................................................................................... 64

Rys. IV.19. Wyniki kolejnych pomiarów średnicy opaski - wyniki skrajne zostały odrzucone.. ......................... 64

Rys. IV.20. Odchylenie się półosi od pionu.......................................................................................................... 65

Rys. IV.21. Efekt zmiany średnicy opaski przy odchyleniu półosi od pionu prostopadle do osi kamery............. 65

Rys. IV.22. Sposób wyprowadzenia zależności na rzeczywistą średnicę opaski w zależności od kąta odchylenia

półosi od pionu. ........................................................................................................................................... 66

Rys. A.1. Budowa matrycy CCD złożonej z prostokątnych komórek (A.) i z ośmiokątnych komórek (B.). ...... 69

Rys. A.2. Matryce CCD z filtrami kolorowymi. ................................................................................................... 70

Rys. A.3. Przetwornik obrazowy idealny (A.) i rzeczywisty (B.). ........................................................................ 71

Rys. A.4. Efekt bloomingu przy zbyt dużym natężeniu światła dla różnych jasności światła.. ............................ 72

Rys. A.5. Charakterystyka czułości na światło oka ludzkiego dzień (kolor pomarańczowy) i w nocy (kolor

czarny) oraz przetwornika CCD (kolor zielony). ....................................................................................... 73

Rys. B.1. Zasada progowania pojedynczego obrazu dla trzech różnych progów. ................................................ 74

Rys. B.2. Efekt progowania pojedynczego dla różnych ustawień progu. ............................................................. 75

Rys. B.3. Zasada progowania podwójnego obrazu. .............................................................................................. 76

Rys. B.4. Efekt progowania podwójnego dla różnych ustawień progów. ............................................................. 77

Rys. C.1. Okno programu: Progowanie. ............................................................................................................... 78

Rys. C.2. Okno programu: Wyszukaj_opaske_1. ................................................................................................. 79

Rys. C.3. Okno programu: Wyszukaj_opaske_2. ................................................................................................. 79

Rys. C.4. Okno programu: Wyszukaj_krawedz_1. ............................................................................................... 80

Rys. C.5. Okno programu: Wyszukaj_krawedz_2. ............................................................................................... 81

Rys. C.6. Okno programu: Pomiar_odleglosci...................................................................................................... 82

Rys. C.7. Okno programu: Kamera....................................................................................................................... 82

Rys. C.8. Okno programu: Stanowisko_pomiarowe. ............................................................................................ 83

System wizyjnej kontroli na stanowisku montażowym półosi samochodowych

W STĘP

Przemysł motoryzacyjny, mimo że istnieje już od dawna, jest dalej jednym z

najbardziej rozwijających się. Co roku wprowadza się w nim mnóstwo nowych technologii.

Dotyczy to zarówno nowoczesnych materiałów jak i nowych rozwiązań z dziedziny

elektroniki. Na tym rynku konkurencja jest ogromna. O klienta walczą ogromne koncerny,

takie jak: szwedzki Volvo , amerykański General Motors , niemiecki Mercedes lub BMW czy

chociażby włoski Fiat , oferujące coraz nowsze, wygodniejsze i coraz bardziej niezawodne

samochody. Aby podnieść standard samochodu, wykorzystywane w jego budowie części

muszą spełniać coraz ostrzejsze kryteria.

Na tym polu walka jest bardzo ostra – każda seria wadliwie wyprodukowanych

elementów może spowodować zmniejszenie się zaufania do danej firmy, a co z tym związane,

zmniejszenie sprzedaży danej marki samochodu. Tego typu błędy przynoszą milionowe

straty. Po zauważeniu wadliwych części w danej partii samochodów, trzeba je wycofać ze

sprzedaży, albo też umożliwić klientom nieodpłatne przeprowadzenie naprawy w firmowym

serwisie lub też wymianę samochodu (w ostatnim czasie było kilka tego typu przypadków,

np.: z Mercedesem A ). Mimo to zaufanie do producentów zostaje w takiej sytuacji

podważone. Wadliwe elementy, szczególnie najważniejszych podzespołów samochodu,

takich jak: układ hamulcowy, poduszki powietrzne, mogą doprowadzić do poważnych

wypadków. Wtedy dany koncern musi się liczyć z procesami i wypłatami odszkodowań.

Konkurencja natychmiast wykorzystuje takie zdarzenia i dana firma musi liczyć się z utratą

części rynku motoryzacyjnego.

W związku z tym, że koncernom zależy na jak największej popularności i opinii, firmy

produkujące dla nich części są pod stałym nadzorem, a dostarczane elementy szczegółowo

badane. Tolerancje wykonania, np. dokładności wymiarów najważniejszych elementów są

liczone w ułamkach milimetrów, a twardość elementów po procesie hartowania może

odbiegać zaledwie o pojedyncze procenty (lub ich ułamki!) od założonej. Dlatego też firmy

produkujące części dla danych koncernów muszą bardzo uważać, aby wszystko

wyprodukować poprawnie – w przypadku, gdy kilka z dostarczonych elementów do danego

koncernu jest wadliwych, cała partia może zostać cofnięta do producenta. Oznacza to straty,

podważenie opinii producenta, co na tym rynku prowadzi niejednokrotnie do bankructwa.

Co może powodować takie błędy? Linie produkcyjne części samochodowych są

zwykle wysoce zautomatyzowane, a człowiek pełni funkcje nadzorcze. Ewentualnie czasem

wykonuje prace, których nie daje się zastąpić tańszym automatem. Ale nawet w takim

przypadku jego rola ogranicza się do nakładania w odpowiedniej kolejności kilku elementów,

przestawienie elementu z jednej celi 1 na stanowisku montażowym do drugiej, czy też

wkładanie w odpowiednie miejsca podajników smaru – natomiast centrowanie elementów,

zaciskanie czy też dokładnie ustawianie elementów przeprowadzają odpowiednie automaty (a

czasem i roboty). Jednak nawet przy tak dużej automatyzacji zdarzają się błędy. Jest kilka

przyczyn ich powstawania. Jedną z nich są np. błędne nastawy maszyn – czasem niewielka

pomyłka może spowodować zniekształcenia produktu przekraczające tolerancję. Inną z

przyczyn jest np. zużycie się elementów kształtujących, takich jak: noże do skrawania, formy,

matryce do wyciskania. Są one zrobione z bardzo wytrzymałych materiałów (jak wysokiej

jakości stale narzędziowe), ale nie są wieczne i mają określony czas działania. Wiele

automatycznych maszyn ma czujniki wykrywające zużycie narzędzi, ale i tak błędy się

1 Mianem cela określa się określa się miejsce, w którym przeprowadzany jest jakiś etap montażu, np.: następuje

montaż jakiejś części, smarowanie lub też pomiary elementu – najczęściej stanowisko montażowe składa się z

kilku cel i przez nie musi kolejno przejść dany element do montażu.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: