汽车车身漆膜缺陷自动检测系统

今天小编为大家分享的是关于汽车车身漆膜缺陷自动检测系统的文章，一起来看看吧。

孔 飞， 张 川， 冯日华， 韩俊杰

（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）

摘要： 基于计算机视觉的表面缺陷自动检测作为一种快速发展的新型检测技术，具有速度快、效率高等优点，已经成功应用到多个行业。将其应用到汽车车身漆膜缺陷检测领域，可改变现在人工检测耗时过长、一次检出率低等缺陷，同时可以降低人工成本。主要介绍了漆膜缺陷自动检测技术的原理、特点，以及在一些生产线中的应用实例，总结了现状及存在的问题，并对其应用前景做了展望。

关键词： 漆膜缺陷； 自动检测； 计算机视觉；汽车涂装

0   引言

汽车涂装是汽车生产过程中重要的一个环节，主要为汽车提供外观装饰性和长期的防腐蚀性能。常规的汽车涂装过程中，喷涂后的车身需要进行漆膜表面的缺陷检测和修饰。目前，喷涂后车身漆膜检测主要通过人工目视的方法完成，存在耗时过长、效率低下及受人为因素影响等缺点，是制约涂装车身质量的关键因素之一。

随着光电、自动化和计算机图像处理技术的发展，计算机视觉在不同工业部门得到了广泛的应用。比如基于计算机视觉的表面缺陷自动检测技术已经广泛地应用在织物表面、食品表面、钢表面、瓷砖表面以及多晶硅太阳能电池表面检测等领域。近几年，表面缺陷自动检测技术开始在汽车车身漆膜缺陷的检测领域发展，并且已经开始在一些汽车公司测试与应用。与传统的人工检测方法相比，这种漆膜缺陷自动检测技术有速度快、效率高、精度高、检测范围广以及稳定性强等优点。本文主要对漆膜缺陷自动检测技术原理、特点以及在汽车涂装工业中的应用进行介绍和总结。

1   汽车车身漆膜缺陷和人工检查

1.1   汽车面漆喷涂工艺及漆膜构成

随着喷涂技术的发展，汽车面漆喷涂工艺经历了从3C2B传统喷涂工艺、3C1B“湿碰湿”工艺到B1B2免中涂工艺的过程，喷涂材料也由溶剂型逐渐发展到水性，喷涂设备主要使用手工喷枪、往复机、机器人静电旋杯喷涂等。绝大部分的金属底材汽车车身漆膜都可以归纳为图1所示的构成。

1.2   漆膜缺陷种类

漆膜缺陷细分有上百种之多，根据产生的原理和相似性可以大致归纳为以下几类：

1）颗粒、异物等附着导致漆膜表面突起的缺陷；2）表面张力不同而导致的缩孔类缺陷；3）流挂类缺陷；4）针孔；5）气泡；6）沾污、斑点类缺陷；7）颜色缺陷，包括目视色差、发花、遮盖不良等；8）外观不良，包括橘皮、失光等；9）打磨不良导致的缺陷，包括打磨痕、抛光斑等；10）漆膜划伤、磕碰或部分脱落导致的缺陷，包括划痕、磕伤和漆膜脱落等缺陷。

1.3   人工漆膜缺陷检查和修饰

在涂装生产过程中，这些缺陷产生的区域、严重程度各不相同，因此处理方式也相应地有不同的标准。比如某豪华汽车公司规定，在引擎盖表面不允许出现直径超过2 mm的颗粒缺陷，直径在1 ~ 2 mm之间的颗粒不能超过1个，任意100 cm2的范围内直径在1 mm以下的颗粒不能超过2个，否则就判定为不合格，需要进行打磨抛光等修饰处理。

常规的漆膜缺陷寻找、判定以及标记等都是由人工完成，在喷涂线之后设置面漆检查线。根据检查区域设置高度不同的工位，需要配置不同角度的光源和检查人员等，因此常规的人工检查线不仅空间占据过大而且需要过多的人员配置。

2   漆膜缺陷自动检测系统原理及结构

计算机视觉是将图像处理、计算机图形学、模式识别、计算机技术、人工智能等众多学科高度集成和有机结合而形成的一门综合性技术。一般地说，计算机视觉是研究计算机或其他处理器模拟生物宏观视觉功能的科学和技术，也就是用机器代替人眼来做测量和判断。基于计算机视觉的表面缺陷检测技术已经广泛地应用在视觉检测各个领域中，它是确保自动化生产中产品质量的一个非常重要的环节。

2.1   表面缺陷自动检测技术

表面缺陷视觉检测系统由照明系统、图像获取系统、图像处理系统及结果输出等模块组成。其基本原理为：在特定光源照射下，CCD相机获得检测区域清晰图片，然后将图片传送给图像处理单元，图像处理单元通过使用一系列算法对图片进行处理，获得缺陷3D或2D特征，通过与数据库比对之后，获得缺陷位置、分类、尺寸等信息，最后将数据进行输出。

2.2   漆膜缺陷自动检测系统构成

汽车车身长度一般在3.6 ~ 5.2 m，宽度在1.5 ~ 2.0 m，而且车身曲面多，结构比较复杂。为了能将车身外表所有区域都覆盖到，需要增加光源和相机数量或者将光源和相机安装在机器人等可移动设备上，目前研究和应用较多的主要有以下2种结构：

1）将光源和CCD相机安装到包围车身的钢结构框架上，通过增加光源和CCD相机数量的方式覆盖整个车身。这种结构的优点是结构简单，调试时只需要调整相机角度，耗时短。缺点是柔性低，不同的车型外形有较大差异时不能通用。

2）将光源和CCD相机集成到布置在车身两侧的

机器人手臂上，使用2台以上的机器人，可以增加行走轨道扩大检测区域。此结构优点是机器人相对灵活，对车身外表任何区域都可以进行拍摄，柔性高，不同车型可混线检测。缺点就是系统结构复杂，检测一台车的时间相对第一种结构要长。

3   漆膜缺陷自动检测系统应用实例

汽车漆膜缺陷自动检测系统目前已经在几个汽车公司中开始测试和使用，主要是欧美和日本等汽车技术发达的地区。国内还没有生产中应用的实例。

3.1   美国福特汽车公司

2013年福特汽车在全世界的3个工厂涂装线上使用了福特自己开发的漆膜3D缺陷检测系统。

福特的3D缺陷检测系统安装了JAI公司生产的16个高分辨率CCD相机，通过计算机系统控制，在15 s内为每台车拍摄3 000多张图像。然后将这些图像创建成一个三维车身模型。三维成像系统使用不同程度和角度的光线用来检查喷涂后的车身表面，识别直径比盐粒还要小的颗粒和其他漆膜缺陷。福特公司的统计数据说明这套系统能改善82%的车身喷涂质量和客户满意度。

3.2   德国宝马汽车公司

2007年宝马与Micro-Epsilon公司和Passau University合作，在宝马Dingolfing工厂对reflectCONTROL漆膜缺陷检测系统进行了研究和应用测试。

reflectCONTROL系统安装在一条产能在40 ~ 60 JPH的涂装生产线上，用来检测最小直径0.3 mm的缺陷。4台机器人并联使用，每台机器人都安装了1个大尺寸的显示器和4台200万像素的相机，每台相机在一个检测位置会拍摄8张图像，单个检测位置的耗时少于1 s。在60 s的节拍时间内，可以完成30个位置的检测，而且所有缺陷的检出率都在98%或更高。

3.3   德国梅赛德斯-奔驰汽车公司

奔驰2007年在Rastatt的工厂使用ISRA VISION公司的Car Paint Vision系统对A级和B级车的漆膜外表面进行缺陷检测测试。

Car Paint Vision系统包括2个侧面机器人和1个水平面机器人，每个机器人各安装一个拍摄和照明单元，通过移动来覆盖整个车身外表面。对缺陷进行五重图像采集，通过使用多重扫描缺陷融合技术获得最佳并且始终如一的缺陷识别率。图像采集按照每经过30 mm采集1次的顺序进行，因此每一个序列创建一张主图像和4张二级图像并且记录一个缺陷的位置。这个系统能保证高于99.5%的缺陷识别率和低于5%的错误率。识别缺陷的最小尺寸为0.3 mm，使用4个传感器时检测一台车的时间约为60 s。

3.4   日产汽车公司

与人工检测相比，日产开发的Surface-Defect Detector表面缺陷检测系统极大地改善了缺陷的检出率。该系统使用一个条纹状排列的LED光源和CCD相机，安装在机械臂的末端腕部轴上。

日产的表面缺陷检测系统提供的缺陷检测精度很高，0.3 mm的缺陷检出率接近100%，可检测的缺陷最小尺寸约0.1 mm，车身外表面可检测的区域达到98%。

4   漆膜缺陷自动检测系统特点

通过对上述几个漆膜缺陷自动检测系统在生产线上的应用介绍，可总结出以下特点。

4.1   缺陷识别精度高

对车身缺陷识别的最低尺寸能达到或低于0.3 mm，而人工在线检测很难识别出0.3 mm及以下的微小缺陷。

4.2   缺陷检出率高

根据某公司使用漆膜缺陷自动检测系统在生产线测试结果表明，相对于人工检查的方式，使用漆膜缺陷自动检测系统能大幅提高缺陷的检出率。

而且针对不同颜色的漆膜，自动检测设备受影响较人工要小，通过不同颜色的漆膜自动检测和人工检测的检出率对比，可以发现自动检测受颜色影响较小，而人工检测时波动较大，尤其是浅色漆膜表面缺陷检出率较低。

4.3   检测效率高

与人工检测漆膜缺陷相比，自动检测效率高。使用第一种结构的漆膜缺陷自动检测系统，产能最高可达到60 JPH，能够节省大量的人工和缩短生产线长度。使用第二种结构时，通过配置不同数量的机器人可以达到不同的产能需求。某公司通过在生产线上配置不同数量机器人测试所能达到的最大产能，测试结果表明1台机器人可以完成2 ~ 4个工人的工作量。

4.4   外部环境要求

由于漆膜缺陷自动检测技术的原理是依靠可见光反射进行分析和判定缺陷的，如某公司漆膜缺陷检测系统对影响反射效果的漆膜光泽度和环境光强度有以下要求：漆膜光泽度（60°）＞60%；环境光照强度＜150 lx。

5   结语

通过在涂装生产线上的测试与使用，说明计算机视觉系统可成功应用在车身漆膜缺陷检测领域，并且与人工检测相比，此系统的应用极大地提高了生产效率和改善了喷涂质量。随着技术的不断完善和发展创新，可以预计基于计算机视觉的漆膜缺陷自动检测技术在汽车涂装行业将会得到越来越广泛的应用。