王玉槐，王琦暉，張慧熙，趙鑫權(quán)

(杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江杭州310012)

制造業(yè)是浙江省乃至整個(gè)中國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。目前，制造企業(yè)大多建立了產(chǎn)品零件批量自動生產(chǎn)線，但檢測方式仍主要是傳統(tǒng)的人工抽檢。人工抽檢在保證產(chǎn)品質(zhì)量方面存在瓶頸，工作量巨大，不僅很難完成100%的檢測，而且極易受檢測員及環(huán)境等因素的影響，很難保證檢測的效率與精度。另外，薄片件比較薄，在人工接觸力的作用下，會改變其相對位置，產(chǎn)生變形，影響測量的精度。而且，人工也很難對薄片件的不規(guī)則形狀、孔相對位置及孔徑和角度等做出高精度的檢測。以定時(shí)器極片檢測為例，其上存在一些圓孔、直角、圓弧、不規(guī)則非圓組合曲線、沖壓毛刺缺陷等特征，人工檢測很難精確識別這些尺寸和缺陷特征，直接影響了對極片品質(zhì)的判斷，無法得到滿意的結(jié)果甚至導(dǎo)致嚴(yán)重錯(cuò)誤，直接造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究并開發(fā)在線非接觸式視覺檢測系統(tǒng)具有重要的意義和價(jià)值。

作者研究了極片件的機(jī)器視覺自動檢測關(guān)鍵技術(shù)，并開發(fā)了相應(yīng)的檢測系統(tǒng)。

1 視覺檢測系統(tǒng)

作者開發(fā)的視覺檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 視覺檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由圖像采集子系統(tǒng)、圖像處理和分析子系統(tǒng)和執(zhí)行控制子系統(tǒng)三部分組成。圖像采集子系統(tǒng)包括光源設(shè)置及照明方式、照明箱 (屏蔽罩)、CCD攝像機(jī)、鏡頭和IEEE1394圖像采集卡等;圖像處理和分析子系統(tǒng)由運(yùn)行于工控機(jī)上的圖像檢測軟件系統(tǒng)完成，包括圖像的去噪、二值化、邊界跟蹤、尺寸測量、缺陷識別、數(shù)據(jù)管理及報(bào)警等模塊;執(zhí)行控制子系統(tǒng)包括可編程控制器 (PLC)、輸送帶、接近開關(guān)、電磁閥及氣缸等。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)被檢極片的特點(diǎn)和具體的指標(biāo)要求，該系統(tǒng)采用高度可調(diào)的Costar SI-M310BXCCCD攝像機(jī)及COMPUTAR M1614鏡頭和配套IEEE1394圖像采集卡。

光源和照明方案是機(jī)器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵［1］。通過大量實(shí)驗(yàn)比較，該系統(tǒng)采用背景照明方式高度可調(diào)的陣列式LED燈作光源;KOPPARAPU［2］提出一種決定光源最佳放置位置的解決方案，使得等強(qiáng)度多光源對被測面提供照度均勻的照明。

設(shè)光強(qiáng)為I的單個(gè)獨(dú)立點(diǎn)光源到照射平面的距離為D，則其照度E為:

由E和D2的反比關(guān)系可見，點(diǎn)光源無法為一定距離的平面提供均勻照明。因此，為獲得均勻照明，必須對多個(gè)光強(qiáng)為I的光源排列放置。在圖2所示二維空間中，任一點(diǎn) pjk≡ (θj，φk)的照度可由式(1)求得:

圖2 平面光源分布光照示意圖

根據(jù)照度計(jì)算式 (1)，可以求得均勻照明時(shí)的最佳光源排列位置。

照明箱主要用來提供封閉且照度穩(wěn)定的照明背景［3］。其最小高度尺寸可由式 (2)計(jì)算:

其中:Rmin為含磁環(huán)最大外徑圓區(qū)域的最小半徑;αh和αv分別為水平和垂直可視角。

2.2 圖像處理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

受制造現(xiàn)場客觀因素的影響，直接采集的圖像往往含有較多的噪聲信息。巴特沃斯低通濾波器(BLPF)的通帶與阻帶之間沒有明顯的不連續(xù)性，因此其空域響應(yīng)沒有“振鈴”現(xiàn)象發(fā)生，模糊程度減少［4］。作者首先應(yīng)用BLPF對極片圖像進(jìn)行去噪處理，較大程度上消除了圖像掃描噪聲，同時(shí)保留了主要的細(xì)節(jié)信息。

最大類間方差閾值法是閾值自動選擇的最優(yōu)方法［5］。選擇最大類間方差法計(jì)算最佳閾值，從而分割背景和物體對象。針對文中的256級灰度圖像，設(shè)灰度值為i∈［0，255］的像素個(gè)數(shù)為ni，則總像素?cái)?shù)為:

各灰度像素個(gè)數(shù)的概率為pi=ni/N且

設(shè)閾值T將所有像素分為灰度值為［0，T-1］的C0和［T，255］的C1兩類，其概率分別為:

其中:μ是整幅圖像的平均灰度是閾值為T時(shí)圖像的灰度平均值。

兩類間的方差為:

其中:0表示黑，代表圖像的背景及極片缺陷特征的灰度;1表示白，代表極片端面的灰度。

2.3 特征檢測

采用該系統(tǒng)對極片的直線段長度、圓度、角度等主要尺寸進(jìn)行了測量，對鐵銹、毛刺等缺陷進(jìn)行了識別，實(shí)現(xiàn)了不合格極片的檢測。下面以極片中某一直角的檢測為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。極片生產(chǎn)時(shí)要求有兩個(gè)直角。該直角對極片的質(zhì)量起到了關(guān)鍵作用。采用該系統(tǒng)測量該直角的具體過程包含以下步驟:

(1)在二值化圖像的基礎(chǔ)上，選取待測量角度的區(qū)域。

(2)設(shè)定邊界上任一點(diǎn)作為初始種子點(diǎn)，按8鄰域進(jìn)行邊界跟蹤，找到灰度值為1的所有對象邊界點(diǎn)。為提高后續(xù)檢測精度，可對邊界像素點(diǎn)進(jìn)行亞像素定位。

(3)將邊界點(diǎn)按角度的射線聚類分為兩大類。

(4)對每一類邊界點(diǎn)按最小二乘意義的直線擬合，求得兩條擬合直線方程:

(5)根據(jù)式 (4)可求得斜率為k1的直線到斜率為k2的直線的到角

(6)比較零件實(shí)際角度與計(jì)算角度的誤差，判斷該角度是否合格。

2.4 角度測量實(shí)例

該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)極片多種尺寸及缺陷特征的檢測，下面給出上述介紹的某直角角度測量實(shí)例。采集的原始圖像及二值化圖像分別如圖3和圖4所示。選取待測直角區(qū)域二值化圖像如圖5所示。經(jīng)該系統(tǒng)檢測后，實(shí)際測量角度為89.874°，如圖6所示。圖7為測量結(jié)果的局部放大圖。待測角的頂點(diǎn)直角坐標(biāo)為(823.0，424.8)，亞像素坐標(biāo)為 (424.8，823.0)。測量誤差計(jì)算如下:

圖3 采集原始圖像

圖4 二值化圖像

圖5 選取待測區(qū)域二值化圖

圖6 測量結(jié)果圖

圖7 測量結(jié)果放大圖

3 自動分揀子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

零件的識別和分類是視覺系統(tǒng)最重要的應(yīng)用之一［6］。自動分揀子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)零件分類的具體執(zhí)行模塊，主要完成極片件的傳送、翻面、分類剔除等控制執(zhí)行，由三菱FX2N-32MR PLC(可編程邏輯控制器)及接近開關(guān)、電磁閥、執(zhí)行氣缸等組成。

3.1 工作原理

自動分揀子系統(tǒng)的工作原理如下:(1)PLC控制送料氣缸將定時(shí)器極片傳送至輸送帶。(2)當(dāng)極片到達(dá)檢測工位時(shí)，相應(yīng)的光電觸發(fā)器發(fā)出信號，驅(qū)動CCD攝像機(jī)采集圖像，并實(shí)時(shí)經(jīng)圖像采集卡A/D轉(zhuǎn)換，傳送到工控機(jī)。(3)工控機(jī)程序系統(tǒng)對圖像進(jìn)行去噪、二值化、邊界提取跟蹤等處理，然后提取特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)尺寸及缺陷特征的識別，最后將分析、判斷結(jié)果 (合格Pass/不合格Fail)邏輯信號發(fā)送給PLC。(4)根據(jù)P/F信號，PLC做出相應(yīng)的響應(yīng)。如果是F就驅(qū)動氣缸剔除該極片，否則進(jìn)入下一工序。(5)PLC驅(qū)動翻料氣缸對極片翻轉(zhuǎn)換面，重復(fù)步驟(2)—(4)實(shí)現(xiàn)對極片的另一端面的重復(fù)檢測處理。(6)雙端面都檢測合格的極片，則認(rèn)為是合格的極片零件。

3.2 軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的工作原理及其實(shí)際工作需求，在極片隨傳送帶運(yùn)動過程中，共需經(jīng)過5個(gè)工位。每個(gè)工位需要1個(gè)接近開關(guān)檢測極片的到位，故共需5個(gè)接近開關(guān)。其中，2個(gè)工位需要驅(qū)動剔除氣缸運(yùn)動，1個(gè)工位需要驅(qū)動翻料氣缸運(yùn)動，另外，傳送帶需要控制轉(zhuǎn)動，故共需4個(gè)輸出電磁閥。其PLC硬件接線圖和梯形圖分別如圖8和圖9所示。其中，X11是工作位，用于接收上位機(jī)串口發(fā)來的檢測結(jié)果信號。通過上位機(jī)通信協(xié)議設(shè)置工作位實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對PLC輸出的控制。

圖8 硬件接線圖

圖9 梯形圖

4 結(jié)論

研究并開發(fā)了定時(shí)器極片的尺寸和缺陷特征機(jī)器視覺自動檢測系統(tǒng)。主要介紹了系統(tǒng)的組成、圖像采集及光源和照明方案的設(shè)計(jì)、圖像處理及分析子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、執(zhí)行控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。利用最大類間方差法求解了最優(yōu)閾值，實(shí)現(xiàn)了圖像的二值化;利用三菱FX2N PLC設(shè)計(jì)了控制接線和梯形圖程序，實(shí)現(xiàn)了自動檢測的運(yùn)動執(zhí)行控制。檢測了長度、角度及圓度等尺寸特征和雙面鐵銹等缺陷特征，完成了薄片件的視覺檢測。給出了定時(shí)器極片的角度特征檢測實(shí)例，測量相對誤差為0.14%，絕對誤差為0.126°。

【1】LU Jiping，LITTLE James J.Reflectance and Shape from Images Using a Collinear Light Source［J］.International Journal of Computer Vision，1999，32(3):213-240.

【2】KOPPARAPU S K.Lighting Design for Machine Vision Application［J］.Image and Vision Computing，2006，24(7): 720-726.

【3】YING Yibin，WANG Jianping，JIANG Huanyu.Inspecting Diameter and Defect Area of Fruit with Machine Vision［J］.Transactions of CSAE，2002，18(5):216-220.

【4】章毓晉.圖像處理和分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.

【5】張弘.數(shù)字圖像處理與分析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:116.

【6】GOLNABI H，ASADPOUR A.Design and Application of Industrial Machine Vision Systems［J］.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2007，23(6):630-637.