蘇彩紅，詹寧宙，林梅金

SU Cai-hong1,ZHAN Ning-zhou2,LIN Mei-jin1

（1. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化系，佛山 528000；2. 精視自動(dòng)化有限公司，佛山 528000）

0 引言

氣彈簧(gas spring)是一種可以起支撐、緩沖、制動(dòng)、高度調(diào)節(jié)及角度調(diào)節(jié)等功能的配件，托車(chē)其他電器電子設(shè)備直接或間接的唯一電能來(lái)它在醫(yī)療設(shè)備、汽車(chē)、家具、紡織設(shè)備及加工行業(yè)等領(lǐng)域都得到了廣泛地應(yīng)用。高質(zhì)量的氣彈簧產(chǎn)品應(yīng)具有良好的密封性(不滴漏)、內(nèi)阻小(壓縮力小)且有足夠的回彈力、適宜的回彈速度及足夠的鎖緊力等。因此對(duì)其彈簧質(zhì)量要求很高，必須符合中華人民共和國(guó)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC / T207-1996。

氣彈簧活塞桿尺寸檢測(cè)目前都采用傳統(tǒng)“冶具式”測(cè)量，同一種型號(hào)的氣彈簧尺寸檢測(cè)需要約10套夾具進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量速度是30秒/件，采用分度值小于或等于0.02mm的專用或通用量具來(lái)檢驗(yàn)尺寸。該方法只能一次同時(shí)檢測(cè)1～2個(gè)參數(shù)，效率低。并且冶具與產(chǎn)品間存在間隙，產(chǎn)生較大誤差。當(dāng)測(cè)量不同尺寸類(lèi)型的氣彈簧活塞桿時(shí)，需要設(shè)計(jì)出不同的夾具去測(cè)量。同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工檢查產(chǎn)品效率低且精度不高，容易誤檢漏檢情況。針對(duì)以上問(wèn)題，我們結(jié)合氣彈簧桿所檢測(cè)的參數(shù)多、尺寸大的特點(diǎn)，研發(fā)了基于雙視覺(jué)傳感器的氣彈簧桿檢測(cè)系統(tǒng)[1～3]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

氣彈簧桿檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣彈簧檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)主要由圖像采集設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制單元、PC機(jī)以及上位機(jī)圖像測(cè)量軟件構(gòu)成。圖像采集設(shè)備由光源、工業(yè)數(shù)字?jǐn)z相機(jī)和光學(xué)鏡頭構(gòu)成。兩臺(tái)工業(yè)數(shù)字?jǐn)z相機(jī)及鏡頭由支架固定在載物臺(tái)上方，用于對(duì)被測(cè)對(duì)象的圖像采集。工業(yè)數(shù)字相機(jī)通過(guò)USB2.0接口與PC機(jī)相連，將采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)處理。運(yùn)動(dòng)控制單元由PLC、步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由入料裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)定位裝置和氣動(dòng)分料裝置組成。PLC接收PC的控制命令，然后輸出位置進(jìn)料信號(hào)、運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)和結(jié)果分選信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)入料裝置、轉(zhuǎn)盤(pán)定位裝置和氣動(dòng)粉料裝置。

2 圖像采集系統(tǒng)主要硬件選擇 [4]

2.1 相機(jī)及鏡頭選擇

氣彈簧桿的特點(diǎn)是表面光滑，尺寸長(zhǎng)（120mm～400mm）、螺紋圖像倒角多，而且除了總長(zhǎng)參數(shù)外，其余參數(shù)分別位于氣彈簧桿的兩端?？紤]圖像傳感器自身噪聲因素及相機(jī)鏡頭畸變等因素，而且單個(gè)視覺(jué)傳感器測(cè)量范圍較小，誤差大，不能滿足大尺寸測(cè)量精度要求，選用了兩臺(tái)DMK 23G445映美精工業(yè)數(shù)字相機(jī)，同時(shí)配合大恒GCO-231206雙遠(yuǎn)心鏡頭實(shí)現(xiàn)氣彈簧桿長(zhǎng)度尺寸測(cè)量，兩個(gè)相機(jī)分別檢測(cè)螺紋端和鉚端的相關(guān)尺寸和部分總長(zhǎng)，再通過(guò)全局標(biāo)定得到氣彈簧桿的總長(zhǎng)尺寸。GCO-23遠(yuǎn)心成像鏡頭在物面、像面略不垂直于光軸或稍有離焦的情況下仍可保證恒定的透視測(cè)量及恒定的放大倍數(shù)。此外，它具有較長(zhǎng)的焦深，在景深范圍內(nèi)物像倍率不變，垂直成像時(shí)，無(wú)投影現(xiàn)象。

2.2 光源選擇

由于氣彈簧桿表面光滑，為了避免使用正面照明造成的反射，突出其邊緣，得到清晰的輪廓圖像以達(dá)到測(cè)量的要求,需要使用平行背光源。遠(yuǎn)心鏡頭要求配合平行光源使用，而且平行光源的角度需精確定位,使其光線與遠(yuǎn)心鏡頭光軸平行。本設(shè)計(jì)我們選用白色LED平行背光照明配合遠(yuǎn)心鏡頭，所得的被測(cè)物體輪廓圖像非常清楚銳利，不會(huì)出現(xiàn)透射變形。

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想及流程

本系統(tǒng)檢測(cè)軟件是在LabVIEW平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的，采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由用戶界面模塊、系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊、圖像采集模塊、圖像分析處理與檢測(cè)模塊、SPC質(zhì)量分析模塊以及顯示模塊組成。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。程序運(yùn)行后，首先進(jìn)行自檢，檢測(cè)圖像采集卡的工作狀態(tài)以及與計(jì)算機(jī)的連接狀態(tài)。然后發(fā)出產(chǎn)品進(jìn)料信號(hào)并進(jìn)入等待檢測(cè)狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)計(jì)算機(jī)的相關(guān)信息顯示提示檢驗(yàn)人員操作的信息。當(dāng)接受到夾具到位的觸發(fā)信號(hào)后，圖像采集卡開(kāi)始采集圖像。圖像處理軟件對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行預(yù)處理、邊界提取和尺寸測(cè)量等運(yùn)算，根據(jù)預(yù)設(shè)的尺寸偏差和形位公差，判斷產(chǎn)品是否合格并顯示出測(cè)量值和判斷結(jié)果，同時(shí)保存相關(guān)的數(shù)據(jù)與圖片以備查詢和進(jìn)行質(zhì)量分析。PLC根據(jù)分選結(jié)果發(fā)出信號(hào)給氣動(dòng)分料裝置完成分類(lèi)檢測(cè)。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 氣彈簧桿的視覺(jué)檢測(cè)

基于LabVIEW的檢測(cè)主程序圖如圖3所示。

本項(xiàng)目采用模板匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)尺寸檢測(cè)，檢測(cè)步驟如下[5,6]：

1）模板匹配，找到被測(cè)對(duì)象。

2）建立坐標(biāo)系。

3）濾波處理。

4）對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)定。

5）進(jìn)行邊緣檢測(cè)并測(cè)量出待測(cè)尺寸。

3.2.1 雙CCD的參數(shù)標(biāo)定[7]

檢測(cè)的氣彈簧桿參數(shù)除了總長(zhǎng)外，其他參數(shù)均分布兩端，所以采用雙CCD檢測(cè)，兩個(gè)CCD分別檢測(cè)螺紋端和鉚端參數(shù)，再通過(guò)全局標(biāo)定得到氣彈簧桿總長(zhǎng)。常用的多傳感器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)統(tǒng)一標(biāo)定方法是 “金規(guī)校準(zhǔn)”，金規(guī)校準(zhǔn)就是在校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)制作一個(gè)和被測(cè)對(duì)象完全一致的標(biāo)準(zhǔn)金規(guī)， 標(biāo)準(zhǔn)金規(guī)上分布著控制點(diǎn),它們對(duì)應(yīng)于被測(cè)車(chē)身上的被測(cè)點(diǎn),控制點(diǎn)在金規(guī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的位置是嚴(yán)格已知的。校準(zhǔn)時(shí),傳感器測(cè)量控制點(diǎn),通過(guò)控制點(diǎn)的位置坐標(biāo)可以得到傳感器局部坐標(biāo)系到金規(guī)基準(zhǔn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。

基于金規(guī)校準(zhǔn)法原理，本設(shè)計(jì)所采用的標(biāo)定方法如圖4所示，把兩個(gè)CCD放在標(biāo)準(zhǔn)圓柱桿的兩端，標(biāo)準(zhǔn)圓柱桿的總長(zhǎng)已知，首先用標(biāo)準(zhǔn)圓柱桿的投影截面（矩形）建立兩個(gè)CCD的坐標(biāo)系，兩個(gè)坐標(biāo)系的中心點(diǎn)（距離）應(yīng)一致。把第二個(gè)CCD坐標(biāo)系相對(duì)第一個(gè)CCD坐標(biāo)系平移，可以得到相對(duì)第一個(gè)坐標(biāo)系的值。完成鏡頭的校正，生成坐標(biāo)后，再進(jìn)行產(chǎn)品的檢測(cè)。

圖4 雙視覺(jué)傳感器參數(shù)標(biāo)定

3.2.2 邊緣提取

被測(cè)參數(shù)的計(jì)算是通過(guò)所提取的邊緣圖像進(jìn)行的,邊緣檢測(cè)可以精確地定位物體邊緣的位置以及部件的“卡尺”測(cè)量，因此，測(cè)量精度依賴于邊緣檢測(cè)的精度。由于Canny算子具有邊緣檢測(cè)方法所需的優(yōu)良特性：好的信噪比；高的定位性能；對(duì)單一邊緣僅有唯一響應(yīng)。因此本文采用Canny邊緣檢測(cè)算子。

在IMAQ Vision中，邊緣點(diǎn)檢測(cè)有兩種方法：簡(jiǎn)單邊緣檢測(cè)與高級(jí)邊緣檢測(cè)。它們都是沿著一維像素分布圖計(jì)算每個(gè)像素的灰度值，當(dāng)前后兩個(gè)像素的灰度值之差大于所設(shè)定最小邊緣強(qiáng)度值時(shí)，就以該點(diǎn)作為邊緣點(diǎn)。最小邊緣強(qiáng)度值由對(duì)比度值表示。簡(jiǎn)單邊緣檢測(cè)只適用于噪聲很小并且對(duì)象與背景之間有明顯的劃分界限的場(chǎng)合。本設(shè)計(jì)采用高級(jí)邊緣點(diǎn)檢測(cè)的方法，過(guò)程如圖5所示。

圖5 高級(jí)邊緣點(diǎn)檢測(cè)示意圖

步驟如下：

設(shè)置檢測(cè)區(qū)域之后，使用邊緣檢測(cè)來(lái)定位測(cè)量點(diǎn)。使用IMAQ Find Edge 和IMAQ Find Straight Edges 模塊基于矩形搜索區(qū)域查找邊緣，IMAQ Find Edge 和 IMAQ Find Concentric Edge 模塊查找物體邊緣和一組搜索區(qū)域中的搜索線之間的交叉點(diǎn)。檢測(cè)模塊基于他們對(duì)比度、寬度和傾斜度來(lái)確定交叉點(diǎn)。軟件計(jì)算出緊貼外緣的最適合的線。檢測(cè)模塊返回所找到的邊的坐標(biāo)。

邊緣檢測(cè)時(shí)需進(jìn)行以下設(shè)置：

1)搜索區(qū)域。本系統(tǒng)所要檢測(cè)的物體邊緣都是直的，故選用長(zhǎng)方形的搜索區(qū)域。

2)對(duì)比度(Cotrast)。定義背景和邊緣之間灰度值的最小差值。為了尋找邊界點(diǎn)，軟件會(huì)沿著搜索線進(jìn)逐行像素掃描，找出每一個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)度值，如果前后兩點(diǎn)的差值高于規(guī)定的對(duì)比度，則將此點(diǎn)存儲(chǔ)以便進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

3)濾波寬度(Filter Width)。定義邊緣點(diǎn)在沿搜索線方向前后相鄰的用于數(shù)值均化的像素的數(shù)目。當(dāng)圖像噪聲較大時(shí)，這個(gè)值需要設(shè)置大些。

4)陡峭度(Steepness)。反映了邊緣輪廓上的期望的轉(zhuǎn)換區(qū)域的大小，即邊緣灰度變化的快慢程度。對(duì)于較平緩的邊緣應(yīng)選擇較大的陡峭度。

5)搜索線間距。定義搜索區(qū)域內(nèi)每?jī)蓷l搜索線之間的間隔距離。數(shù)值越小，搜索線越多。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

為驗(yàn)證方案性能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試分析，尺寸測(cè)量所設(shè)置的參數(shù)為：對(duì)比度(Cotrast)為60；濾波寬度(Filter Width)為 4；陡峭度(Steepness)為2；搜索線間距為1。氣彈簧桿螺紋端和鉚端檢測(cè)界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)檢測(cè)界面

表1是氣彈簧桿的10個(gè)被測(cè)參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果，其中（相對(duì)坐標(biāo)）的像素值是經(jīng)過(guò)雙CCD標(biāo)定后的結(jié)果。

表1 氣彈簧桿測(cè)量結(jié)果比較

該系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量10個(gè)參數(shù)，檢測(cè)速度為1秒/件，檢測(cè)精度達(dá)0.01mm，所研制的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)氣彈簧活塞桿的特點(diǎn)和檢測(cè)要求，對(duì)基于雙視覺(jué)傳感器的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成及各部分方案的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，通過(guò)合理配置消除了圖像出現(xiàn)透射變形現(xiàn)象。所研制的活塞桿視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備同時(shí)檢測(cè)10個(gè)參數(shù)，極大地提高了生產(chǎn)效率，測(cè)試分析表明了該系統(tǒng)測(cè)量范圍大、速度快和精度高，滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)要求，該系統(tǒng)目前已投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

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