周振世 于家寧 胡賢星 謝佩軍

（寧波大紅鷹學院，浙江 寧波315175）

塑料齒輪一般具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、成本低等特點，適用于兒童玩具、小型家電、儀器儀表等領(lǐng)域。與普通齒輪相比，塑料齒輪有其特殊性，如剛度普遍偏低，容易變形；種類眾多，增加質(zhì)量檢測難度；產(chǎn)品規(guī)格小，精度要求高等。因此，塑料齒輪的生產(chǎn)質(zhì)量、品質(zhì)檢測、參數(shù)控制等方面都會面臨不少問題。塑料齒輪的生產(chǎn)過程中，由于受到設(shè)計缺陷、模具磨損、冷熱不均等各種因素的多重影響，齒輪可能會出現(xiàn)齒歪、飛邊、缺齒等缺陷。如果設(shè)備、家電、儀表中使用存在缺陷的齒輪，則會引發(fā)設(shè)備故障或安全事故，可見，塑料齒輪的參數(shù)測量、品質(zhì)檢測極其重要?？紤]到專用齒輪檢測設(shè)備價格昂貴，當前，大多數(shù)塑料齒輪生產(chǎn)廠家都采用人工或半人工方式進行檢測，這種方式存在工作強度大、效率低、漏檢率高等不足，難以滿足自動化生產(chǎn)的需要。因此，研發(fā)一套適用于自動化生產(chǎn)線的塑料齒輪缺陷自動檢測系有一定的社會意義與經(jīng)濟效益。

1 系統(tǒng)具體方案

當前計算機視覺技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，工業(yè)領(lǐng)域的視覺檢測系統(tǒng)主要用于品質(zhì)檢測、質(zhì)量控制、產(chǎn)品分類等。視覺在線檢測系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品的品質(zhì)檢測，并將實時檢測數(shù)據(jù)以信號形式傳送到工控機，工控機經(jīng)過計算，發(fā)出控制指令給執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)報警或分類。計算機視覺系統(tǒng)一般由3個主要部分構(gòu)成：圖像采集、圖像處理與分析、指令執(zhí)行。首先，通常由CCD攝像機采集圖像，或根據(jù)顏色參數(shù)、亮度參數(shù)等轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送至圖像系統(tǒng)；然后，圖像系統(tǒng)對傳送過來的信號進行各種處理如二值化、濾波、邊緣檢測等來提取特征；最后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的判定標準進行判斷及執(zhí)行［1］。圖像采集裝置主要包括工業(yè)CCD、各種光源等；圖像處理裝置主要包括針對性的軟件算法；輸出裝置主要包括各種執(zhí)行機構(gòu)和報警裝置等。

本課題研究的檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)由光源及照明裝置、圖像采集裝置及采集卡、工控機及軟件平臺、警報裝置、底座機械平臺等5個主要部分構(gòu)成。

工控機及軟件圖像采集卡機械裝置及底座警報裝置塑料齒輪LED環(huán)形光源系統(tǒng)工作原理如下：本系統(tǒng)可根據(jù)待檢測塑料齒輪的類型，通過機械機構(gòu)調(diào)整鏡頭焦距以達到理想的聚焦效果，確保系統(tǒng)能采集到高質(zhì)量的原始圖像。塑料齒輪進入特定位置時，當光電觸發(fā)器檢測到齒輪立刻觸發(fā)光源系統(tǒng)和高清工業(yè)相機實現(xiàn)圖像的采集，同時與工業(yè)相機配套的圖像采集卡直接將塑料齒輪的原始圖像以信號的形式傳送至工控機。軟件系統(tǒng)對原始圖像進行直方圖均衡化、邊緣保持濾波、二值化等一系列預(yù)處理后，得到特征明顯的齒輪圖像，然后采用有效的檢測方法檢測齒輪參數(shù)或與所存儲的標準理想齒輪進行參數(shù)對比，進而判斷待檢齒輪的參數(shù)是否達標［2］。如果待檢齒輪的參數(shù)不達標，則判定為缺陷齒輪，系統(tǒng)發(fā)出警報信號。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 檢測系統(tǒng)的硬件平臺

檢測系統(tǒng)硬件平臺的構(gòu)建能夠保證將待測齒輪轉(zhuǎn)化成理想的圖像信號，從而為后續(xù)的一系列圖像處理打下良好的基礎(chǔ)，便于實現(xiàn)圖像分析、處理與判定［3］。塑料齒輪品質(zhì)自動檢測系統(tǒng)的硬件平臺主要包括：圖像采集卡、LED環(huán)形光源、工業(yè)相機、工控機和機械平臺等。綜合考慮性價比以及設(shè)備間的兼容性，硬件主要選用維視數(shù)字圖像技術(shù)公司一系列產(chǎn)品以及研華工控機，具體選型及參數(shù)如下:①工業(yè)高清圖像采集卡：型號MV-8002，實時單場/單幀/任意間隔采集，768×576,25/30幀/S，10位A/D圖像采集，提供二次開發(fā)包。②高清工業(yè)相機：型號VS-808H，采用SONY CCD傳感器，600線黑白，1/3″，752×582，0.001Lux，采用DSP數(shù)字信號處理技術(shù)，自動增益控制，防閃爍利用3D數(shù)字降噪系統(tǒng)。③光源：LED環(huán)形光源，型號AFT-RL100，高亮度LED光源，具有亮度可調(diào)、低溫、均衡、無閃爍，產(chǎn)生360度無陰影的照明。④鏡頭：型號MV-M1024，工業(yè)連續(xù)變倍放大鏡頭，放大倍數(shù)為15X-75X，物距可變，光圈可變，焦距可變。⑤工控機：研華工控機IPC-610H。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)與功能分析

本系統(tǒng)的軟件子系統(tǒng)的設(shè)計主要涉及常用的數(shù)字圖像處理技術(shù)對原始齒輪圖像進行預(yù)處理與詳細數(shù)據(jù)分析，圖像處理過程本質(zhì)上就是對原始圖像進行各種變換。如對信息不完全的原始圖像進行圖像增強，對含噪圖像進行濾波、去噪等處理，對模糊圖像采取圖像復(fù)原方法等。此外，圖像處理過程還包括圖像編碼與傳輸、邊緣提取與分割，圖像分析等技術(shù)?？傊瑘D像處理的目的就是優(yōu)化圖像質(zhì)量，努力將原始圖像轉(zhuǎn)換成易于識別與判斷的圖像。

檢測系統(tǒng)相應(yīng)的軟件平臺以圖像采集卡二次開發(fā)包為基礎(chǔ)進行開發(fā)的系統(tǒng)，主要功能包括原始圖像的采集、圖像的系列預(yù)處理、邊緣檢測、目標配準、圖像差影、缺陷判定等?？紤]到外齒與內(nèi)軸孔之間有較大距離，系統(tǒng)一次聚焦難以確保外齒與內(nèi)軸孔的細節(jié)均能被采集到，因此，對齒輪外齒缺陷與內(nèi)軸孔直徑進行分開檢測，并考慮齒輪顏色與底座顏色對比度，調(diào)整光源，以保證采集到的較高質(zhì)量的圖像［4］?；谟嬎銠C視覺的小型齒輪缺陷檢測系統(tǒng)各個組成部分的協(xié)調(diào)運行通過系統(tǒng)總體控制來實現(xiàn)。

本系統(tǒng)的軟件平臺開發(fā)與設(shè)計過程，采用構(gòu)件化軟件開發(fā)方法，以開放式的設(shè)計思路為后續(xù)其他功能擴展及類似缺陷檢測的開發(fā)打下基礎(chǔ)。通過本系統(tǒng)的開發(fā)，完成常用功能構(gòu)件的分析與提取，形成構(gòu)件庫，今后類似的軟件開發(fā)過程中可重用構(gòu)件庫中的相應(yīng)構(gòu)件，以達到快速、高質(zhì)量地開發(fā)軟件的目的。構(gòu)件化軟件開發(fā)也便于后期軟件測試階段進行高效的構(gòu)件化測試。本課題研究的齒輪品質(zhì)自動檢測系統(tǒng)主要是對CCD工業(yè)相機采集的齒輪原始圖像進行處理、分析與判斷，檢測齒輪中心軸孔和齒輪外齒邊緣信息，以此來判斷中心軸孔的尺寸和外齒缺陷［5］。

檢測系統(tǒng)軟件平臺的功能模塊可以分為：圖像采集、圖像處理、通訊管理、數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)管理功能模塊等。各部分的主要功能如下：

3.1系統(tǒng)管理功能模塊：系統(tǒng)所有的各種數(shù)據(jù)均由系統(tǒng)管理模塊進行管理。主要功能包括：系統(tǒng)初始化；支配與管理各種資源，實現(xiàn)排序與優(yōu)化，防止資源的沖突；負責接收各種信號、數(shù)據(jù)，并實時在顯示面板上呈現(xiàn)。

3.2圖像采集功能模塊：實現(xiàn)圖像采集卡的各種設(shè)置，封裝采集卡的多種控制函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)設(shè)置、采集方式選擇等功能，并能方便查看原始圖像。

3.3圖像處理功能模塊：圖像處理模塊具有很強的針對性，根據(jù)齒輪原始圖像的特點制定有效的圖像處理流程，并相應(yīng)優(yōu)化圖像處理算法，主要涉及多種基本操作算法、常用的預(yù)處理算法、改進的邊緣檢測算法等算法。此外，還能與系統(tǒng)管理功能模塊、通訊管理功能實現(xiàn)模塊間的數(shù)據(jù)交互。

3.4數(shù)據(jù)管理功能模塊：實現(xiàn)新增齒輪類型相關(guān)參數(shù)的添加，原有齒輪相應(yīng)參數(shù)的修改、查詢等功能。

3.5通訊管理功能模塊：負責監(jiān)視串口，不停地掃描串口，保證各功能模塊間正常通訊。接收中心軸孔檢測模塊和齒輪外齒檢測模塊的檢測結(jié)果，如果檢測結(jié)果為“不合格”則啟動警報系統(tǒng)。因此，要求通訊模塊的線程總是處于運行當中，一旦通訊出錯就報告給主程序讓系統(tǒng)停止工作。

由上述可知，圖像處理模塊主要包括過程圖像查詢、處理步驟添加、修改等；通訊管理可包括對象查詢、添加、參數(shù)修改等；而數(shù)據(jù)管理部分可包括對齒輪數(shù)據(jù)的查詢、添加、修改等。以上述描述為基礎(chǔ)，缺陷檢測系統(tǒng)的功能模塊圖，如圖3所示。

圖2 檢測系統(tǒng)的軟件功能流程圖

圖3 功能模塊圖

根據(jù)功能與構(gòu)件的映射關(guān)系，可以將各功能模塊中的添加、刪除、修改、統(tǒng)計等功能實現(xiàn)抽象化，可將這種功能封裝為一個操作構(gòu)件，將打印預(yù)覽、相關(guān)參數(shù)設(shè)置等封裝為一個打印構(gòu)件，將統(tǒng)計分析、統(tǒng)計顯示等封裝為一個統(tǒng)計構(gòu)件，以此類推，可以得到功能豐富的構(gòu)件庫。

4 結(jié)論

本課題的研究主要針對小型塑料齒輪的相應(yīng)缺陷特征，采用計算機視覺相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了缺陷的分析與檢測，研制了相應(yīng)的檢測系統(tǒng)。課題主要從以下幾個方面進行了研究：

4.1針對小型塑料齒輪的特殊性及缺陷特征，利用計算機視覺技術(shù)的非接觸性、檢測精度高等特點實現(xiàn)了典型缺陷的檢測，尤其是外齒缺陷的檢測可以達到企業(yè)應(yīng)用要求。

4.2采用構(gòu)件化軟件開發(fā)和測試方法實現(xiàn)系統(tǒng)軟件平臺的開發(fā)，為后期軟件功能的擴展和類似檢測系統(tǒng)研發(fā)時構(gòu)件的復(fù)用打下基礎(chǔ)，提高開發(fā)效率。

4.3分析了系統(tǒng)檢測精度的影響要素，便于后續(xù)研究過程中進一步降低各類因素的影響，以提高檢測精度。

4.4對本系統(tǒng)的硬件及軟件進行相應(yīng)地調(diào)整與改進可作為類似的微小型沖壓產(chǎn)品及小型電子元器件自動化生產(chǎn)線的配套設(shè)備，可以在很大程度上提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。

［1］葉樹亮，張玉德，張煒.齒輪視覺檢測中的尺度與方向相關(guān)性聯(lián)合降噪［J］.光學精密工程，2014（6）:1622-1630.

［2］張懿，杜江，劉藝.基于圖像邊緣提取的最小二乘齒輪尖端檢測［J］.計算機應(yīng)用，2014（S1）:232-233，261.

［3］謝佩軍，計時鳴，程越.基于計算機視覺的晶振帽缺陷自動檢測系統(tǒng)［J］.儀器儀表學報，2008（5）:1079-1083.

［4］謝佩軍.基于互信息與差影法的塑料齒輪缺陷檢測研究［J］.制造業(yè)自動化，2012（23）:40-42+45.

［5］謝啟河，彭東林，陳錫侯，等.基于模塊化思想的齒輪幾何精度檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2014（9）:72-74.