何用輝

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福建福州 350003)

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基于機(jī)器視覺的金屬拉鏈缺陷檢測(cè)研究

何用輝

(福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福建福州 350003)

[摘要]為了提高金屬拉鏈的檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)效率，可將機(jī)器視覺技術(shù)引入到金屬拉鏈缺陷檢測(cè)系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)金屬拉鏈缺陷的快速和自動(dòng)識(shí)別。本文首先設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺技術(shù)的金屬拉鏈缺陷檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，確定了系統(tǒng)的硬件組成；其次設(shè)計(jì)了拉鏈產(chǎn)品圖像的采集和處理流程，研究灰度化處理、去噪處理以及二值化處理的算法；最后進(jìn)行金屬拉鏈缺陷檢測(cè)的試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的缺陷檢測(cè)精度，具有較好的應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]金屬拉鏈；缺陷檢測(cè)；機(jī)器視覺

目前，拉鏈產(chǎn)品的成品外觀質(zhì)量特別是拉頭質(zhì)量檢測(cè)一般采用人工方法，由大量的生產(chǎn)線工人通過視覺和主觀印象進(jìn)行判斷。一方面，隨著國內(nèi)勞動(dòng)成本的不斷上升，作為勞動(dòng)密集型的拉鏈制造產(chǎn)業(yè)不能依靠低勞動(dòng)成本的優(yōu)勢(shì)繼續(xù)發(fā)展；另一方面，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，長時(shí)間工作易造成檢測(cè)工人的疲勞，人為因素直接影響了產(chǎn)品檢驗(yàn)的可靠性，檢測(cè)效率低，容易導(dǎo)致瑕疵產(chǎn)品的漏判和錯(cuò)判，不能有效保證產(chǎn)品的品質(zhì)，制約了拉鏈行業(yè)的健康快速發(fā)展。改進(jìn)生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的升級(jí)，提高拉鏈的生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，成為行業(yè)發(fā)展的迫切需要[1]。

為了嚴(yán)格控制金屬拉鏈產(chǎn)品的次品率，需要在拉鏈生產(chǎn)過程中對(duì)拉鏈產(chǎn)品進(jìn)行外觀質(zhì)量檢測(cè)，剔除存在任何缺陷的產(chǎn)品，保證出廠產(chǎn)品的質(zhì)量。而傳統(tǒng)人工視覺檢測(cè)存在檢測(cè)速度慢、誤檢率高等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的要求。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，基于數(shù)字圖像處理的檢測(cè)技術(shù)因其具有穩(wěn)定性強(qiáng)、運(yùn)行效率高和精度高等優(yōu)點(diǎn)，能大幅度提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)過程的柔性和自動(dòng)化程度，降低生產(chǎn)成本。因此，應(yīng)該采用一種先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行金屬拉鏈的缺陷檢測(cè)，機(jī)器視覺系統(tǒng)的主要功能有檢測(cè)、定位及測(cè)量。機(jī)器視覺系統(tǒng)相對(duì)于人工或傳統(tǒng)機(jī)械方式而言，具有速度快、精度高、準(zhǔn)確性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，機(jī)器視覺被稱為自動(dòng)化的眼睛，在國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究及國防建設(shè)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。采用機(jī)器視覺處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像傳感器實(shí)時(shí)采集金屬拉鏈產(chǎn)品的灰度圖像，并將圖像數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī)中，設(shè)計(jì)圖像濾波器，提取金屬拉頭和限位等部件的特征信息，建立相應(yīng)的外觀質(zhì)量診斷模型，利用該診斷模型對(duì)拉鏈的各個(gè)組成部分進(jìn)行快速、自動(dòng)的檢測(cè)識(shí)別，從而提高檢測(cè)品質(zhì)和生產(chǎn)效率，降低人力勞動(dòng)成本[2]。

1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺的金屬拉鏈外觀質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)開發(fā)由安裝在系統(tǒng)工作平臺(tái)上的視覺檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)視模塊、三菱FX3U-PLC模塊和檢測(cè)平臺(tái)組成。其中視覺檢測(cè)系統(tǒng)與PLC和計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系如圖1所示。

其中單體相機(jī)負(fù)責(zé)拍攝圖片；控制器負(fù)責(zé)單體相機(jī)的拍攝效果和圖片的信息判斷，單體相機(jī)和控制器統(tǒng)稱為機(jī)器視覺系統(tǒng)；RS232電纜是PLC與視覺系統(tǒng)之間的通訊，具有數(shù)據(jù)交換的功能；PLC控制視覺系統(tǒng)進(jìn)行拍照，并對(duì)其他的電器設(shè)備進(jìn)行控制，用來達(dá)到完整的控制要求；計(jì)算機(jī)主要進(jìn)行加工；以太網(wǎng)負(fù)責(zé)視覺系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的通訊[3]。

圖1　金屬拉鏈缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

金屬拉鏈缺陷檢測(cè)試驗(yàn)的機(jī)器視覺系統(tǒng)采用歐姆龍F(tuán)Z4-350智能視覺檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)拉鏈的特性。通過RS232連接到PLC，對(duì)檢測(cè)結(jié)果和檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。歐姆龍智能視覺系統(tǒng)由FZ4-350控制器、FZ-SC彩色攝像機(jī)、白色光源、12英寸液晶顯示器和輸入/輸出電纜等組成。RS232的電氣接口電路采用的是不平衡傳輸方式，其傳送距離最大約為15米，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為20 kb/s。

試驗(yàn)方案的步驟如下：

步驟1傳輸帶開始運(yùn)行，當(dāng)拉鏈達(dá)到傳感器附近，檢測(cè)拉鏈到達(dá)相機(jī)拍攝位置時(shí)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的傳送帶停止；

步驟2相機(jī)開始拍攝并由機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)判斷條件，把所得出的信息傳送給PLC；

步驟3而PLC對(duì)判斷出結(jié)果的拉鏈進(jìn)行后續(xù)的工作行動(dòng)(例如分揀)；

步驟4重復(fù)步驟1。

試驗(yàn)工作原理如圖2所示。

圖2　金屬拉鏈缺陷檢測(cè)試驗(yàn)的工作原理圖

2拉鏈產(chǎn)品圖像的采集和處理

圖像采集和處理的基本流程如圖3所示。通過對(duì)圖像的采集和處理，可以獲得具有清晰大小、形狀和色澤特征的金屬拉鏈的圖像。

圖3　金屬拉鏈圖像的采集和處理流程

圖像灰度化的處理模型為

Gray=0.288R+0.543G+0.125B.

(1)

其中，Gray表示灰度，R表示紅色，G表示綠色，B表示藍(lán)色。

在金屬拉鏈圖像預(yù)處理時(shí)應(yīng)該進(jìn)行圖像去噪處理，將圖像中的干擾信息去除，從而使圖像的質(zhì)量得到提升。針對(duì)金屬拉鏈的特點(diǎn)，采取卷積濾波方法對(duì)其進(jìn)行去噪。已知尺寸為M×N的源圖像f(x,y),卷積模板函數(shù)為g(x,y)，相應(yīng)的去噪模型如下[4]：

(2)

其中，u(x,y)為去噪后的輸出圖像，根據(jù)金屬拉鏈缺陷檢測(cè)的實(shí)際需求，模板函數(shù)的大小選取為7×7。

圖像二值化處理可以把金屬拉鏈圖像全部的元素值轉(zhuǎn)換為0～255之間，已知金屬拉鏈圖像灰度值為1～m級(jí)，在k將其劃分為兩組，分別為C0={1～k}和C1={1+k～m}，兩組的概率分別為ω1和ω2，兩組的平均值分別為μ1和μ2，全部圖像的灰度平均值為μ，相應(yīng)的算法模型如下[5]：

(3)

其中，σ2(k)表示閾值選擇函數(shù)。

通過以上流程可以讀取金屬拉鏈的圖像，如圖4所示。

圖4　金屬拉鏈的讀取圖像

圖5　基于機(jī)器視覺的金屬拉鏈缺陷檢測(cè)流程圖

3金屬拉鏈缺陷檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

利用測(cè)量區(qū)域內(nèi)的色差，檢測(cè)金屬拉鏈的缺陷和臟污。由于采用實(shí)際色彩處理，即使缺陷或臟污的顏色有變化、背景的顏色有變化，也能進(jìn)行穩(wěn)定的檢查。金屬拉鏈缺陷檢測(cè)的流程圖如圖5所示。通過基于機(jī)器視覺金屬拉鏈缺陷檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)，經(jīng)過檢測(cè)后合格的與不合格的金屬拉鏈檢測(cè)結(jié)果圖如圖6所示。

圖6　基于機(jī)器視覺系統(tǒng)的金屬拉鏈缺陷檢測(cè)對(duì)比圖

從圖6可以看出，通過該設(shè)計(jì)的缺陷檢測(cè)系統(tǒng)能夠確定金屬拉鏈存在的缺陷，通過大量的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的缺陷檢測(cè)精度，具有較好的應(yīng)用前景。

4結(jié)語

綜上所述，本文根據(jù)機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)分析，合理選擇圖像傳感器、鏡頭、光源等硬件系統(tǒng)器件，構(gòu)建金屬拉鏈外觀質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)的硬件系統(tǒng)。針對(duì)金屬拉鏈的外觀特點(diǎn)和系統(tǒng)技術(shù)要求，建立金屬拉鏈外觀質(zhì)量檢測(cè)模型，確定自動(dòng)檢測(cè)方案，搭建系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的圖像采集和處理流程，通過金屬拉鏈缺陷檢測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果分析，表明處理算法與控制流程的處理效果和性能。該系統(tǒng)適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)裝備與工業(yè)環(huán)境條件，能實(shí)現(xiàn)金屬拉鏈產(chǎn)品準(zhǔn)確定位，以及減少外界環(huán)境對(duì)機(jī)器視覺檢測(cè)的干擾，具有較好的穩(wěn)定性，有較好的應(yīng)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔡林坊,游高鵬,劉煥軍,等.金屬拉鏈在線視覺缺陷檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)[J].信息系統(tǒng)工程,2014(3):33-35,40.

[2]徐超,張淼.基于脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)金屬拉鏈缺陷檢測(cè)方法的研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013(17):21-24,30.

[3]何金彪,周永霞.基于機(jī)器視覺的罐蓋缺陷檢測(cè)[J].中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2015(3):269-273.

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Research on Metal Zipper Defect Detection Based on Machine Vision

HE Yong-hui

(Department of Mechatronics Engineering, Fujian Polytechnic of Information Technology, Fuzhou Fujian 350003, China)

Abstract:In order to improve quality and efficiency of detecting metal zipper, machine vision technology were introduced to the metal zipper defect detection system to realize metal zipper defects of fast and automatic recognition. First of all, based on the machine vision technology, the metal zipper defect detection test platform is designed, and the hardware composition of the system is determined. Secondly, the process of image acquisition and processing is designed, and the algorithm of gray processing, denoising and two valued processing is studied. Finally, the test of metal zipper defect detection is carried out. The research results show that the detection system has good defect detection accuracy, and it has good application prospects.

Key words:metal zipper; defect inspection; machine vision

[收稿日期]2016-03-04

[基金項(xiàng)目]福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“金屬閉口拉鏈三合一生產(chǎn)工藝研究與自動(dòng)化設(shè)備研制”(2013H0008)；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目“基于機(jī)器視覺的金屬拉鏈外觀質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)研究”(JA14377)。

[作者簡介]何用輝(1979- )，男，副教授，碩士，從事機(jī)電系統(tǒng)辨識(shí)與智能控制研究。

[中圖分類號(hào)]TP391

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]2095-7602(2016)06-0036-04