何正陽(yáng)

（浙江舟山南海實(shí)驗(yàn)高中，浙江舟山316000）

基于機(jī)器視覺的零件規(guī)格自動(dòng)篩選系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何正陽(yáng)

（浙江舟山南海實(shí)驗(yàn)高中，浙江舟山316000）

利用機(jī)器視覺系統(tǒng)采集零件的圖像，通過一系列的圖像處理及測(cè)量算法得到檢測(cè)結(jié)果，并以此為依據(jù)對(duì)外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，達(dá)到零件自動(dòng)分揀的工程需求。實(shí)踐證明該系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)量穩(wěn)定性和重復(fù)性都滿足工程實(shí)際的要求。

機(jī)器視覺；尺寸測(cè)量；圖像處理

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，其磁瓦產(chǎn)品種類多且規(guī)格繁雜，由于工藝等原因，一定程度上會(huì)有一定量的不良品出現(xiàn)[1]，針對(duì)磁瓦外形尺寸測(cè)量和規(guī)格分揀可以借助于機(jī)器視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)分揀。

本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，采用Basler公司Scout系列工業(yè)相機(jī)、工控機(jī)和NI公司LabVIEW軟件組建了一套基于機(jī)器視覺的檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備視覺信號(hào)采集、分析和處理的能力，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同工作的能力，從而實(shí)現(xiàn)零件自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)測(cè)量的功能。

1 檢測(cè)系統(tǒng)的要求和總體方案的設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)的功能要求

工廠生產(chǎn)或裝配中有大量需要辨別的零件型號(hào)，本系統(tǒng)需要識(shí)別的零件類別多達(dá)20種，其中要求識(shí)別速度每個(gè)零件不得超過2 s，尺寸的測(cè)量精度為0.1 mm，準(zhǔn)確率不低于99%，且要求能對(duì)分選出的磁瓦進(jìn)行分類排列[2]。

本在線分揀系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)的硬件由光源、工業(yè)相機(jī)、工控機(jī)、IO卡、工位切換回轉(zhuǎn)臺(tái)等組成；軟件開發(fā)平臺(tái)是NI公司的機(jī)器視覺系列軟件[3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作流程：將待測(cè)零件位于旋轉(zhuǎn)圓盤上勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其達(dá)到置于攝像機(jī)視場(chǎng)中，觸發(fā)對(duì)應(yīng)的傳感器，傳感器信號(hào)觸發(fā)數(shù)字照相機(jī)工作，然后由工業(yè)相機(jī)采集零件圖片并傳送給工控機(jī)，接著利用LabVIEW軟件對(duì)零件圖像進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)識(shí)別和測(cè)量功能，并將對(duì)應(yīng)的邏輯信號(hào)存儲(chǔ)起來，當(dāng)磁瓦通過分揀工位時(shí)，計(jì)算機(jī)通過I/O卡控制機(jī)械平臺(tái)完成分揀功能[4]。

（2）系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用NI公司的LabView軟件作為開發(fā)平臺(tái)，LabView通過TCP/IP、ActiveX等庫(kù)函數(shù)提供了圖形化的編程方式[5]。NI公司的IMAQ Vision模塊可以LabView平臺(tái)上開發(fā)機(jī)器視覺函數(shù)中的所有子函數(shù)，并與Vision Assistant輔助工具的協(xié)同工作，可以大大簡(jiǎn)化視覺系統(tǒng)的開發(fā)周期。NIVision Assistant生成的LabView程序框圖可以方便地集成到測(cè)試系統(tǒng)中，用于數(shù)據(jù)采集和外延設(shè)備的控制等。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要目的是為了識(shí)別零件型號(hào)和測(cè)量零件尺寸，流程圖如圖2所示。在LabView開發(fā)的軟件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流向采用從左到右自上而下的形式，系統(tǒng)初始化后首先讀取IMAQ自帶的配置文件，工業(yè)相機(jī)的配置數(shù)據(jù)被讀取，然后進(jìn)入圖像采集環(huán)節(jié)采集零件圖像信息；接著圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入到識(shí)別和測(cè)量功能的圖像預(yù)處理模塊，經(jīng)過軟件的分析與處理后，圖像傳輸?shù)侥０迤ヅ浜统叽鐪y(cè)量的模塊，最后根據(jù)處理程序的結(jié)果進(jìn)行輸出和外延設(shè)備的控制[6]。

圖2 工作流程圖

為了提高工作效率，本系統(tǒng)要求測(cè)量時(shí)不需要對(duì)工件進(jìn)行精確的裝夾定位，但同時(shí)要實(shí)現(xiàn)一定精度要求的尺寸測(cè)量，即采集圖像時(shí)工件的形態(tài)是不固定的，因此需要在圖像采集后，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，使圖像的坐標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定[7]。在整個(gè)測(cè)量過程不需要裝夾定位，這樣可以使夾具制作、測(cè)量工藝得到了簡(jiǎn)化，同時(shí)減少對(duì)零件的磨損等。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以某種型號(hào)的磁瓦為例說明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，該型號(hào)磁瓦的結(jié)構(gòu)示意圖及關(guān)鍵尺寸如圖3所示。磁瓦外形為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)30 mm，寬20 mm，高16 mm，中心有一個(gè)直徑為φ14 mm的圓柱體，該圓柱體與直徑為φ26mm的圓柱面構(gòu)成一個(gè)槽。由于磁瓦結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，在燒制過程中，受熱應(yīng)力的作用，磁瓦兩側(cè)容易發(fā)生內(nèi)俯或外仰變形。主要體現(xiàn)在長(zhǎng)度尺寸30mm、槽寬尺寸20 mm及圓柱直徑φ26 mm等尺寸的誤差較大，該系統(tǒng)主要針對(duì)上述尺寸進(jìn)行測(cè)量。如圖4所示。

圖3 圖像處理流程圖

圖4 磁瓦結(jié)構(gòu)圖

第一步：圖像二值化處理

軟件首先將零件圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)的預(yù)處理，得到一組的明暗區(qū)分度更加明顯的圖像。為了消除這些圖像中的干擾像素點(diǎn)，采用了中值濾波技術(shù)。接著對(duì)圖像進(jìn)行整體閾值二值化處理，對(duì)二值化圖像再進(jìn)行濾波處理去掉噪聲點(diǎn)。最后對(duì)二值化圖像進(jìn)行邊緣形態(tài)學(xué)處理，利用開運(yùn)算有效濾除零件邊緣的突刺，這時(shí)可以獲得較為光滑連續(xù)的邊緣的零件二值化圖像，這樣的圖像就可以用于分揀的尺寸測(cè)量。處理后的圖像如圖5所示。

圖5 二值化處理

第二步：模式匹配

與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行比較，設(shè)定閾值，超出該閾值說明該零件不屬于同規(guī)格的零件，或者采集圖像過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，這類零件必須剔除，剔除后交人工處理。在閾值范圍內(nèi)的零件，進(jìn)入下一步。

第三步：坐標(biāo)標(biāo)定

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，對(duì)檢測(cè)對(duì)象要求建立統(tǒng)一的基準(zhǔn)，由于磁瓦是傳輸帶進(jìn)來的，沒有嚴(yán)格的機(jī)械定位，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確，先確立相對(duì)坐標(biāo)，該坐標(biāo)可以隨著零件的位置改變而調(diào)整。在本系統(tǒng)中，先找到磁瓦中心圓柱的中心，然后找磁瓦的邊緣，如圖6所示，以圓心和邊緣為基準(zhǔn)建立相對(duì)坐標(biāo)，然后將此相對(duì)坐標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，如圖7所示，從而可消除待測(cè)圖像位置和角度的變化[5-7]。

圖6 確定圓心及邊

（續(xù)下圖）

圖7 坐標(biāo)標(biāo)定

利用Labview直接進(jìn)行測(cè)量時(shí)，得到的圖像信息是以像素為單位的，如果要給出實(shí)際的測(cè)量值，還要建立數(shù)字圖像像素與實(shí)際物理尺寸之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在測(cè)量之前要進(jìn)行坐標(biāo)系單位進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成從圖像像素坐標(biāo)與實(shí)際物理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

第四步：測(cè)量尺寸

本系統(tǒng)對(duì)該零件的長(zhǎng)度、寬度、中心圓柱直徑、槽寬等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)零件進(jìn)行分類。如圖8所示是通過測(cè)間隙長(zhǎng)度的方式測(cè)量該零件長(zhǎng)度的測(cè)量程序。其他尺寸測(cè)量過程類似，寬度和槽寬的測(cè)量也是調(diào)用測(cè)量間隙寬度的函數(shù)，測(cè)中心圓直徑則是調(diào)用測(cè)量直徑的函數(shù)，在此不一一贅述。

（續(xù)下圖）

圖8 長(zhǎng)度測(cè)量

3 分組方式和測(cè)試數(shù)據(jù)分析

在零件批量生產(chǎn)中，由于裝配精度較高，一般采用分組互換法進(jìn)行選配，由于工廠實(shí)際裝配前都要先測(cè)量零件的尺寸，根據(jù)尺寸對(duì)零件進(jìn)行分組，然后進(jìn)行分組的裝配，從而可以保證裝配精度。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)α慵M(jìn)行5組類別的分揀，從而適應(yīng)不同的公差范圍的磁瓦的使用。例如該零件長(zhǎng)度設(shè)計(jì)尺寸為mm，它的公差為0.80 mm，如果按照0.20 mm為一組，那么就可以將其分為5組。

系統(tǒng)測(cè)量出的磁瓦長(zhǎng)度為L(zhǎng)（mm）：

（1）若L∈[29.60，29.80），則將信號(hào)存入Ⅰ組堆棧。

（2）若L∈[29.90，30.00），則將信號(hào)存入Ⅱ組堆棧。

（3）若L∈[30.00，30.20），則將信號(hào)存入Ⅲ組堆棧。

（4）若L∈[30.20，30.40），則將信號(hào)存入Ⅳ組堆棧。

（5）若L大于30.40 mm或者小于29.60 mm，則將信號(hào)存入Ⅴ組堆棧。

測(cè)量后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)上述分組結(jié)果，將各磁瓦分揀到相應(yīng)的儲(chǔ)料盒，并同時(shí)計(jì)數(shù)，完成整個(gè)系統(tǒng)功能。

測(cè)量結(jié)果分析：

為了驗(yàn)證基于機(jī)器視覺的自動(dòng)分揀系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，在此對(duì)該零件的尺寸測(cè)量的精度進(jìn)行分析，包括測(cè)量精度和重復(fù)性測(cè)量精度。

此次尺寸測(cè)量在靜態(tài)測(cè)量，本例首先進(jìn)行重復(fù)性測(cè)量，重復(fù)次數(shù)為20次，并在每次測(cè)量后更改零件的放置的位置和角度，測(cè)量數(shù)據(jù)表1所示。

表1 重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)（pixel）

折線圖如圖9所示。

圖9 重復(fù)性測(cè)量折線圖

（1）從表1及圖8可以看出，最大尺寸值為1306.26 pixel，最小尺寸值為1306.21 pixel，均值為1306.235 pixel；

（2）像素精度為30 mm/1306.235，可得pixel =0.0230 mm/pixel；

（3）最大尺寸值-最小尺寸值=0.05 pixel（像素值）；

（4）測(cè)量值的跳動(dòng)值為：0.05pixel×0.0230 mm /pixel=0.00115 mm；

（5）說明該基于機(jī)器視覺的尺寸測(cè)量方法能夠通過圖像處理技術(shù)彌補(bǔ)待測(cè)零件位置與角度的改變，測(cè)量過程中，待測(cè)零件不需要精確定位。

下面取10個(gè)同規(guī)格的磁瓦進(jìn)行測(cè)量，并與游標(biāo)卡尺測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 磁瓦長(zhǎng)度測(cè)量數(shù)據(jù)

誤差折線圖如圖10所示。

圖10 測(cè)量誤差折線圖

由表2及圖10可見，最大測(cè)量誤差為0.04 mm，最小測(cè)量誤差為0.02 mm，平均測(cè)量誤差為0.029 mm；測(cè)量誤差均為正，分析原因與前述像素單位pixel與長(zhǎng)度單位mm之間換算計(jì)算是的舍入有關(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）基于Labview的零件自動(dòng)分揀系統(tǒng)采用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)零件關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)待分類零件進(jìn)行分揀分類，測(cè)量時(shí)不需要對(duì)零件進(jìn)行精確定位，提高了效率；

（2）實(shí)踐證明：基于機(jī)器視覺的測(cè)量技術(shù)的測(cè)量精度和重復(fù)測(cè)量精度都能達(dá)到比較高的精度，適合用于零部件的尺寸檢測(cè)；

（3）從測(cè)試結(jié)果看，測(cè)量精度基本在0.01 mm，可以替代游標(biāo)卡尺，但由于光源和工業(yè)相機(jī)像素及圖像處理技術(shù)的限制，很難達(dá)到0.001mm的精度。

[1]何洪明，周春蘭，陳龍.基于Sherlock的磁瓦零件尺寸測(cè)量[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015，（12）：75-79.

[2]劉霞.工業(yè)零件形狀尺寸的機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].黑龍江哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2009.

[3]鄒建生.基于機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)磁瓦進(jìn)行在線檢測(cè)和分級(jí)的研究[D].江門：五邑大學(xué)，2009.

[4]孫勇，楊鐵牛，胡景江，等.基于機(jī)器視覺系統(tǒng)的磁芯零件在線分級(jí)[J].現(xiàn)代制造工程，2006，（7）：122-124.

[5]董富強(qiáng)，李亞，李振亮，等.基于LabVIEW的直縫鋼管內(nèi)焊縫跟蹤系統(tǒng)，組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)[J].2014，（11）：97-99.

[6]孫晉豪，基于機(jī)器視覺的零部件尺寸測(cè)量[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007，20（7）：75-78.

[7]鄧小峰，姚睿，周翟和，等，工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品質(zhì)檢中機(jī)器視覺系統(tǒng)標(biāo)定方法研究[J].測(cè)控技術(shù)，2014，（3）：144-147.

Design and Implementation of the Automatic Selection System based on Machine Vision

HE Zheng-yang
（Zhoushan Nanhai Education Group，Zhoushan Zhejiang 316000，China）

Machine vision system was designed to collect parts of the image. Through a series of image processing and measurement algorithm，the system exported the results of detection and controled the outer machine at last. And as a basis for the implementation of the external agencies to control，to achieve the automatic parts of the project requirements. The practice proves that the stability and repeatability of the system can meet the requirements of engineering practice.

machine vision；size measurement；image analysis

TP27文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

1672-545X（2016）09-0109-06

2016-06-03

何正陽(yáng)（1997-），男，浙江舟山人，學(xué)生，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人。