饒 欽，郭小菊，鄭 重，康德功

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

當(dāng)前工業(yè)機(jī)器視覺是一個(gè)發(fā)展十分迅速的研究領(lǐng)域，并成為計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一。國家發(fā)展規(guī)劃提出“智能制造工業(yè)4.0”的目標(biāo)[1]，這對(duì)機(jī)器視覺的性能、可靠性、穩(wěn)定性和精確度提出了更高的要求。機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到生活生產(chǎn)的各個(gè)方面，從生物微小圖像到衛(wèi)星遙感圖像，從工業(yè)測(cè)量到人臉指紋識(shí)別?？梢哉f，需要人類視覺的場(chǎng)合幾乎都需要機(jī)器視覺[2]。特別是在人類視覺無法感知的領(lǐng)域，機(jī)器視覺更能體現(xiàn)其重要性。

對(duì)于小尺寸工件的精密測(cè)量，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量容易破壞工件表面和改變相對(duì)位置，從而影響測(cè)量的精度[3]。對(duì)于大批量生產(chǎn)只能采用抽樣檢測(cè)。在抽樣檢測(cè)中，用樣品的質(zhì)量來估計(jì)整批產(chǎn)品的質(zhì)量，這樣往往會(huì)存在誤檢。同時(shí)，長(zhǎng)期的工作會(huì)造成人眼過度疲勞，這也帶來穩(wěn)定性問題；而惡劣的工作環(huán)境還會(huì)影響操作人員身體健康。由此可見，傳統(tǒng)的測(cè)量方法無法滿足現(xiàn)代精密制造的需求?；跈C(jī)器視覺的測(cè)量是一種高效快捷的新方法。

在液晶玻璃磨邊測(cè)量中，需要快速大批量測(cè)量，而且測(cè)量精度較高在毫米級(jí)以下，普通人工檢測(cè)已經(jīng)無法滿足實(shí)時(shí)需求，同時(shí)人工手檢容易對(duì)液晶玻璃造成劃傷和磕碰。所以本文應(yīng)用基于機(jī)器視覺的磨邊厚度測(cè)量技術(shù)，通過視覺檢測(cè)邊緣位置，以此相對(duì)位置差作為最后測(cè)量磨邊厚度。

1 液晶玻璃磨邊工藝簡(jiǎn)介

對(duì)玻璃的邊緣或者棱進(jìn)行打磨，這種工藝在工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛，包括生活中用到的玻璃門、玻璃桌子等等。本文涉及到的是對(duì)車載顯示用液晶玻璃進(jìn)行磨邊。

車載顯示中用到的液晶玻璃，其中有一道工藝是對(duì)玻璃的棱邊進(jìn)行磨削，以保證后道工序正常進(jìn)行。磨邊主要是將玻璃側(cè)面的上下兩個(gè)長(zhǎng)邊棱分別進(jìn)行打磨。設(shè)備中通常采用兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的砂輪，從45°方向逐漸接近玻璃，對(duì)玻璃進(jìn)行打磨。磨邊示意圖如圖1所示。

圖1 磨邊示意圖

調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)的砂輪在打磨過程中會(huì)冒出火星，所以設(shè)備會(huì)持續(xù)向砂輪上噴水，同時(shí)沖刷掉磨削產(chǎn)生的細(xì)小的玻璃渣。之后由氣刀對(duì)玻璃進(jìn)行吹氣烘干，最后由視覺對(duì)玻璃進(jìn)行測(cè)量。

2 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磨邊測(cè)量系統(tǒng)本身需要完整的視覺系統(tǒng)，同時(shí)還需要與控制設(shè)備的PLC進(jìn)行通訊。

本系統(tǒng)主要功能是對(duì)玻璃打磨過的邊進(jìn)行測(cè)量。其中主要涉及圖像系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。

2.1 硬件選型

1) 工控機(jī)

考慮到軟件通用性及開發(fā)的快速性，由于該系統(tǒng)對(duì)測(cè)量效率要求較高，在軟件優(yōu)化的情況下采用Intel i5處理器，4G內(nèi)存，WIN764位操作系統(tǒng)，同時(shí)工控機(jī)需要有RS232接口、USB2.0接口。其中RS232口用來和松下PLC進(jìn)行通訊，USB2.0接口用來連接相機(jī)。

2) 相機(jī)

由于相機(jī)視野最多為10 mm，當(dāng)玻璃尺寸較大時(shí)，檢測(cè)臺(tái)每檢測(cè)10 mm時(shí)再起停，這種效率太低達(dá)不到要求，考慮到設(shè)備測(cè)量效率問題，所以這里采用玻璃在運(yùn)動(dòng)過程中拍攝測(cè)量，這就需要高速、全局曝光的相機(jī)。本文選用加拿大灰點(diǎn)相機(jī)，型號(hào)為CMLN-13S2M-CS，CS接口，130萬黑白相機(jī)，尺寸為1296*964，USB2.0接口，全局曝光，幀率為18FPS。

實(shí)際檢測(cè)中，玻璃的厚度最大為1.1 mm，所以在保證能拍攝到圖像的前提下減小圖像尺寸，這里將相機(jī)ROI區(qū)域設(shè)置為1296*480，這樣相機(jī)的幀率更快。

同時(shí)將曝光時(shí)間盡量地設(shè)置短，由于是在運(yùn)動(dòng)過程中拍攝圖像，曝光時(shí)間越短圖像失真也越小。同時(shí)曝光時(shí)間越短，相機(jī)的幀率也會(huì)提高。

考慮到系統(tǒng)對(duì)玻璃側(cè)面的上下兩個(gè)磨邊的棱的垂直距離進(jìn)行測(cè)量，所以采用相機(jī)水平放置方法，從左右兩個(gè)相機(jī)進(jìn)行拍攝。

3) 鏡頭

針對(duì)視野的要求和測(cè)量精度的要求，進(jìn)而合理的采用了0.8倍的鏡頭，并且采用遠(yuǎn)心鏡頭，此鏡頭可保證得到的圖像低畸變[4]?？紤]到視野大小與相機(jī)分辨率，采用0.8倍的遠(yuǎn)心鏡頭，此時(shí)一個(gè)像素代表7.5 μm，圖像中長(zhǎng)邊可以達(dá)到9 600 μm。

4) 光源

光源的選型對(duì)成像影響很大，合適的光源可以得到清晰少干擾的圖像[5]。由于是對(duì)玻璃邊打磨過的棱進(jìn)行檢測(cè)，而棱對(duì)光會(huì)是漫反射，而周圍的玻璃面則是鏡面反射。所以這里選用白色外部條形光，為了得到效果更好的圖像，因而最終選擇高均勻白色條形光；用條形光分別垂直向下打光。由于該玻璃為深藍(lán)色玻璃，光在玻璃內(nèi)部傳輸量小，光對(duì)玻璃左棱到右棱的影響小。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

檢測(cè)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向中沿X方向往復(fù)運(yùn)行，檢測(cè)臺(tái)上放置已經(jīng)打磨好待測(cè)量的液晶玻璃。

白色條形光源分別垂直向上和向下打光，使均勻的光能反射到水平放置的鏡頭之中。

相機(jī)水平放置，這樣可以更好接收從玻璃棱反射來的光線。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

理論上，當(dāng)檢測(cè)臺(tái)水平時(shí)，放置在檢測(cè)臺(tái)上的玻璃也是水平的，所以玻璃上表面上棱的高度位置和玻璃下表面下棱的高度位置是不會(huì)變化的。但是實(shí)驗(yàn)中，檢測(cè)臺(tái)的水平度只能過到10 μm量級(jí)，這種不水平對(duì)圖像檢測(cè)容易產(chǎn)生干擾，特別是當(dāng)玻璃尺寸較大時(shí)，玻璃在相機(jī)視野中可以看出是明顯的傾斜。針對(duì)這種問題只能通過圖像測(cè)量軟件進(jìn)行處理。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要在VS2010環(huán)境下采用C#編寫。

軟件主要分為以下部分：相機(jī)配置、通訊配置、圖像檢測(cè)。

1) 相機(jī)設(shè)置

主要針對(duì)相機(jī)參數(shù)和采集圖像的基本操作進(jìn)行相關(guān)配置。其中包括選擇相機(jī)對(duì)應(yīng)的序列號(hào)，相機(jī)的曝光時(shí)間和增益。還有對(duì)相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行翻轉(zhuǎn)處理。相機(jī)配置功能如圖3所示。

2) PLC串口通訊

工控機(jī)與松下PLC之間采用松下自有的MEWTOCOL協(xié)議[6]。利用串口進(jìn)行通訊，由工控機(jī)直接讀寫PLC中的DT區(qū)。串口通訊配置如圖4所示。

圖3 相機(jī)配置界面

圖4 通訊配置界面

3) 邊緣檢測(cè)方法

常用的邊緣檢測(cè)方法有Sobel邊緣、Robert邊緣、Prewitt邊緣和Laplacian邊緣[7]。經(jīng)過比較和分析，由于玻璃水平放置，圖像中主要是Y方向豎直邊緣。所以這里采用Sobel邊緣?？紤]到玻璃打磨的邊具有連續(xù)性，所以這里會(huì)在一定區(qū)域內(nèi)取邊緣位置的水平投影，以投影最大值作為邊緣的位置。

4) 測(cè)量設(shè)定

測(cè)量設(shè)定主要包括兩個(gè)部分，分別是玻璃上下基準(zhǔn)線的設(shè)定和邊緣厚度上下限的設(shè)置。

生產(chǎn)線傳送來的玻璃被水平放置于檢測(cè)臺(tái)之上，由于檢測(cè)臺(tái)的平整度精度不夠高，會(huì)導(dǎo)致玻璃側(cè)面不夠水平。所以這里會(huì)人為設(shè)定一條基準(zhǔn)線，程序會(huì)在人為設(shè)定的基準(zhǔn)線的一個(gè)小范圍內(nèi)自動(dòng)搜索實(shí)際玻璃基準(zhǔn)線。

玻璃磨邊厚度的上下限由人為手動(dòng)設(shè)置，由之前相機(jī)鏡頭的參數(shù)可知，一個(gè)像素點(diǎn)代表7.5 μm，所以人為設(shè)定好上下限后，圖像中會(huì)自動(dòng)根據(jù)基準(zhǔn)線位置顯示好上下限。

圖5 測(cè)量設(shè)定界面

3 運(yùn)行結(jié)果與分析

該軟件在客戶現(xiàn)場(chǎng)24小時(shí)運(yùn)行，檢測(cè)效果良好。實(shí)際運(yùn)行過程中，將軟件測(cè)量的結(jié)果與實(shí)際用顯示鏡測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果的誤差在1%以內(nèi)，達(dá)到了實(shí)際生產(chǎn)過程中的要求。

實(shí)際運(yùn)行過程中檢測(cè)的圖像如圖6所示，綠色虛線為人為設(shè)定的基準(zhǔn)線，紅線為軟件自動(dòng)識(shí)別到的基準(zhǔn)線，綠色的實(shí)線分別代表人為設(shè)定的上下限，藍(lán)色線為軟件自動(dòng)識(shí)別的玻璃邊緣。

圖6 實(shí)際測(cè)量圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的玻璃磨邊測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，達(dá)到了客戶的要求，解決了人工手檢的問題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化視覺檢測(cè)。同時(shí)，本測(cè)量系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，可以拓展應(yīng)用到其他相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)品測(cè)量中。相信在未來的工業(yè)中，隨著視覺對(duì)位系統(tǒng)發(fā)展的進(jìn)一步完善，它將在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，扮演更加重要的角色。

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