孫 波 唐 動(dòng) 劉林琳 石錦成 金先倫

高速檢測(cè)元器件外觀設(shè)備的視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 波 唐 動(dòng) 劉林琳 石錦成 金先倫

（貴州航天電器股份有限公司，貴陽(yáng) 550009）

基于機(jī)器視覺技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種高速全自動(dòng)元器件外觀分選設(shè)備的視覺系統(tǒng)，包括總體、硬件、軟件等。該視覺系統(tǒng)主要由若干臺(tái)高速工業(yè)相機(jī)依次排布在透明轉(zhuǎn)盤上方，檢測(cè)每只待檢測(cè)動(dòng)態(tài)來料外觀，每臺(tái)相機(jī)分別檢測(cè)運(yùn)動(dòng)中元器件的各項(xiàng)不同外觀數(shù)據(jù)。設(shè)備的成功研制得益于“飛拍”這一關(guān)鍵技術(shù)，使得部分元器件的檢測(cè)效率和檢測(cè)質(zhì)量方面有了大幅度的提升。

視覺系統(tǒng)；圖像處理；飛拍技術(shù)；效率質(zhì)量提升

1 引言

元器件產(chǎn)品的生產(chǎn)，既要保證產(chǎn)量又要保證質(zhì)量，對(duì)生產(chǎn)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)人工檢測(cè)方式為“過板”篩選，每一板一次完成上百只產(chǎn)品，外形以及表面缺陷交由質(zhì)量檢驗(yàn)員負(fù)責(zé)，在生產(chǎn)過程中，人的主觀因素可能給產(chǎn)品質(zhì)量管控工作帶來了一定風(fēng)險(xiǎn)。因此，急需提出一種全自動(dòng)的產(chǎn)品外觀檢測(cè)設(shè)備，高效率高質(zhì)量完成檢測(cè)工作?；跈C(jī)器視覺技術(shù)，提出一種對(duì)元器件外觀全自動(dòng)檢測(cè)機(jī)并設(shè)計(jì)了其視覺系統(tǒng)。

機(jī)器視覺技術(shù)的硬件組成主要是相機(jī)、計(jì)算機(jī)、光源、鏡頭、光源驅(qū)動(dòng)等，利用相機(jī)拍照，計(jì)算機(jī)圖像處理代替人工測(cè)量和判斷。本文設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)使用了LabView軟件，該軟件是圖形化編程語(yǔ)言，使用簡(jiǎn)單，易學(xué)，可廣泛應(yīng)用于圖像處理、數(shù)據(jù)通訊、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，利用該軟件實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)界面編程、圖像處理、通訊交握程序。

2 視覺系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

視覺系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)框圖以及系統(tǒng)所需要硬件組成。所有的硬件在軟件的協(xié)調(diào)下才能夠保證整個(gè)視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。首先設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體，全自動(dòng)檢測(cè)機(jī)視覺系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖見圖1。

圖1 視覺系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

整個(gè)視覺系統(tǒng)工作原理：PLC可編程邏輯控制器檢測(cè)轉(zhuǎn)盤上的待檢測(cè)產(chǎn)品需要哪臺(tái)相機(jī)拍攝，產(chǎn)品到位后觸發(fā)需要工作的相機(jī)，計(jì)算機(jī)從相應(yīng)相機(jī)獲取圖像并處理，最后將判斷結(jié)果通過IO板卡傳輸給PLC，單個(gè)相機(jī)檢測(cè)工位工作過程在100ms內(nèi)完成，四臺(tái)高速相機(jī)與分揀電磁閥并行工作，基于此原理使得飛拍技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)[1]。設(shè)備的三維設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 設(shè)備三維設(shè)計(jì)圖

3 視覺系統(tǒng)的硬件選型

飛拍即高速拍攝技術(shù)，是影響整個(gè)系列設(shè)備成敗的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)產(chǎn)品隨轉(zhuǎn)盤運(yùn)動(dòng)后，如果不采用特殊的技術(shù)，產(chǎn)品在圖像中會(huì)呈現(xiàn)不清晰甚至拖影情況，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)無法正常處理圖像。計(jì)算機(jī)的配置需求較高，對(duì)每個(gè)相機(jī)傳遞回來的圖像處理速度一定要控制在數(shù)十毫秒內(nèi)完成，最后用最快捷的通訊方式將測(cè)試結(jié)果傳遞給PLC。

為滿足以上技術(shù)需求，要有針對(duì)性選型主要硬件。

本系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)的配置提出了更高的要求，同時(shí)為了配合高速相機(jī)使用，選用了高速千兆四口網(wǎng)卡，滿足四臺(tái)相機(jī)大數(shù)據(jù)量高速通訊。

工業(yè)相機(jī)的選型是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵，相機(jī)必須要求穩(wěn)定、高幀率，才能滿足飛拍技術(shù)的需要，根據(jù)需求選用德國(guó)工業(yè)相機(jī)中高幀率相機(jī)。工業(yè)鏡頭根據(jù)產(chǎn)品待測(cè)量尺寸選擇，為保證圖像解析度、圖片質(zhì)量以及高精度，使用了遠(yuǎn)心鏡頭，各個(gè)工位的光源根據(jù)具體應(yīng)用情況，產(chǎn)品外觀尺寸測(cè)量選用白色平行背光源，產(chǎn)品表面缺陷選用白色環(huán)形光源[2]。

4 視覺系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 視覺系統(tǒng)的軟件整體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)是虛擬儀器專用編程語(yǔ)言LabView，廣泛應(yīng)用于試驗(yàn)、研究、設(shè)計(jì)、應(yīng)用等方面。根據(jù)用戶需要，進(jìn)行人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)、圖像處理軟件設(shè)計(jì)、IO板卡通訊軟件設(shè)計(jì)等。

4.2 人機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部門。在本文所設(shè)計(jì)的人機(jī)界面中，包括自動(dòng)測(cè)試頁(yè)和設(shè)置監(jiān)控頁(yè)面。自動(dòng)測(cè)試頁(yè)面人機(jī)內(nèi)容包括了每個(gè)相機(jī)圖像、關(guān)鍵的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、指示燈等，讓操作人員監(jiān)測(cè)設(shè)備計(jì)算機(jī)工作情況以及各相機(jī)狀態(tài)；設(shè)置監(jiān)控頁(yè)面中，主要功能是參數(shù)設(shè)置與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，簡(jiǎn)單易懂，操作方便，讓相關(guān)人員經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)后能夠快速上手。

4.3 圖像處理的軟件設(shè)計(jì)

圖像處理是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，保證處理速度，更需要穩(wěn)定可靠的圖像處理，如果某個(gè)工站圖像處理程序耗時(shí)長(zhǎng)，沒及時(shí)處理完當(dāng)前圖像，下一幅圖像又出現(xiàn)，設(shè)備將無法正常運(yùn)行，導(dǎo)致報(bào)錯(cuò)故障，所以必須最大程度縮短所有圖像的處理時(shí)間。

四臺(tái)相機(jī)的圖像處理需求各不相同，具體圖像處理算法也不同。但是基本有著類似的圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)，圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)流程圖見圖3。

圖3 圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)

圖4 2號(hào)工站相機(jī)圖像處理流程圖

可以測(cè)量、缺陷分析經(jīng)過預(yù)處理的圖像，根據(jù)每個(gè)工站檢測(cè)的內(nèi)容不同，后續(xù)圖像處理的過程也不相同，以2號(hào)工站相機(jī)為例，該工站需要測(cè)量產(chǎn)品的長(zhǎng)、寬以及兩個(gè)切面夾角，經(jīng)過預(yù)處理后2號(hào)工站相機(jī)的圖像處理流程圖見圖4。

本節(jié)以2號(hào)工站相機(jī)圖像處理為例，預(yù)處理后圖像處理，由于每只產(chǎn)品的位置不固定，所以必須要重新建立動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系完成產(chǎn)品的再定位，然后依次測(cè)量相關(guān)內(nèi)容，最后將測(cè)試的數(shù)據(jù)以及測(cè)試的結(jié)果輸出，并標(biāo)注在人機(jī)界面2號(hào)相機(jī)位置處的顯示控件上。其他工站相機(jī)根據(jù)各自的情況，各自預(yù)處理圖像的再處理[3]。

4.4 通訊模塊的軟件設(shè)計(jì)

通訊模塊的軟件設(shè)計(jì)，主要針對(duì)PC端與PLC端的通訊設(shè)計(jì)，整個(gè)流程簡(jiǎn)述為PLC通過IO方式外部觸發(fā)各個(gè)工業(yè)相機(jī)拍照，相機(jī)被觸發(fā)后拍照，PC獲取了拍照完成信號(hào)后，通過軟件獲取相機(jī)圖片并處理和分析數(shù)據(jù)，然后通過IO板卡的IO點(diǎn)將處理結(jié)果傳送至PLC并得到結(jié)果，綜合四臺(tái)相機(jī)判斷結(jié)果，在分揀區(qū)域分揀良品與不良品[4]。單臺(tái)相機(jī)的通訊工作流程圖見圖5。

圖5 單臺(tái)相機(jī)的通訊工作流程圖

5 試驗(yàn)

完成視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，在多臺(tái)全自動(dòng)檢測(cè)機(jī)中測(cè)試，每臺(tái)設(shè)備的各個(gè)工位處理時(shí)間低于50ms，保守估計(jì)每秒鐘可完成至少5～10顆料的檢測(cè)工作。相對(duì)于人工操作而言，人工產(chǎn)出約10000只/h產(chǎn)品，而設(shè)備檢測(cè)理論上可以將產(chǎn)能翻一番，并且可以24h工作，另外人工檢測(cè)是一個(gè)篩選板同時(shí)篩選上百只料，而設(shè)備相當(dāng)于四個(gè)人同時(shí)在一顆一顆產(chǎn)品檢測(cè)，不僅效率有大幅提升，檢測(cè)的細(xì)致程度也有所提高。

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器視覺技術(shù)在提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率和提高產(chǎn)品質(zhì)量方面為軍民用元器件生產(chǎn)做出大量貢獻(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的一種全自動(dòng)檢測(cè)元器件外觀設(shè)備的視覺系統(tǒng)，經(jīng)過理論設(shè)計(jì)、實(shí)際裝配、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品高速檢測(cè)功能，以及對(duì)每個(gè)產(chǎn)品的外觀關(guān)鍵參數(shù)全面檢測(cè)。不久將來，將會(huì)廣泛應(yīng)用于元器件生產(chǎn)企業(yè)的高速檢測(cè)等領(lǐng)域。

1 陳樹學(xué)，劉萱．LabVIEW寶典[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011

2 楊樂平，李海濤，趙勇．LabView程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2001

3 王磊，陶梅．精通LabVIEW8.0[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010

4 張宏群，倉(cāng)彬彬．基于LabVIEW的氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]．虛擬儀器與應(yīng)用，2010(24)：152～154

Vision System Design of A Device for High-speed Detecting Appearances of Components

Sun Bo Tang Dong Liu Linlin Shi Jincheng Jin Xianlun

(Guizhou Space Appliance Co., Ltd., Guiyang 550009)

Based on the machine vision, a vision system for high-speed and full automatic sorting components device is designed from overall, hardware, and software designs. The vision system consists of four high-speed indutrial cameras arranged in order above the transparent turntable and they can detect the appearances of every dynamic product. Every camera detects different external dimension of dynamic products. Successful device development is based on the technology of the high-speed photograph, which greatly improves the detection efficiency and quality of some components.

vision system；image processing；high-speed photograph technology；efficiency and quality improvement

智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目（工信部聯(lián)裝[2016]213號(hào)-01）。

孫波（1987），工程師，機(jī)電一體化專業(yè)；研究方向：機(jī)器視覺與機(jī)器人控制技術(shù)。

2018-09-18