張宇萌

（河北 承德 067000）

1 常見(jiàn)缺陷類型及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

該研究課題主要針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)控股有限公司F140 型電機(jī)轉(zhuǎn)子DV 片焊工藝后，焊點(diǎn)和DV 片的外觀質(zhì)量缺陷檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)專用機(jī)器視覺(jué)在線檢測(cè)設(shè)備，其主要由換向器、DV 片、焊錫、硅鋼片和繞組組成，1 個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子有3 個(gè)焊接部位。其中環(huán)形DV 片的外圓半徑為4.75 mm，內(nèi)圓半徑為2.95 mm，厚度為0.83 mm。F140 型電機(jī)轉(zhuǎn)子組成如圖1 所示。

圖1 F140 型電機(jī)轉(zhuǎn)子組成

DV 片的表面缺陷主要有DV 片傾斜和DV 片上表面有起泡、劃痕和DV 片斷裂。DV 片傾斜，會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中端蓋跳動(dòng)幅度增加，產(chǎn)生振動(dòng)或出現(xiàn)雜音，甚至使電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生局部燒傷，DV 片上表面有起泡、劃痕或DV 片斷裂不僅影響產(chǎn)品的外觀，而且對(duì)DV 片的抗氧化性和伏安特性等都有不同程度的影響。焊點(diǎn)的缺陷主要有漏焊、錫量不足、焊位偏移，漏焊會(huì)直接造成電機(jī)無(wú)法工作，而錫量不足、焊位偏移會(huì)造成電機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部電路接觸不良，嚴(yán)重時(shí)也會(huì)造成電機(jī)無(wú)法工作。這些常見(jiàn)的5 種表面缺陷類型與故障的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如下。1）能識(shí)別DV 片傾斜，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子垂直放立于工位時(shí)，合格的DV 片從側(cè)面看傾斜角度小于0.5°，DV片傾斜檢測(cè)要求測(cè)量精度為0.1°。2）能識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)子焊點(diǎn)是否合格，電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接的主要缺陷有漏焊、錫量不足、焊位偏移3 種缺陷。3）對(duì)于DV 片上表面的檢測(cè)，要求能識(shí)別DV 片斷裂、上表面有劃痕和表面起泡，針對(duì)缺陷面積最小的劃痕，能識(shí)別最小寬度為0.05 mm，長(zhǎng)1 mm 的劃痕缺陷。4）在生產(chǎn)線上能夠?qū)γ總€(gè)電機(jī)自動(dòng)上料、檢測(cè)和分選，為了與車間流水線速度一致，每個(gè)工位檢測(cè)時(shí)間為3 s，檢測(cè)機(jī)的機(jī)械、電氣設(shè)計(jì)框架符合標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)控股有限公司的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠與現(xiàn)有自動(dòng)生產(chǎn)線無(wú)縫對(duì)接，要求檢測(cè)的漏檢率小于3%，綜合檢測(cè)成功率大于95%。5）檢測(cè)設(shè)備軟件能夠記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，包括檢測(cè)數(shù)量和有缺陷的電機(jī)數(shù)量，對(duì)于需要識(shí)別的缺陷也要做記錄，能通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析DV 焊工藝后的良品率。

特別是對(duì)于第一臺(tái)樣機(jī)的缺陷檢出率要大于90%，誤檢率小于10%的情況，如果判斷產(chǎn)品缺陷類型屬于DV 片傾斜，則不需對(duì)該產(chǎn)品其他缺陷進(jìn)行記錄。

2 圖像采集系統(tǒng)的硬件選型

2.1 相機(jī)

該研究選取CCD（電荷耦合器件）作為圖像各種缺陷檢測(cè)的圖像傳感器。在DV 片上表面檢測(cè)中所選擇的相機(jī)型號(hào)為陜西維視圖像的MV-EM200C 千兆以太網(wǎng)工業(yè)相機(jī)，在DV 側(cè)面傾斜檢測(cè)與焊點(diǎn)缺陷檢測(cè)中所選擇的相機(jī)型號(hào)為陜西維視圖像的MV-EM500C 千兆以太網(wǎng)工業(yè)相機(jī)，這2 款工業(yè)相機(jī)具有體積小、傳輸速度快、支持第三方圖像處理軟件（例如LabVIEW）直接調(diào)用等特點(diǎn)[1]。

2.2 千兆以太網(wǎng)圖像采集卡

該文所使用的2 款相機(jī)是MV-EM 系列千兆以太網(wǎng)工業(yè)相機(jī)，需要2 臺(tái)相機(jī)共同傳輸圖像，所以圖像采集卡選用MV-EGigE Dual 千兆圖像采集網(wǎng)卡，它可同時(shí)連接2 臺(tái)GigE圖像采集設(shè)備，使用六類網(wǎng)線將相機(jī)與采集卡連接即可支持2 臺(tái)相機(jī)同時(shí)高速穩(wěn)定的采集圖像。

2.3 光源

光源是為了配合相機(jī)與鏡頭采集圖像的照明裝置。最常見(jiàn)的用于小物體檢查的照明裝置是LED、熒光和鹵素?zé)?。近年?lái)LED 光源由于其性價(jià)比大大提高、應(yīng)用靈活性強(qiáng)（主要指調(diào)節(jié)范圍大和可塑性強(qiáng)）、照明穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度適中且易于計(jì)算機(jī)控制，在工業(yè)照明中得到廣泛應(yīng)用。選擇合適的光源是一項(xiàng)重要的工作。沒(méi)有合適的光源，細(xì)節(jié)與背景區(qū)域就不會(huì)有很高的對(duì)比度。光源作為視覺(jué)成像好壞的首要影響因素，光源的光照方式與強(qiáng)度會(huì)影響圖像處理中感興趣區(qū)域或缺陷區(qū)域提取的難易程度。在光源顏色的選擇中，在缺陷色彩成分未知的情況下通常會(huì)使用彩色相機(jī)成像，由于彩色相機(jī)采集到的彩色圖像色彩飽滿艷麗，彩色圖像的成像通常使用白色光源。白色光源適用范圍大，發(fā)光強(qiáng)度高。在考慮被檢樣品時(shí)，其表面幾何形狀、紋理特征、方向和顏色是影響其與光照照射特性相互作用的許多重要因素，光照的照射特性分為直射光照、反射光照和漫反射光照。

2.3.1 直射光照

光照亮度高，如果需要檢測(cè)的物體表面比較粗糙時(shí)，會(huì)發(fā)生一定的漫反射效果，目標(biāo)的明暗對(duì)比將會(huì)加大，目標(biāo)也更突出。相反，物體表面如果較為光滑，就會(huì)產(chǎn)生鏡面反射效應(yīng)，不利于目標(biāo)檢測(cè)[1]。

2.3.2 反射光照

以單一方向反射入射光，就像拋光的金屬表面。高光反射經(jīng)常使圖像較為飽和，因?yàn)楦吖夥瓷涞膹?qiáng)度與光源相當(dāng)，如果依靠反射光照成像，對(duì)物體的微位移就要求較高，因?yàn)槿绻矬w和相機(jī)之間的角度或位置發(fā)生微小變化，光強(qiáng)強(qiáng)度分布就會(huì)完全改變。

2.3.3 漫反射光照

光的漫反射是指以不同的角度散射入射光線，就像一張亞光白紙。漫反射相比直射與反射要穩(wěn)定得多，因?yàn)槁瓷渌瓷涞墓鈴?qiáng)度大大降低，而且反射光強(qiáng)度不會(huì)隨著物體相對(duì)于相機(jī)的角度或位置發(fā)生顯著變化。

照明方向是照明設(shè)置中的又一個(gè)主要因素。光照方向的變化有亮場(chǎng)、暗場(chǎng)、背光之分。

2.3.4 亮場(chǎng)

在亮場(chǎng)照明中，光線大致以垂直于物體表面到與物體表面呈45°之間稱為亮場(chǎng)照明，整個(gè)物體被照亮，特征在灰度上以不同的水平顯示。亮場(chǎng)照明也是生活中最常見(jiàn)和最基本的視覺(jué)照明技術(shù)，陽(yáng)光的照射就屬于亮場(chǎng)照明。同軸照明是一種極端形式的亮場(chǎng)照明，光源與相機(jī)和鏡頭在同一軸上，這種照明不僅適用于某些鏡面，而且能消除一些由深度產(chǎn)生的陰影，但是同軸照明主要用于檢測(cè)反光強(qiáng)烈的平面物體，對(duì)于反光強(qiáng)烈的曲面物體有時(shí)并不合適。

2.3.5 暗場(chǎng)

使光源以一定低的角度（一般為0°～45°）照射于物體表面的照明，當(dāng)時(shí)用暗場(chǎng)照明時(shí)相機(jī)成像是通過(guò)接收物體表面的衍射的雜散光或反射光，但是角度比較低的暗場(chǎng)照明由于其需要在離物體比較近的上方照明，這在工業(yè)在線檢測(cè)中有時(shí)會(huì)不方便安裝。

2.3.6 背光

顧名思義，這種照明方法是在被檢查對(duì)象的后面。物體背光的主要用途是觀察半透明的物體或獲得輪廓。輪廓提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的二值圖像匹配模式，測(cè)量幾何形狀，檢查孔，或檢查零件的位置和方向，通常會(huì)在檢測(cè)物體的輪廓形狀與尺寸時(shí)使用[2]。

對(duì)于DV 片上表面這種有一定粗糙度的物體，亮場(chǎng)照明會(huì)發(fā)生一定的漫反射效果，目標(biāo)的明暗對(duì)比將會(huì)加大，目標(biāo)也會(huì)突出，暗場(chǎng)照明也會(huì)使缺陷更加突出。而對(duì)于側(cè)面DV 片圖像和焊點(diǎn)圖像，主要是為了檢測(cè)DV 片的傾斜角度和焊點(diǎn)的缺陷。由于焊點(diǎn)形狀是有一定曲率的不規(guī)則球面，而且體積極小，對(duì)于這種體積較小的物體照明通常會(huì)使用點(diǎn)光源。點(diǎn)光源通常很小，可以安裝在離被檢查對(duì)象有一定距離的地方，點(diǎn)光源產(chǎn)生的光強(qiáng)度高，成像區(qū)域的面積小，可以忽視周圍物體只突出局部小細(xì)節(jié)。如果希望圖像具有銳利的邊緣和表面特征細(xì)節(jié)，點(diǎn)光源是很好的選擇，但是點(diǎn)光源并不適合產(chǎn)生鏡面反射的物體，因?yàn)樗姆瓷涔庥袝r(shí)會(huì)映射到一些黑暗的區(qū)域，所以對(duì)于焊點(diǎn)的這種表面光滑且有一定曲率的表面并不適用。

最佳方法是使用漫射光來(lái)均勻強(qiáng)度，為了使整個(gè)焊點(diǎn)能均勻清晰的成像，用加有漫反射勻光裝置的低角度環(huán)形光源。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用30°低角度漫反射暗場(chǎng)照明光源在焊點(diǎn)成像上取得效果較好，對(duì)機(jī)械及傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)也不會(huì)有的較高的要求。

3 其他硬件選型

該文的控制系統(tǒng)框架采用的是PC 機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡相結(jié)合。運(yùn)動(dòng)控制卡選用DMC3400A 型號(hào)。提供Windows 系統(tǒng)下的LabVIEW（實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，同時(shí)也兼容LabVIEW 的Motion 模塊，方便軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。其可以同時(shí)控制多個(gè)步進(jìn)電機(jī)及IO 器件控制，適用于各種插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)、編碼器位置檢測(cè)、在線變速和在線變位置等場(chǎng)合。同時(shí)自帶MOTION3000 調(diào)試軟件，方便程序員對(duì)硬件的逐一檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

該文的電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)器缺陷檢測(cè)系統(tǒng)分為運(yùn)動(dòng)控制、圖像采集和圖像處理3 個(gè)模塊。首先通過(guò)PC 機(jī)發(fā)送信號(hào)使相機(jī)打開(kāi)，同時(shí)發(fā)送信號(hào)給運(yùn)動(dòng)控制模塊，運(yùn)動(dòng)控制模塊將電機(jī)移動(dòng)到待檢測(cè)區(qū)域，觸發(fā)圖像采集，圖像處理模塊對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像處理處理和缺陷識(shí)別，將電機(jī)轉(zhuǎn)子缺陷識(shí)別結(jié)果反饋給工控機(jī)，工控機(jī)通過(guò)識(shí)別結(jié)果發(fā)送信號(hào)給運(yùn)動(dòng)控制模塊，對(duì)于無(wú)缺陷的電機(jī)轉(zhuǎn)子由傳送帶輸送至下一道工位，對(duì)有缺陷的電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行不良品剔除。