胡巧聲，李永記，郝沛時(shí)

基于快反鏡的工件表面質(zhì)量和尺寸在線檢測(cè)技術(shù)研究

胡巧聲1，李永記2，郝沛時(shí)2

（1.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805；2.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

運(yùn)動(dòng)模糊是機(jī)器視覺(jué)在線檢測(cè)的重要問(wèn)題，限制了檢測(cè)的精度和效率。將快反鏡與機(jī)器視覺(jué)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了基于快反鏡的在線檢測(cè)系統(tǒng)。建立快反鏡偏轉(zhuǎn)模型，實(shí)現(xiàn)了工件成像的像移補(bǔ)償；相機(jī)曝光和快反鏡偏轉(zhuǎn)同步運(yùn)行，使系統(tǒng)采集到清晰的工件圖像。采用OpenCV庫(kù)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，計(jì)算得到工件的內(nèi)徑、外徑尺寸和表面缺陷面積。相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)快反鏡在線檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的外徑、內(nèi)徑和缺陷面積檢測(cè)平均誤差分別由1.2%、2.2%、28.9%減少至0.1%、0.3%、5.5%，在線檢測(cè)速度從0.1 m/s提升到0.4 m/s。

快反鏡；機(jī)器視覺(jué)；在線檢測(cè)；像移補(bǔ)償

1 引言

現(xiàn)代制造業(yè)加快向智能制造發(fā)展，對(duì)于數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化的要求越來(lái)越高。中國(guó)正處于由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變的階段，《中國(guó)制造2025》明確指明將推進(jìn)智能制造作為中國(guó)現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)的主攻方向。在線檢測(cè)技術(shù)是智能制造的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，相較于人工檢測(cè)、抽檢等傳統(tǒng)檢測(cè)方式，具有實(shí)時(shí)性、高效性、可靠性的巨大優(yōu)勢(shì)。

機(jī)器視覺(jué)是在線檢測(cè)的有效手段[1]，通過(guò)獲取被測(cè)物的圖像對(duì)其進(jìn)行處理和分析，計(jì)算得到被測(cè)物體的特征量。但是對(duì)于生產(chǎn)線中高速運(yùn)動(dòng)的工件，機(jī)器視覺(jué)在線檢測(cè)系統(tǒng)拍攝的圖像存在運(yùn)動(dòng)模糊的問(wèn)題，導(dǎo)致圖像處理得到的特征量如直徑、面積等計(jì)算偏差較大，降低了檢測(cè)的準(zhǔn)確性，并且限制了檢測(cè)的效率。應(yīng)用高速相機(jī)可以獲得較為清晰圖像，但是，高速相機(jī)相較于普通工業(yè)相機(jī)價(jià)格較為昂貴，另一方面高速相機(jī)對(duì)于環(huán)境的要求較高。實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境往往較為惡劣，切削液、切屑，包括電磁干擾等都會(huì)影響高速相機(jī)的正常工作，導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高。

為解決運(yùn)動(dòng)模糊問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究。朱非甲等[2]提出面向工業(yè)檢測(cè)的圖像模糊處理方法，該方法基于R-L引導(dǎo)濾波，通過(guò)軟件處理消除圖像模糊，但是其應(yīng)用對(duì)象是運(yùn)動(dòng)速度為2～4 mm/s的工件，且單張照片處理時(shí)間約10 s。吳宏圣[3]研究了無(wú)人機(jī)全景相機(jī)像移補(bǔ)償?shù)姆椒ǎC合考慮飛機(jī)姿態(tài)、相機(jī)擺掃運(yùn)動(dòng)等因素，獲得了較滿意的成像效果。JANSCHEK等[4]提出根據(jù)圖像反饋信號(hào)來(lái)控制焦平面的位置，對(duì)像移進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫捷^為清晰的圖像。BRIEB[5]在其專利中采用擺動(dòng)平面鏡對(duì)機(jī)載CCD相機(jī)進(jìn)行像移補(bǔ)償。GAYLORD[6]提出了一種用幀轉(zhuǎn)移CCD進(jìn)行像移補(bǔ)償?shù)姆椒?。根?jù)已有的研究，解決運(yùn)動(dòng)模糊問(wèn)題的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償。

快速反射鏡（Fast Steering Mirror，F(xiàn)SM）是一種目標(biāo)和接收器之間控制光束方向的光電裝置[7]，具有響應(yīng)速度快、控制精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于激光雷達(dá)、機(jī)載激光武器、空間尺度量子通信等軍事領(lǐng)域[8-9]。通過(guò)快反鏡實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償，可以使相機(jī)采集到清晰的圖像，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，進(jìn)而可拓寬在線檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

2 基于快反鏡的像移補(bǔ)償原理

2.1 快反鏡工作原理

快反鏡由偏擺臺(tái)和反射鏡組成，由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的偏擺臺(tái)構(gòu)成的快反鏡被稱為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)快反鏡。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)快反鏡的工作原理如圖1所示，非工作狀態(tài)下兩個(gè)壓電陶瓷疊堆長(zhǎng)度相同，通過(guò)給兩個(gè)壓電陶瓷疊堆施加互為反向的驅(qū)動(dòng)電壓，可以使兩者做互為反向的運(yùn)動(dòng)，使柔性餃鏈支架圍繞軸向偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)反射鏡的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而使外部光線的反射光產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

圖1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)快反鏡工作原理[8]

2.2 快反鏡偏轉(zhuǎn)模型

運(yùn)動(dòng)模糊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是曝光時(shí)間內(nèi)工件相對(duì)相機(jī)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致工件成像相對(duì)于相機(jī)傳感器發(fā)生偏移。為消除運(yùn)動(dòng)模糊，關(guān)鍵在于使工件在相機(jī)曝光時(shí)間內(nèi)，成像靜止于相機(jī)的視野中。將快反鏡布置于工件和相機(jī)之間，以一定速度偏轉(zhuǎn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)中的工件進(jìn)行跟蹤，使其成像相對(duì)相機(jī)靜止，從而實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償，避免圖像模糊。為此，快反鏡的偏轉(zhuǎn)速度與工件運(yùn)動(dòng)速度、相機(jī)的曝光時(shí)間、系統(tǒng)部件的空間距離等參數(shù)需要滿足一定的關(guān)系，即快反鏡偏轉(zhuǎn)模型，如圖2所示。

圖2 快反鏡偏轉(zhuǎn)模型

如圖 2所示，設(shè)工業(yè)相機(jī)的曝光時(shí)間為，曝光開(kāi)始時(shí)刻工件處于位置，曝光結(jié)束時(shí)刻工件處于位置。MN為快反鏡的初始位置，與工件運(yùn)動(dòng)平面夾角為45°。為實(shí)現(xiàn)快反鏡對(duì)工件的跟蹤，在相機(jī)曝光的時(shí)間內(nèi)，快反鏡應(yīng)通過(guò)偏轉(zhuǎn)使工件的反射光線保持不變，并于曝光結(jié)束時(shí)刻偏轉(zhuǎn)至位置。

設(shè)快反鏡在曝光時(shí)間內(nèi)偏轉(zhuǎn)角度為，根據(jù)光的反射規(guī)律，工件入射光角度改變?yōu)槠?倍，即：

已知快反鏡偏轉(zhuǎn)中心相對(duì)傳送帶表面的高度為，傳送帶速度為，由于快反鏡的偏轉(zhuǎn)角度極小，為mrad量級(jí)，可通過(guò)近似計(jì)算得到：

快反鏡的偏轉(zhuǎn)角度為：

3 在線檢測(cè)系統(tǒng)方案與設(shè)計(jì)

本文以8×14×0.2的平墊圈為檢測(cè)對(duì)象，設(shè)計(jì)基于快反鏡的工件在線檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)該墊片的尺寸（包括外徑和內(nèi)徑）和表面缺陷面積指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。該工件具有一定的典型性，代表了厚度方向，可忽略的平面型工件。

3.1 系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)包含傳送裝置、光纖傳感器、延時(shí)裝置、快反鏡、工業(yè)相機(jī)和計(jì)算機(jī)，以及線纜、電源等其他必要部件。傳送裝置帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)，光纖傳感器用于感知工件的位置，并將檢測(cè)信號(hào)傳遞給延時(shí)裝置。延時(shí)裝置進(jìn)行延時(shí)，并控制相機(jī)曝光和快反鏡偏轉(zhuǎn)同步運(yùn)行。計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行各個(gè)部件的狀態(tài)識(shí)別和控制，以及處理工業(yè)相機(jī)采集到的圖像獲取工件尺寸和缺陷面積信息。系統(tǒng)方案如圖3所示。

圖3 工件在線檢測(cè)系統(tǒng)方案

3.2 系統(tǒng)控制

系統(tǒng)控制信號(hào)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制信號(hào)

光纖傳感器根據(jù)接收到的光強(qiáng)來(lái)判斷信號(hào)的輸出，若檢測(cè)到光強(qiáng)超過(guò)此閾值則輸出信號(hào)，反之則無(wú)信號(hào)輸出。在工件未到達(dá)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，由于傳送裝置反光性能很差，光纖傳感器接收到的反射光強(qiáng)很弱，無(wú)輸出信號(hào)；當(dāng)有工件到達(dá)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，光纖傳感器接收到較強(qiáng)的反射光，則輸出信號(hào)。從工件的檢測(cè)位置到拍攝位置距離不變，延時(shí)裝置基于傳感器輸出信號(hào)的時(shí)刻進(jìn)行一定時(shí)間t-delay的延時(shí)，當(dāng)工件運(yùn)動(dòng)至相機(jī)視野中央時(shí)，延時(shí)結(jié)束并輸出觸發(fā)信號(hào)，如圖4（a）所示。

快反鏡驅(qū)動(dòng)電壓為0～100 V，可實(shí)現(xiàn)0～2.7 mrad范圍內(nèi)的偏轉(zhuǎn)。計(jì)算機(jī)輸出0～10 V模擬量控制信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)裝置放大電壓并驅(qū)動(dòng)快反鏡偏轉(zhuǎn)。為滿足分辨率、檢測(cè)精度、檢測(cè)效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫?，?jīng)綜合考慮，選用FLIR公司的GS3-U3-51S5M-C工業(yè)相機(jī)。該相機(jī)像素為500萬(wàn)，分辨率為2 448×2 048，75FPS的高幀率。工業(yè)相機(jī)采用硬觸發(fā)模式，以保證工業(yè)相機(jī)曝光時(shí)刻的精確性。由于該工業(yè)相機(jī)內(nèi)部集成了信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，采用的是USB接口，該相機(jī)可以直接將圖像通過(guò)特定的USB3.1線纜傳輸給計(jì)算機(jī)而無(wú)需任何中間設(shè)備，傳輸速度高，便于使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵在于相機(jī)曝光和快反鏡偏轉(zhuǎn)同步進(jìn)行。根據(jù)式（3），延時(shí)裝置輸出觸發(fā)信號(hào)后，工業(yè)相機(jī)進(jìn)行曝光，與此同時(shí)在曝光時(shí)間內(nèi)快反鏡偏轉(zhuǎn)角度。圖4（b）展示了相機(jī)曝光信號(hào)和快反鏡信號(hào)的同步性。

3.3 圖像處理

采集到工件圖像之后，基于OpenCV庫(kù)對(duì)采集到的工件圖像進(jìn)行處理，獲取工件的尺寸（外徑和內(nèi)徑）和表面質(zhì)量（缺陷面積）。圖像處理流程如圖5所示，主要包括濾波處理、二值化處理和輪廓提取及最小外接圓檢測(cè)。

圖5 圖像處理過(guò)程

采集到的圖像表面存在大量細(xì)小點(diǎn)狀噪聲，對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理，得到無(wú)噪聲且輪廓清晰的圖像。由于最終目的是檢測(cè)工件的尺寸和缺陷面積，需要進(jìn)行二值化處理以便在圖像中提取工件輪廓。二值化是將所有像素點(diǎn)的灰度值為0 （白色）或255（黑色），目的是使圖像中主要特征的輪廓更加清晰且突出。本設(shè)計(jì)采用閾值分割函數(shù)，遍歷圖中所有點(diǎn)將像素二值化。隨后進(jìn)行工件的輪廓提取和最小外接圓檢測(cè)，得到內(nèi)、外圓直徑的像素個(gè)數(shù)。

進(jìn)行比例標(biāo)定，獲得實(shí)際尺寸和像素個(gè)數(shù)的比值。據(jù)此可通過(guò)檢測(cè)得到的外環(huán)直徑和內(nèi)環(huán)直徑值，求出外徑和內(nèi)徑的實(shí)際數(shù)據(jù)，單位為mm，工件表面的缺陷面積等于工件面積與非缺陷面積之差，工件的非缺陷面積由二值化處理后的圖像的白色（灰度值為255）像素點(diǎn)個(gè)數(shù)得到。

4 在線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，搭建基于快反鏡的在線檢測(cè)系統(tǒng)，如圖6所示。工件由傳送帶傳輸，快反鏡、工業(yè)相機(jī)等部件安裝于鋁合金型材框架，便于調(diào)節(jié)部件相對(duì)位置。系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示于系統(tǒng)控制界面。

圖6 在線檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

為驗(yàn)證基于快反鏡的在線檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)的檢測(cè)性能提升，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)比該系統(tǒng)與傳統(tǒng)無(wú)快反鏡系統(tǒng)的表面質(zhì)量和尺寸的檢測(cè)精度。工業(yè)相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)置為3 ms，傳送帶速度調(diào)節(jié)范圍為0～0.4 m/s。在有無(wú)快反鏡的兩種系統(tǒng)中，設(shè)置傳送帶速度為0.05 m/s、0.10 m/s、0.15 m/s、0.20 m/s、0.25 m/s、0.30 m/s、0.35 m/s以及0.40 m/s，測(cè)量工件的外徑、內(nèi)徑和缺陷面積。

以0.40 m/s工件運(yùn)動(dòng)速度為例，兩種系統(tǒng)采集到的工件圖像如圖7所示。無(wú)快反鏡系統(tǒng)采集工件的圖像模糊程度較大，而有快反鏡系統(tǒng)采集的工件圖像清晰且輪廓突出。

圖7 采集工件圖像對(duì)比

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，分別計(jì)算檢測(cè)誤差，如圖8所示。

圖8 檢測(cè)誤差對(duì)比

分析檢測(cè)誤差可得，對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)快反鏡系統(tǒng)，外徑、內(nèi)徑、缺陷面積檢測(cè)誤差隨工件速度提升而大幅增加，而有快反鏡系統(tǒng)檢測(cè)誤差維持在較小的范圍內(nèi)；基于快反鏡的工件檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度較無(wú)快反鏡的檢測(cè)系統(tǒng)有大幅提升，外徑檢測(cè)平均誤差由1.2%大幅度降低到0.1%，內(nèi)徑檢測(cè)平均誤差由2.2%顯著減小到0.3%，表面缺陷檢測(cè)平均誤差由28.9%大幅降低至5.5%；在外徑和內(nèi)徑檢測(cè)誤差為1%和表面缺陷檢測(cè)誤差10%的要求下，基于快反鏡的在線檢測(cè)系統(tǒng)可將檢測(cè)速度從0.1 m/s提升至0.4 m/s，即速度提高4倍。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)在線檢測(cè)中圖像模糊的問(wèn)題，將快反鏡與機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了基于快反鏡的在線檢測(cè)系統(tǒng)。建立了快反鏡偏轉(zhuǎn)模型，實(shí)現(xiàn)了工件成像的像移補(bǔ)償；相機(jī)曝光和快反鏡偏轉(zhuǎn)同步進(jìn)行，使系統(tǒng)采集到清晰的工件圖像。采用OpenCV庫(kù)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，包括濾波處理、二值化處理和輪廓提取及最小外接圓檢測(cè)，計(jì)算得到工件的內(nèi)徑、外徑尺寸和表面缺陷面積。搭建了檢測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)有效改善運(yùn)動(dòng)中工件圖片的拍攝質(zhì)量，提升表面質(zhì)量和尺寸的檢測(cè)精度，大大提高了在線檢測(cè)速度。

軍用領(lǐng)域的快反鏡技術(shù)與機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合，有效改善了在線檢測(cè)中運(yùn)動(dòng)模糊的問(wèn)題，擴(kuò)大了工程中在線檢測(cè)的應(yīng)用范圍。將快反鏡應(yīng)用于制造領(lǐng)域，既是國(guó)家軍民融合戰(zhàn)略的具體實(shí)踐，又助力于智能化生產(chǎn)線在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，有利于智能制造的發(fā)展。

［1］HOU Q，SUN J，HUANG P.A novel algorithm for tool wear online inspection based on machine vision［J］. International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2019（4）：9-10.

［2］朱非甲，金鵬.面向工業(yè)檢測(cè)的圖像快速去直線運(yùn)動(dòng)模糊方法［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，50（9）：123-129.

［3］吳宏圣.TDICCD全景航空相機(jī)像移補(bǔ)償研究［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所），2003.

［4］JANSCHEK K，TCHEMYKH V.Optical correlator for image motion compensation in the focal plane of a satellite camera［C］//15th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace，2001.

［5］BRIEB K.Method and device for a high-resolution CCD imaging system：Germany，10567998100［P］.1998.

［6］GAYLORD G O.Image motion compensation with frame transfer CCDs［C］//Proc SPIE，2002.

［7］CSENCSICS E，BENJAMIN S，GEORG S.Integration of control design and system operation of a high performance piezo-actuated fast steering mirror［J］.Journal of Robotics & Machine Learning，2020（4）：17-22.

［8］吳鑫.高性能快速控制反射鏡研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2012.

［9］錢鋒.星地量子通信高精度ATP系統(tǒng)研究［D］.北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2014.

TP391.41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.010

2095－6835（2020）14－0034－04

胡巧聲（1983—），男，博士，主任工程師。

李永記。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕