石 磊，劉 超

(1.重慶工程學(xué)院軟件學(xué)院，重慶 400056；2.貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng) 550009)

0 引言

電磁繼電器工作原理是通過(guò)電、磁的作用使銜鐵相對(duì)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)的開(kāi)閉，起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路的作用，在工控自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域廣泛使用[1-2]。電磁繼電器的銜鐵組件是將銜鐵和小軸進(jìn)行激光點(diǎn)焊連接而成。銜鐵、小軸加工精度及裝配精度直接影響繼電器的工作質(zhì)量。精密小軸加工過(guò)程因車(chē)床夾具的制造誤差和定位誤差影響，其尺寸公差難以保證，此外，組件裝配過(guò)程中因定位原因也容易造成裝配合格率低。因此，在該環(huán)節(jié)通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵尺寸的測(cè)量，剔除不合格工件，對(duì)于保障后續(xù)高質(zhì)量裝配具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

傳統(tǒng)品質(zhì)管控以人工采用卡尺測(cè)量的方式為主，該方式精度低、一致性差[4]。機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷[5]，通過(guò)對(duì)采集的被測(cè)目標(biāo)圖像進(jìn)行圖像處理，提取面積、輪廓、直線(xiàn)等特征進(jìn)行面積、位置、尺寸等目標(biāo)的運(yùn)算。依據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件進(jìn)行合格性判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)待測(cè)目標(biāo)的品質(zhì)管控[6]?；谝曈X(jué)技術(shù)的質(zhì)量檢測(cè)、缺陷識(shí)別、尺寸測(cè)量等已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。張喜民等[7]采用Hough空間投票權(quán)重策略設(shè)計(jì)了小尺寸不規(guī)則零件視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)尾插件精密測(cè)量。文獻(xiàn)[8]基于MFC平臺(tái)和Halcon設(shè)計(jì)了柔性電路板缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，視覺(jué)檢測(cè)準(zhǔn)確率取得較好效果。文獻(xiàn)[9]基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)了繼電器關(guān)鍵零部件視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了繼電器幾何參數(shù)的快速、可靠檢測(cè)。

針對(duì)銜鐵組件品質(zhì)管控中精度與自動(dòng)化的實(shí)際需求，提出基于機(jī)器視覺(jué)的銜鐵組件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)2套CCD視覺(jué)系統(tǒng)從不同角度對(duì)銜鐵組件的不同位置進(jìn)行拍照，以快速獲取不同區(qū)域圖像。為解決零件厚度測(cè)量待測(cè)區(qū)域遠(yuǎn)超景深范圍的問(wèn)題，在夾爪上設(shè)計(jì)參考?jí)K進(jìn)行間接測(cè)量。采用不同批次工件測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性，滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1為銜鐵組件的示意圖。銜鐵組件是由銜鐵與小軸零件通過(guò)激光點(diǎn)焊裝配而成。該零部件是電磁繼電器磁路部分重要零部件，其中凸臺(tái)尺寸A和厚度尺寸B是該零部件品質(zhì)管控過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注參數(shù)，尺寸超差將影響繼電器裝配質(zhì)量，嚴(yán)重情況下會(huì)降低產(chǎn)品性能并減少使用壽命。因此，設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺(jué)的品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于保障產(chǎn)品的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖1 銜鐵組件示意圖

在視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，以銜鐵組件為研究對(duì)象，確定了基于機(jī)器視覺(jué)的銜鐵組件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的總體方案，軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

視覺(jué)檢測(cè)方案。首先進(jìn)行了圖像的預(yù)處理，包括圖像濾波、圖像分割和邊緣檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上提取待測(cè)目標(biāo)特征，根據(jù)幾何關(guān)系測(cè)量出A、B參數(shù)。在控制系統(tǒng)硬件方面，設(shè)計(jì)了以圖像處理工控機(jī)為上位機(jī)、PLC邏輯控制器為下位機(jī)的主從式二級(jí)控制方式，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)的動(dòng)力源主要為伺服電機(jī)和氣動(dòng)夾爪，在此基礎(chǔ)上完成了銜鐵組件品質(zhì)檢測(cè)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作與安裝。根據(jù)所選硬件特點(diǎn)進(jìn)行了軟件部分的設(shè)計(jì)，通訊模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)之間的控制與邏輯信息交互，包括工控機(jī)與PLC控制器、工控機(jī)與工業(yè)相機(jī)、PLC控制器與伺服系統(tǒng)；圖像處理模塊負(fù)責(zé)接收工業(yè)相機(jī)拍攝的圖像，并對(duì)圖像內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別與檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果信息反饋給PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零部件的品質(zhì)管控。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由2套視覺(jué)系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)組成。工件尺寸約20 mm×10 mm×1.8 mm，待測(cè)尺寸A、B約0.2 mm和1.8 mm。根據(jù)實(shí)際情況，視覺(jué)系統(tǒng)視野設(shè)計(jì)為8 mm×6 mm，尺寸檢測(cè)精度要求為0.02 mm。選擇500萬(wàn)像素面陣相機(jī)、鏡頭選擇1X的遠(yuǎn)心鏡頭、50 mm×50 mm的平行背光源作為照明系統(tǒng)，實(shí)際分辨率為0.003 4 mm/Pixel，視野8.4 mm×7 mm，滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量需求。系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)流程

圖3為系統(tǒng)正常工作時(shí)的測(cè)量流程圖。首先PLC控制氣動(dòng)夾爪夾取工件到拍照位后，控制光源補(bǔ)光，同時(shí)觸發(fā)相機(jī)進(jìn)行拍照，圖像處理系統(tǒng)獲取工件圖像后，對(duì)圖像進(jìn)行ROI定位、圖像增強(qiáng)、圖像分割等預(yù)處理后，進(jìn)一步提取待測(cè)目標(biāo)特征及邊緣檢測(cè)，獲取圖像邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)值，再通過(guò)最小二乘法擬合曲線(xiàn)等操作獲得邊緣的函數(shù)信息，從而計(jì)算出對(duì)應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行品質(zhì)管控以及測(cè)量結(jié)果顯示與存儲(chǔ)。

2 視覺(jué)算法實(shí)現(xiàn)

2.1 ROI定位

因工件一致性存在差異或夾爪夾持位置的不完全重合，導(dǎo)致工件成像后在圖像的位置存在變化，通常在固定ROI區(qū)域內(nèi)進(jìn)行輪廓提取、邊緣檢測(cè)等圖像處理函數(shù)易失效而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)的ROI區(qū)域有利于保證系統(tǒng)可靠測(cè)量[10]。工件圖像如圖4所示，圖4(b)中，通過(guò)采取搜索直邊的方法確定豎直參考線(xiàn)C1與水平參考線(xiàn)C2，通過(guò)C1與C2確定特征定位點(diǎn)P，以P為基準(zhǔn)建立相對(duì)坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上確定矩形ROI1和ROI2，ROI1與ROI2將隨P點(diǎn)的變化而變化，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定可靠測(cè)量。

圖4 工件圖像

2.2 凸臺(tái)邊緣檢測(cè)算法

測(cè)量凸臺(tái)尺寸首先需要獲取邊緣點(diǎn)的位置信息，邊緣檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)圖像分割、特征提取和圖像理解的基礎(chǔ)。常見(jiàn)的邊緣檢測(cè)算子有Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplace算子、Canny算子[11]等，其中，Canny算法檢測(cè)結(jié)果包含了圖像更多邊緣信息，能夠取得更好的檢測(cè)效果。該算法包括4個(gè)步驟：采用高斯濾波器實(shí)現(xiàn)低通濾波平滑圖像；計(jì)算圖像的梯度和梯度方向；對(duì)梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制保留局部梯度變化最大的點(diǎn)；雙閾值篩選邊緣。Canny算法中采用Sobel卷積核計(jì)算梯度，如圖5所示。

圖5 Sobel卷積核

工件裝配過(guò)程中存在微塵，通過(guò)在傳統(tǒng)Canny算法最后一步中增加單邊接觸非閉合弱邊緣剔除法以避免部分毛刺或微塵帶來(lái)的邊緣檢測(cè)干擾。即通過(guò)局部高、低閾值判定強(qiáng)、弱邊緣點(diǎn)，分別采用1與0.5標(biāo)記[12]：

(1)

式中：M′(x,y)為邊緣候選點(diǎn)的梯度賦值；H(x,y)、L(x,y)為當(dāng)前像素點(diǎn)的局部高、低閾值；E(x,y)為邊緣檢測(cè)結(jié)果圖像。

單邊接觸非閉合弱邊緣剔除描述如下[12]：

(2)

2.3 工件厚度測(cè)量

厚度尺寸B也是該工件的關(guān)鍵參數(shù)，常規(guī)的卡尺測(cè)量一致性較差。因小軸和銜鐵的待測(cè)邊未在同一焦點(diǎn)上，且二者實(shí)際物理測(cè)量位置相差10 mm左右，遠(yuǎn)超過(guò)1X遠(yuǎn)心鏡頭的景深。通過(guò)微調(diào)視覺(jué)系統(tǒng)至小軸待測(cè)邊輪廓清晰后，銜鐵待測(cè)邊邊緣輪廓十分模糊，工件側(cè)面采集的圖像如圖6所示。圖6所示的圖像通過(guò)圖像預(yù)處理很難提取出準(zhǔn)確的銜鐵待測(cè)邊輪廓，不滿(mǎn)足精度要求較高的工件厚度尺寸測(cè)量需求。

圖6 工件側(cè)面圖像

基于上述分析，設(shè)計(jì)采用一種間接測(cè)量法以實(shí)現(xiàn)厚度的準(zhǔn)確測(cè)量，在夾持工件的夾爪上，沿著零件小軸軸線(xiàn)方向布置無(wú)倒角的2個(gè)參考?jí)K。由于上、下參考?jí)K與小軸在一個(gè)截面上，視覺(jué)系統(tǒng)將焦點(diǎn)調(diào)節(jié)到該截面上就能獲得參考?jí)K輪廓清晰的圖像。厚度測(cè)量原理如圖7所示。

圖7 厚度測(cè)量原理示意圖

假設(shè)未夾持工件時(shí)，夾爪開(kāi)口寬度為T(mén)0，參考?jí)K的開(kāi)度為L(zhǎng)0。夾持工件后，夾持位和參考?jí)K處都會(huì)同步張開(kāi)且張開(kāi)的量相同，假設(shè)夾爪開(kāi)口寬度為T(mén)1，參考?jí)K的開(kāi)度為L(zhǎng)1，則T1為待測(cè)工件的厚度。按式(3)進(jìn)行計(jì)算：

T1=T0+(L1-L0)

(3)

T0和L0通過(guò)對(duì)圖7進(jìn)行圖像處理可以計(jì)算獲得。當(dāng)夾持工件后，通過(guò)圖像處理即獲得L1值，最終通過(guò)式(3)間接測(cè)量得到工件厚度尺寸。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

基于機(jī)器視覺(jué)的銜鐵組件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示，主要由互成90°的2套視覺(jué)系統(tǒng)、X軸伺服模組、Y軸伺服模組、Z軸伺服模組、氣動(dòng)夾爪、載臺(tái)、NG/OK分選位構(gòu)成，其中氣動(dòng)夾爪固定在Z軸伺服模組上，用于抓取與分選工件。首先，PLC控制氣動(dòng)夾爪沿X軸伺服模組從載臺(tái)順序抓取工件至正面視覺(jué)系統(tǒng)成像，用于參數(shù)A的測(cè)量，然后移動(dòng)到側(cè)面視覺(jué)系統(tǒng)的焦距位，用于工件的側(cè)面成像及參數(shù)B測(cè)量。根據(jù)參數(shù)A、B的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行工件的合格性判斷，并實(shí)現(xiàn)NG與OK分選。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖

品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)包括了PLC邏輯控制與伺服控制、相機(jī)標(biāo)定、圖像采集、圖像預(yù)處理、邊緣檢測(cè)、邊緣擬合、尺寸檢測(cè)、測(cè)量結(jié)果的保存與輸出。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，選取不同批次的50個(gè)工件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果顯示品質(zhì)管控準(zhǔn)確率達(dá)100%。將其與基恩士圖像尺寸測(cè)量?jī)x的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差不超過(guò)5 μm，滿(mǎn)足工程實(shí)際測(cè)試需求，工件實(shí)際測(cè)量效果如圖9所示。

圖9 工件參數(shù)A、B測(cè)試效果

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)工件人工測(cè)量存在精度低、一致性差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于機(jī)器視覺(jué)的工件品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)。采用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)工件的不同位置進(jìn)行成像并進(jìn)行相應(yīng)尺寸參數(shù)的非接觸式測(cè)量。通過(guò)特征定位點(diǎn)建立相對(duì)坐標(biāo)系，ROI區(qū)域?qū)㈦S該特征點(diǎn)變化而改變，從而適應(yīng)工件一致性存在差異或夾爪夾持位置不完全重合導(dǎo)致工件成像的變化。采用Canny算法解決粉塵給邊緣檢測(cè)造成的干擾。最后，通過(guò)夾爪上布置參考?jí)K檢測(cè)測(cè)量工件厚度以解決景深不足的問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)顯示設(shè)計(jì)的品質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)能夠100%的剔除不合格品，且有較高的尺寸測(cè)量精度，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。