圖像處理技術(shù)在槍彈外觀檢測(cè)上的應(yīng)用

彭 旭，李 錦，李全俊

(中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所 彈藥中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

圖像處理技術(shù)在槍彈外觀檢測(cè)上的應(yīng)用

彭 旭，李 錦，李全俊

(中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所 彈藥中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

針對(duì)14.5/12.7mm口徑機(jī)槍彈外觀缺陷檢測(cè)過(guò)程中存在的勞動(dòng)力密集、勞動(dòng)強(qiáng)度大和漏檢、誤檢率高等問(wèn)題，提出了采用智能識(shí)別系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行全面的數(shù)字化、自動(dòng)化改造的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)解決在線檢測(cè)和自動(dòng)化裝備之間的匹配融合性難點(diǎn)，創(chuàng)新使用槍彈外觀圖像檢測(cè)技術(shù)，為槍彈全線自動(dòng)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

外觀檢測(cè)；圖像處理；槍彈

外觀檢測(cè)作為槍彈裝配生產(chǎn)最后的工序，需要通過(guò)對(duì)彈身360°旋轉(zhuǎn)檢測(cè)，挑選出彈身有劃傷、凹坑、油污、裂紋等缺陷的產(chǎn)品，才能保證槍彈的裝箱合格率。目前槍彈生產(chǎn)中外觀檢測(cè)大都采用人工目視檢測(cè)的方式，被檢子彈由傳輸絲杠帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，憑肉眼檢查是否存在外觀缺陷，這種簡(jiǎn)單重復(fù)的檢測(cè)方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，人眼極易疲勞，長(zhǎng)時(shí)間工作容易出現(xiàn)錯(cuò)檢、漏檢，造成極大的質(zhì)量安全隱患。

作者采用圖像識(shí)別系統(tǒng)對(duì)槍彈外觀檢測(cè)進(jìn)行數(shù)字化和自動(dòng)化研究，突破機(jī)槍彈外觀檢測(cè)技術(shù)瓶頸，研制成功12.7/14.5 mm槍彈外觀圖像檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用線陣CCD相機(jī)、線陣光源、配合槍彈自動(dòng)上料及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，采集到的圖像清晰，分辨率高，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行高速處理[1-2]，從而判斷出彈殼/彈頭表面疵病(劃傷、凹坑、毛刺和裂痕)。

1 槍彈外觀檢測(cè)系統(tǒng)

槍彈外觀圖像檢測(cè)系統(tǒng)采用兩部線陣相機(jī)，分別對(duì)彈頭、彈殼部分單獨(dú)成像，根據(jù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)得出各自檢測(cè)結(jié)果，以此得出槍彈外觀質(zhì)量的綜合判定結(jié)果，并將綜合判定結(jié)果傳送到電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

1.1 系統(tǒng)組成

槍彈外觀圖像檢測(cè)系統(tǒng)由十工位轉(zhuǎn)臺(tái)、自動(dòng)上(下)料裝置、子彈自對(duì)中旋轉(zhuǎn)裝置以及彈頭檢測(cè)線陣相機(jī)(2k)、彈殼檢測(cè)線陣相機(jī)(4k)、光源、光源控制器、鏡頭、圖像采集卡、編碼器、圖像處理軟件、工業(yè)電腦等組成[3,4]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1彈殼檢測(cè)工位；2CCD相機(jī)(4k)；3自動(dòng)上料接口；4十工位轉(zhuǎn)臺(tái)；5自動(dòng)下料接口；6智能涂漆工位；7CCD相機(jī)(2k)；8彈頭檢測(cè)工位

圖1 槍彈外觀圖像檢測(cè)系統(tǒng)總圖

1.2 槍彈外觀檢測(cè)過(guò)程

槍彈完成裝藥轉(zhuǎn)配后通過(guò)平頂鏈條傳送至十工位轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)槍彈進(jìn)入檢測(cè)工位后，下壓氣缸將槍彈壓入對(duì)中定位模自動(dòng)對(duì)中，在動(dòng)力帶動(dòng)下沿自身中軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與子彈同步旋轉(zhuǎn)的編碼器控制相機(jī)采樣頻率，由線陣相機(jī)對(duì)彈頭和彈殼分別進(jìn)行成像，工業(yè)電腦對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，得出彈殼和彈頭部分的檢測(cè)結(jié)果并判斷是否合格。

1.3 槍彈外觀檢測(cè)系統(tǒng)的指標(biāo)

槍彈外觀圖像檢測(cè)系統(tǒng)作為光機(jī)電一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，采用多工位分步檢測(cè)模式，分別對(duì)14.5/12.7 mm口徑機(jī)槍彈彈殼、彈頭進(jìn)行外觀檢測(cè)，由控制系統(tǒng)做出綜合評(píng)價(jià)，以達(dá)到機(jī)器視覺(jué)代替人眼對(duì)子彈分選的效果。

本系統(tǒng)執(zhí)行效率為60發(fā)/min，可對(duì)彈體表面的缺口、透孔、裂痕；寬度≥0.3 mm、長(zhǎng)度≥4 mm的線痕；面積≥8 mm2的凹坑、污漬、劃傷等外觀缺陷做出有效判別。

2 圖像檢測(cè)系統(tǒng)

槍彈的外觀質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

1.光源；2.電動(dòng)機(jī)；3.編碼器；4.線陣相機(jī)；5.圖像采集卡；6.計(jì)算機(jī)

2.1 成像原理

外觀檢測(cè)最關(guān)鍵的技術(shù)是圖像采集，目前用于視覺(jué)識(shí)別的相機(jī)有面陣相機(jī)和線陣相機(jī)2種，面陣相機(jī)能夠一次對(duì)一個(gè)平面成像，但是相對(duì)于槍彈這樣的椎體零件，平面成像會(huì)導(dǎo)致曲面上的缺陷被拉升或壓縮，造成誤判。同時(shí)，面陣相機(jī)要求光源均勻照射在被攝面，雜光對(duì)其干擾較大，這增大了設(shè)備的技術(shù)難度，而且要拍攝整個(gè)柱面至少需要使用3部面陣相機(jī)。由于面陣相機(jī)的普遍分辨率不高，硬件成本高，不適合椎體零件的表面缺陷檢測(cè)[5]。

線陣相機(jī)一次僅對(duì)椎體表面縱向上的一條線進(jìn)行成像，要完成整個(gè)椎體面的掃描需要椎體轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度后，對(duì)下一條線進(jìn)行成像，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)精度的需求，椎體旋轉(zhuǎn)360°可完成1 000～5 000條線采像(由編碼器控制采像起止點(diǎn))。線陣相機(jī)分辨率較高，光源要求簡(jiǎn)單，特別適合椎度小的椎體類和圓柱體類零件的外觀圖像采集。

本系統(tǒng)采用高分辨率線陣相機(jī)，選用高亮度光源，配合彈體旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，對(duì)彈殼及彈頭表面分別進(jìn)行高速掃描，通過(guò)圖像采集卡用內(nèi)存拷貝的方式將圖像上傳至計(jì)算機(jī)，完成彈體外表面的展開(kāi)成像和圖像采集。圖3、圖4為彈頭、彈殼部分展開(kāi)照片。

圖3 彈頭旋轉(zhuǎn)360°成像(圖中亮點(diǎn)為劃痕) 圖4 彈殼旋轉(zhuǎn)360°成像(圖中亮點(diǎn)為劃痕)

2.2 圖像處理

錐體表面成像后，需要運(yùn)用圖像處理算法對(duì)圖像進(jìn)行處理才能夠得到正確的檢測(cè)結(jié)果。首先進(jìn)行圖像的預(yù)處理，包括濾波、圖像平滑、圖像對(duì)比度增強(qiáng)等[6-7]，主要是去除圖像中的噪聲點(diǎn)。其次采用自適應(yīng)閾值分割算法對(duì)圖像中的缺陷進(jìn)行分割。最后計(jì)算分割后的缺陷的面積或長(zhǎng)度，根據(jù)人為設(shè)定的閾值判別是否合格。其流程如圖5所示。

圖5 外觀檢測(cè)圖像處理流程

2.3 外觀檢測(cè)

為了保證槍彈成品質(zhì)量，要求零漏檢率和低誤判率，只允許極少量的合格產(chǎn)品被判定為不合格產(chǎn)品，但不允許不合格產(chǎn)品被判定為合格產(chǎn)品。

由于日均檢測(cè)量大，必須采用高速動(dòng)態(tài)連續(xù)檢測(cè)(每秒1發(fā))，在每個(gè)工位采用并行工作的結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)以10個(gè)工位高精度轉(zhuǎn)臺(tái)為主體，所有檢測(cè)都是在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)完成物流傳輸?shù)幕A(chǔ)上進(jìn)行的。

系統(tǒng)完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，啟動(dòng)槍彈外觀檢測(cè)系統(tǒng)后，系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)到達(dá)工位的彈頭(或彈殼)分別進(jìn)行外觀成像，檢測(cè)頁(yè)面上會(huì)顯示此次檢測(cè)的彈頭和彈殼的處理結(jié)果，并給出總的處理結(jié)果(OK或NG)，控制系統(tǒng)根據(jù)總體處理結(jié)果對(duì)槍彈進(jìn)行分類輸送，不合格品在下一工位剔除。

幾種外觀檢測(cè)及處理結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 彈頭NG，彈殼NG，總體NG

圖7 彈頭OK，彈殼NG，總體NG

圖8 彈殼OK，彈頭OK，總體OK

3 關(guān)鍵技術(shù)

14.5/12.7 mm口徑機(jī)槍彈外觀圖像檢測(cè)系統(tǒng)作為光機(jī)電一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，重點(diǎn)解決在線檢測(cè)和自動(dòng)化裝備之間的匹配融合難點(diǎn)，突破連續(xù)高速自動(dòng)上料、分揀、彈體高速平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高速圖像采集與處理、多工位通訊等技術(shù)，采用多工位分步檢測(cè)模式，分別對(duì)彈殼、彈頭進(jìn)行外觀檢測(cè)，由控制系統(tǒng)做出綜合評(píng)價(jià)，達(dá)到機(jī)器視覺(jué)代替人眼對(duì)子彈分選的效果。研制中，通過(guò)開(kāi)展質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及工藝流程研究，使其能和自動(dòng)化、信息化、數(shù)字控制和質(zhì)量監(jiān)控相匹配，本文將在下面論述相關(guān)的研究。

3.1 自動(dòng)分揀技術(shù)

機(jī)槍彈自動(dòng)分揀是指所有外觀檢測(cè)項(xiàng)目完成后，設(shè)備能夠根據(jù)檢測(cè)結(jié)果將子彈按照外觀合格與否歸入不同的容器，達(dá)到檢測(cè)目的，便于生產(chǎn)部門根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)。

設(shè)備針對(duì)具體分揀要求，本系統(tǒng)在轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)計(jì)了抽板式分揀結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制氣缸動(dòng)作，與物流傳輸速度同步，其剔除不合格品完成時(shí)間只需0.4 s，使得圖像采集與處理有充足的運(yùn)行時(shí)間，既滿足分揀要求，又節(jié)約空間。

3.2 彈體對(duì)中旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

線陣CCD相機(jī)的拍攝成像要求彈體能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的精度直接決定彈體的成像精度。

彈頭及彈殼都是經(jīng)過(guò)沖壓加工成形的錐體，外殼精度較差，不適合準(zhǔn)確定位，彈體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)易發(fā)生抖動(dòng)和轉(zhuǎn)速不均等現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)許多槍彈生產(chǎn)企業(yè)都在圖像檢測(cè)方面進(jìn)行過(guò)大量研究開(kāi)發(fā)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)不到要求，成像精度差，系統(tǒng)無(wú)法對(duì)圖像進(jìn)行準(zhǔn)確處理而失敗。因此采用合理的定位旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，保證彈體沿自身軸線平穩(wěn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，是保證相機(jī)清晰成像的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

1下壓氣缸；2CCD相機(jī)；3對(duì)中復(fù)位模；4傳動(dòng)鏈輪；5編碼器

當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)將子彈帶到檢測(cè)工位后，下壓氣缸動(dòng)作，壓桿的球形凹面與彈尖接觸并將子彈壓入對(duì)中復(fù)位模，子彈在鏈輪帶動(dòng)下勻速平穩(wěn)地旋轉(zhuǎn)，下部與子彈同步旋轉(zhuǎn)的編碼器控制相機(jī)采樣時(shí)間，以滿足線陣相機(jī)拍攝精度的要求。

3.3 多工位通訊技術(shù)

由于系統(tǒng)采用彈殼/彈頭分步式圖像檢測(cè)，因此一枚槍彈各個(gè)工位的檢測(cè)結(jié)果也是分步到達(dá)?？刂破鏖_(kāi)辟適當(dāng)?shù)闹修D(zhuǎn)存儲(chǔ)區(qū)以便儲(chǔ)存分步檢測(cè)結(jié)果[8]，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果全部收到后，再通過(guò)判決算法來(lái)判定該彈的最終結(jié)果。

4 結(jié)論

由于機(jī)器視覺(jué)比人工視覺(jué)在檢測(cè)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)采用圖像檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行外觀在線檢測(cè)的研究方興未艾，紛紛開(kāi)發(fā)類似系統(tǒng)來(lái)達(dá)到技術(shù)升級(jí)、設(shè)備改造的目的，相關(guān)技術(shù)也日趨成熟。因此，用機(jī)器視覺(jué)代替人眼是工業(yè)產(chǎn)品在線質(zhì)量檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

該12.7/14.5 mm口徑機(jī)槍彈外觀圖像檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)通用系統(tǒng)，只要對(duì)結(jié)構(gòu)稍加改造，就可以應(yīng)用于5.56/7.62 mm口徑運(yùn)動(dòng)彈、23/30 mm口徑航空彈等多個(gè)彈種的外觀檢測(cè)，有利于槍彈制造企業(yè)從人工密集型向技術(shù)集約型轉(zhuǎn)變，降低企業(yè)人力成本和能耗成本，大幅提升我國(guó)槍彈裝配自動(dòng)化水平。

[1] 張亞軍，齊杏林.槍彈彈頭無(wú)接觸自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào),2012，33(5):6-10.

[2] 張亞軍，齊杏林，董成基.機(jī)器視覺(jué)下基于圖像灰度值形態(tài)學(xué)的槍彈鋼芯表面檢測(cè)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2012,33(6)：59-61.

[3] 劉金橋，吳金強(qiáng).機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010(1):215-216.

[4] 史進(jìn)偉，郭朝勇，劉紅寧.基于機(jī)器視覺(jué)的槍彈外觀缺陷檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013(4)：59-64.

[5] 孫文緞，葉玉堂，劉彬，等.基于線陣相機(jī)采集平臺(tái)的槍彈表面質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究[J].兵工自動(dòng)化，2013,32(1)：87-90.

[6] 李雪威，張新榮.保持邊緣的高斯平滑濾波算法研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2010,27(1):83-84.

[7] Milan Sonka，Vaclav Hlavac，Roger Boyle.艾圖像處理、分析與機(jī)器視覺(jué) [M].3版.海舟，蘇延超，譯.北京：清華大學(xué)出版社,2011.

[8] 謝蔚卿，趙凱，劉彬,等.彈殼外觀質(zhì)量檢測(cè)中的數(shù)據(jù)流分析[J].兵工自動(dòng)化，2013,32(8)：91-93.

(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

Application of Digital Image Processing Technology in Cartridge Appearance Detection

PENG Xu, LI Jin, LI Quan-jun

(Center of Ammunition, No.58 Research Institute of China Ordnance Industries, Mianyang 621000, China)

Aiming at problems such as packed labor, large labor intensity and high ratio of error detection in cartridge case surface detection of 14.5/12.7 mm caliber bullets, we used intelligent recognition system to complement numerical and automated production line. The focus was to solve the difficulties of syncretization between online detection and machine automation. The technology is an important innovation in bullet appearance detection, which lays a foundation for fully automation of bullet production.

appearance detection; image processing; bullet

2015-01-20

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2014AA041604)

彭旭(1975—),男,高級(jí)工程師,主要從事槍彈自動(dòng)裝藥裝配技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2015.08.021

彭旭，李錦，李全俊.圖像處理技術(shù)在槍彈外觀檢測(cè)上的應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(8):85-88.

format:PENG Xu, LI Jin, LI Quan-jun.Application of Digital Image Processing Technology in Cartridge Appearance Detection[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):85-88.

TP29；TJ2

A

1006-0707(2015)08-0085-04