基于機(jī)器視覺(jué)在線檢測(cè)圓形工件尺寸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

陳輝陽(yáng) 鄭爐玉 石淑琴

(1.杭州歐譜洛博自動(dòng)化技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311100； 2.浙江中通文博服務(wù)有限公司，浙江 杭州 310000； 3.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

基于機(jī)器視覺(jué)在線檢測(cè)圓形工件尺寸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

陳輝陽(yáng)1鄭爐玉2,3石淑琴3

(1.杭州歐譜洛博自動(dòng)化技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311100； 2.浙江中通文博服務(wù)有限公司，浙江 杭州 310000； 3.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053)

通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)一種可同時(shí)檢測(cè)圓形工件多角度的在線視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng),根據(jù)等腰直角棱鏡的光線折射、反射特性，計(jì)算光線入射角與棱鏡出射角關(guān)系式,并求出光源與棱鏡的安裝角度關(guān)系，入射光線與棱鏡表面的呈現(xiàn)角度,設(shè)計(jì)一套視覺(jué)檢測(cè)結(jié)構(gòu)，并計(jì)算各檢測(cè)尺寸值與原尺寸值的關(guān)系式。該系統(tǒng)可應(yīng)用于全自動(dòng)螺栓視覺(jué)篩選機(jī)，實(shí)現(xiàn)螺栓快速穩(wěn)定檢測(cè)。

機(jī)器視覺(jué); 圓形工件; 等腰直角棱鏡

1 機(jī)器視覺(jué)發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)控制技術(shù)是用機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器手代替人眼、人手來(lái)進(jìn)行檢測(cè)、測(cè)量、分析、判斷和決策控制的智能測(cè)控技術(shù)[1-2]。其系統(tǒng)構(gòu)成一般由視覺(jué)傳感器(通常是CCD相機(jī))、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)、鏡頭、機(jī)械控制執(zhí)行模塊和輔助設(shè)備(如光源)等構(gòu)成。機(jī)器視覺(jué)的工作原理[3]為:攝像機(jī)拍攝目標(biāo)場(chǎng)景獲得原始圖像，圖像采集卡實(shí)時(shí)地將攝像機(jī)獲取的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)，并將圖像直接傳給計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)提取特征要素(如面積、長(zhǎng)度、灰度、位置特征等),最后根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出判斷結(jié)果，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行的相應(yīng)動(dòng)作[4]。

隨著計(jì)算機(jī)與圖像處理技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域。作為一種高精度、高自動(dòng)化的先進(jìn)技術(shù)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)從1930年后期誕生到現(xiàn)在近70年的時(shí)間[5]，使多種機(jī)器具有了視覺(jué)的功能，主要用于質(zhì)量控制、過(guò)程控制和運(yùn)動(dòng)控制，其優(yōu)越性吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，對(duì)機(jī)器視覺(jué)的研究形成了全球性熱潮，處理器、圖像處理等技術(shù)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了機(jī)器視覺(jué)的蓬勃發(fā)展，涵蓋了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、軍事、交通和科學(xué)研究等許多領(lǐng)域[6]。

2 圓形工件的檢測(cè)現(xiàn)狀

在工業(yè)機(jī)械制造中，以圓柱、圓孔、圓球等圓形為特征的工件占有相當(dāng)?shù)谋壤齕7]。由于來(lái)料缺陷、設(shè)計(jì)制作工藝流程不完善、加工制作零件損壞、操作不當(dāng)?shù)仍虍a(chǎn)生瑕疵品，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制。隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展與推廣，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的企業(yè)都使用機(jī)器視覺(jué)設(shè)備對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，從而提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

目前,檢測(cè)圓形工件主要采用人工測(cè)量法。人工測(cè)量法一般使用直尺、游標(biāo)卡尺和千分尺等工具去測(cè)量其直徑，定位其中心等圓形參數(shù)后再調(diào)整對(duì)準(zhǔn)[8]，這些測(cè)量手段的檢測(cè)精度和效率比較低，而且操作者的經(jīng)驗(yàn)和工作態(tài)度往往影響其準(zhǔn)確率。部分加工制造企業(yè)制作專(zhuān)用的模具(如通止規(guī)等)，對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量。操作員工將工件放入模具中，如果工件能夠正常通過(guò)模具，則該工件為合格工件；反之則作為次品工件被挑出。該方法生產(chǎn)不同的工件時(shí)只需要更換模具即可，切換規(guī)格方便。但人工檢測(cè)效率低下，人為因素影響大，在檢測(cè)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生混料、漏檢等情況，產(chǎn)品質(zhì)量低下，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代化生產(chǎn)制造的要求。

2 圓形工件檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)圓形工件多工位在線視覺(jué)檢測(cè)的行業(yè)現(xiàn)狀，本文研究等腰直角棱鏡的光線折射和反射特性，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

2.1 直角棱鏡入射角與出射角關(guān)系式計(jì)算

直角棱鏡又稱(chēng)為阿貝棱鏡，由于它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，即利用全反射特性，棱鏡的出射光線與入射光線具有恒偏向角，所以經(jīng)常應(yīng)用在光譜儀器中[9]。

入射光線與工件表面法線所成角為入射角，出射光線與工件表面法線所成角為出射角。如圖1所示，ABC是等腰直角棱鏡的主截面，∠A=45°，∠B=45°，∠C=90°，一束平行光入射到AC面上發(fā)生折射，設(shè)入射角為θ，折射角為α，折射光線又入射到AB面上，發(fā)生全反射，到達(dá)BC面上，再次發(fā)生折射，其入射角為β，折射角為γ?，F(xiàn)計(jì)算出射角γ與入射角θ的關(guān)系式。由圖1可以看出，∠DEF=∠DGH=135°，因光線在BC面發(fā)生全反射，故∠FDE=∠GDH,得到角∠α=∠β。光入射到介質(zhì)上的方向改變，則入射光的方向與介質(zhì)的光軸的夾角也改變。對(duì)于各向同性介質(zhì)，介質(zhì)的折射率只跟頻率有關(guān)，與入射光的方向無(wú)關(guān)[10]。

(1)

解得 ∠θ=∠γ

(2)

圖1 直角棱鏡入射出射光路

2.2 棱鏡與入射光線角度計(jì)算

本文中主要針對(duì)圓形工件進(jìn)行多角度同時(shí)檢測(cè)，為了均勻地檢測(cè)工件一周，需保證每個(gè)角度均分，工件與光路圖如圖2所示，為使檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠，需保證最終射入鏡頭的所有最終光線互相平行，故入射角與最終出射角的夾角為120°。

圖2 工件與光路

由圖1和式(2)可得:

∠θ+∠γ+90°=120°

(3)

將關(guān)系式(2)代入關(guān)系式(3)得到:

∠θ=∠γ=15°

(4)

由圖3可知,傾斜入射光線與水平線的夾角為30°，故棱鏡與水平線之間的夾角為:

∠ω=30°-∠θ=15°

(5)

即實(shí)際入射光線與棱鏡表面夾角為105°。

圖3 棱鏡角度偏移

2.3 光源、鏡頭選擇及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1光源的選擇 在此系統(tǒng)中涉及光線的折射與反射，故所需要的光源應(yīng)盡可能地呈單方向的直線光，主要有遠(yuǎn)心光源、背光源、條形光源、同軸光源等[11]?？紤]到檢測(cè)尺寸以及系統(tǒng)成本、體積等因素，本文主要考慮背光源以及條形光源。條形光源適合于檢測(cè)圓柱形的工件，工件細(xì)而長(zhǎng)，使用條形光源有利于節(jié)約設(shè)備空間與成本。背光源可滿(mǎn)足一些多尺寸規(guī)則形狀圓形工件的檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際的檢測(cè)工件的大小及形狀選擇合適大小的光源。

2.3.2鏡頭的選擇 為了精確計(jì)算各角度的尺寸，一般采用遠(yuǎn)心鏡頭，避免因光線經(jīng)過(guò)棱鏡折射，距離加長(zhǎng)，導(dǎo)致圖形模糊的現(xiàn)象。現(xiàn)在市場(chǎng)上使用的遠(yuǎn)心鏡頭針對(duì)大工件視野的鏡頭主要有24 mm、36 mm、48 mm、56 mm、64 mm、72 mm、80 mm、96 mm等規(guī)格，視野越大，鏡頭價(jià)格越高昂，故在實(shí)現(xiàn)需求的前提下盡可能減小視野范圍，以節(jié)約成本。以6 mm的緊固件為實(shí)際檢測(cè)樣本，根據(jù)畫(huà)圖計(jì)算，實(shí)際最小需要的視野約為73 mm，選擇視野范圍為80 mm的遠(yuǎn)心鏡頭。

2.3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，運(yùn)算設(shè)計(jì)得到最終系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中,1、6、7為光源，2為工件，3、8為棱鏡，4為遠(yuǎn)心鏡頭，5為相機(jī)。拍得的圖片正好由工件的等分三部分組成，通過(guò)計(jì)算兩邊的尺寸變形量，即可準(zhǔn)確地計(jì)算出工件三個(gè)區(qū)域的直徑。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4 折射后工件的尺寸與原尺寸規(guī)律計(jì)算

為了進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，還需計(jì)算經(jīng)過(guò)機(jī)構(gòu)折射后的尺寸與原尺寸之間的規(guī)律。實(shí)際光路結(jié)構(gòu)如圖5所示，求出QM與PS關(guān)系式，因射入的光束為平行光束，且棱鏡的折射率固定，故棱鏡內(nèi)的光線也平行，即IN∥DF，得到∠AIN=∠ADF,因棱光線DF在AB面上發(fā)生全反射，故∠ADF=∠BDH,得到∠AIN=∠BDH。已知直角棱鏡∠ABC=∠BAC=45°，由此可得出

△AIN∽△BDH

(6)

(7)

圖5 光路結(jié)構(gòu)

因光束IN∥DF，故

△AIN∽△ADF

(8)

(9)

將式(7)代入式(9)得:

(10)

因平行光束IN及DF在AB面上發(fā)生全反射，故DH∥IJ

得到 △BGH∽△BIJ

(11)

(12)

將式(9)代入式(12)，得到

FN=JM

(13)

已知∠ω=∠θ=15°,故

QM=JMcosω=FNcosθ=PS

(14)

由QM=PS可知，光線在該系統(tǒng)中并未發(fā)生畸變，故相機(jī)所拍攝到的圖形中不存在因棱鏡的光線偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生尺寸偏差，相機(jī)將圖形信息傳送至電腦，經(jīng)過(guò)電腦運(yùn)算即可準(zhǔn)確的得到工件各個(gè)角度的尺寸。

3 圓形工件檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

緊固件是長(zhǎng)桿圓柱形工件，國(guó)內(nèi)緊固件制造企業(yè)對(duì)其產(chǎn)品的檢測(cè)主要還是依靠人工完成，而人工檢測(cè)存在主觀判斷誤差、視覺(jué)疲勞等問(wèn)題，因此造成檢測(cè)效率低下、檢測(cè)質(zhì)量不穩(wěn)定、弱外觀表現(xiàn)的關(guān)鍵功能缺陷不易識(shí)別。伴隨人工成本逐年提高，國(guó)內(nèi)企業(yè)在行業(yè)內(nèi)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力也受到制約。

國(guó)內(nèi)企業(yè)已逐步使用緊固件在線檢測(cè)設(shè)備替代人工，而緊固件存在部分螺紋大量缺失，螺紋部分有大塊積液等問(wèn)題一直沒(méi)有有效的解決辦法。在現(xiàn)有直線式輸送結(jié)構(gòu)的在線檢測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上，應(yīng)用本系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)了螺紋多角度同時(shí)測(cè)量，能檢出螺紋上的大塊積液以及螺紋部分缺失等缺陷。圖6為緊固件實(shí)物檢測(cè)圖片，該設(shè)備可快速穩(wěn)定的檢測(cè)螺栓所有缺陷，擁有體積小，價(jià)格低，檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 緊固件實(shí)物檢測(cè)

4 結(jié)論

(1) 對(duì)圓形工件的在線檢測(cè)現(xiàn)狀，根據(jù)等腰直角棱鏡的光線折射反射特性，計(jì)算了光源發(fā)出的光線入射角與棱鏡出射角關(guān)系式，并求出光源與棱鏡的安裝角度關(guān)系，入射光線與棱鏡表面呈105°。

(2) 設(shè)計(jì)了一套視覺(jué)檢測(cè)結(jié)構(gòu)由3個(gè)光源、2個(gè)等腰直角棱鏡、一個(gè)鏡頭及相機(jī)組成系統(tǒng)，并計(jì)算了該系統(tǒng)檢測(cè)尺寸值與原尺寸值的關(guān)系式。

(3) 實(shí)際檢測(cè)效果及應(yīng)用結(jié)果表明：該系統(tǒng)應(yīng)用于全自動(dòng)螺栓品質(zhì)視覺(jué)分選機(jī)后，穩(wěn)定檢測(cè)了圓形工件的多角度尺寸，檢測(cè)精度高。該設(shè)備在2016年已經(jīng)出廠，目前應(yīng)用穩(wěn)定，滿(mǎn)足了客戶(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、成本低廉的要求，解決了螺紋部分缺失、螺紋積液、光桿變形等缺陷的檢測(cè)難點(diǎn)。

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ResearchonLineInspectionofCircularWorkpiecebasedonMachineVisionDesignandDimensionSystem

CHENHuiyang1,ZHENGLuyu2,3,SHIShuqin3

(1. Hangzhou Optrobot Automation Technology Co. Ltd. Hangzhou 311100, China; 2. Zhejiang Sino Cultural Services Co., Ltd. Hangzhou 310000, China; 3. Zhejiang Mechanical and Electrical Professional Technology Institute, Hangzhou 310053, China)

This paper, based on machine vision technology, designs an on-line visual inspection system for testing multi angles of circular workpiece. According to the refraction and reflection characteristics of the isosceles right angle prism, the relation between the incident angle of light and the angle of the prism exit is calculated, and the relation between the light source and the prism is calculated. The incident light is 105 degrees to the prism surface. A visual inspection structure is designed, and the relationship between the measured size values and the original size values is calculated. This system is applied to the automatic bolt visual screening machine, the rapid and stable bolt detection is realized.

machine vision; circular workpiece; isosceles right angle prism

2017-09-07

杭州市財(cái)政專(zhuān)項(xiàng)資金“機(jī)械關(guān)鍵構(gòu)件缺陷成因分析及全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”(20161631E20)

陳輝陽(yáng)(1986— ),男，浙江東陽(yáng)人，助理工程師，研究方向：在線自動(dòng)檢測(cè)研究。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.06.012

TP 27.5

A

1671-7880(2017)06-0042-04

責(zé)任編輯俞林