視覺測量系統(tǒng)在液晶玻璃磨邊中的應用*

饒 欽，郭小菊，鄭 重，康德功

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

當前工業(yè)機器視覺是一個發(fā)展十分迅速的研究領域，并成為計算機科學的重要研究領域之一。國家發(fā)展規(guī)劃提出“智能制造工業(yè)4.0”的目標[1]，這對機器視覺的性能、可靠性、穩(wěn)定性和精確度提出了更高的要求。機器視覺技術已經(jīng)被廣泛地應用到生活生產(chǎn)的各個方面，從生物微小圖像到衛(wèi)星遙感圖像，從工業(yè)測量到人臉指紋識別?？梢哉f，需要人類視覺的場合幾乎都需要機器視覺[2]。特別是在人類視覺無法感知的領域，機器視覺更能體現(xiàn)其重要性。

對于小尺寸工件的精密測量，傳統(tǒng)的接觸式測量容易破壞工件表面和改變相對位置，從而影響測量的精度[3]。對于大批量生產(chǎn)只能采用抽樣檢測。在抽樣檢測中，用樣品的質量來估計整批產(chǎn)品的質量，這樣往往會存在誤檢。同時，長期的工作會造成人眼過度疲勞，這也帶來穩(wěn)定性問題；而惡劣的工作環(huán)境還會影響操作人員身體健康。由此可見，傳統(tǒng)的測量方法無法滿足現(xiàn)代精密制造的需求?；跈C器視覺的測量是一種高效快捷的新方法。

在液晶玻璃磨邊測量中，需要快速大批量測量，而且測量精度較高在毫米級以下，普通人工檢測已經(jīng)無法滿足實時需求，同時人工手檢容易對液晶玻璃造成劃傷和磕碰。所以本文應用基于機器視覺的磨邊厚度測量技術，通過視覺檢測邊緣位置，以此相對位置差作為最后測量磨邊厚度。

1 液晶玻璃磨邊工藝簡介

對玻璃的邊緣或者棱進行打磨，這種工藝在工業(yè)中應用比較廣泛，包括生活中用到的玻璃門、玻璃桌子等等。本文涉及到的是對車載顯示用液晶玻璃進行磨邊。

車載顯示中用到的液晶玻璃，其中有一道工藝是對玻璃的棱邊進行磨削，以保證后道工序正常進行。磨邊主要是將玻璃側面的上下兩個長邊棱分別進行打磨。設備中通常采用兩個高速旋轉的砂輪，從45°方向逐漸接近玻璃，對玻璃進行打磨。磨邊示意圖如圖1所示。

圖1 磨邊示意圖

調(diào)整轉動的砂輪在打磨過程中會冒出火星，所以設備會持續(xù)向砂輪上噴水，同時沖刷掉磨削產(chǎn)生的細小的玻璃渣。之后由氣刀對玻璃進行吹氣烘干，最后由視覺對玻璃進行測量。

2 測量系統(tǒng)設計

磨邊測量系統(tǒng)本身需要完整的視覺系統(tǒng)，同時還需要與控制設備的PLC進行通訊。

本系統(tǒng)主要功能是對玻璃打磨過的邊進行測量。其中主要涉及圖像系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。

2.1 硬件選型

1) 工控機

考慮到軟件通用性及開發(fā)的快速性，由于該系統(tǒng)對測量效率要求較高，在軟件優(yōu)化的情況下采用Intel i5處理器，4G內(nèi)存，WIN764位操作系統(tǒng)，同時工控機需要有RS232接口、USB2.0接口。其中RS232口用來和松下PLC進行通訊，USB2.0接口用來連接相機。

2) 相機

由于相機視野最多為10 mm，當玻璃尺寸較大時，檢測臺每檢測10 mm時再起停，這種效率太低達不到要求，考慮到設備測量效率問題，所以這里采用玻璃在運動過程中拍攝測量，這就需要高速、全局曝光的相機。本文選用加拿大灰點相機，型號為CMLN-13S2M-CS，CS接口，130萬黑白相機，尺寸為1296*964，USB2.0接口，全局曝光，幀率為18FPS。

實際檢測中，玻璃的厚度最大為1.1 mm，所以在保證能拍攝到圖像的前提下減小圖像尺寸，這里將相機ROI區(qū)域設置為1296*480，這樣相機的幀率更快。

同時將曝光時間盡量地設置短，由于是在運動過程中拍攝圖像，曝光時間越短圖像失真也越小。同時曝光時間越短，相機的幀率也會提高。

考慮到系統(tǒng)對玻璃側面的上下兩個磨邊的棱的垂直距離進行測量，所以采用相機水平放置方法，從左右兩個相機進行拍攝。

3) 鏡頭

針對視野的要求和測量精度的要求，進而合理的采用了0.8倍的鏡頭，并且采用遠心鏡頭，此鏡頭可保證得到的圖像低畸變[4]?？紤]到視野大小與相機分辨率，采用0.8倍的遠心鏡頭，此時一個像素代表7.5 μm，圖像中長邊可以達到9 600 μm。

4) 光源

光源的選型對成像影響很大，合適的光源可以得到清晰少干擾的圖像[5]。由于是對玻璃邊打磨過的棱進行檢測，而棱對光會是漫反射，而周圍的玻璃面則是鏡面反射。所以這里選用白色外部條形光，為了得到效果更好的圖像，因而最終選擇高均勻白色條形光；用條形光分別垂直向下打光。由于該玻璃為深藍色玻璃，光在玻璃內(nèi)部傳輸量小，光對玻璃左棱到右棱的影響小。

2.2 機械結構

檢測臺的運動方向中沿X方向往復運行，檢測臺上放置已經(jīng)打磨好待測量的液晶玻璃。

白色條形光源分別垂直向上和向下打光，使均勻的光能反射到水平放置的鏡頭之中。

相機水平放置，這樣可以更好接收從玻璃棱反射來的光線。

圖2 機械結構圖

理論上，當檢測臺水平時，放置在檢測臺上的玻璃也是水平的，所以玻璃上表面上棱的高度位置和玻璃下表面下棱的高度位置是不會變化的。但是實驗中，檢測臺的水平度只能過到10 μm量級，這種不水平對圖像檢測容易產(chǎn)生干擾，特別是當玻璃尺寸較大時，玻璃在相機視野中可以看出是明顯的傾斜。針對這種問題只能通過圖像測量軟件進行處理。

2.3 軟件設計

軟件主要在VS2010環(huán)境下采用C#編寫。

軟件主要分為以下部分：相機配置、通訊配置、圖像檢測。

1) 相機設置

主要針對相機參數(shù)和采集圖像的基本操作進行相關配置。其中包括選擇相機對應的序列號，相機的曝光時間和增益。還有對相機采集到的圖像進行翻轉處理。相機配置功能如圖3所示。

2) PLC串口通訊

工控機與松下PLC之間采用松下自有的MEWTOCOL協(xié)議[6]。利用串口進行通訊，由工控機直接讀寫PLC中的DT區(qū)。串口通訊配置如圖4所示。

圖3 相機配置界面

圖4 通訊配置界面

3) 邊緣檢測方法

常用的邊緣檢測方法有Sobel邊緣、Robert邊緣、Prewitt邊緣和Laplacian邊緣[7]。經(jīng)過比較和分析，由于玻璃水平放置，圖像中主要是Y方向豎直邊緣。所以這里采用Sobel邊緣?？紤]到玻璃打磨的邊具有連續(xù)性，所以這里會在一定區(qū)域內(nèi)取邊緣位置的水平投影，以投影最大值作為邊緣的位置。

4) 測量設定

測量設定主要包括兩個部分，分別是玻璃上下基準線的設定和邊緣厚度上下限的設置。

生產(chǎn)線傳送來的玻璃被水平放置于檢測臺之上，由于檢測臺的平整度精度不夠高，會導致玻璃側面不夠水平。所以這里會人為設定一條基準線，程序會在人為設定的基準線的一個小范圍內(nèi)自動搜索實際玻璃基準線。

玻璃磨邊厚度的上下限由人為手動設置，由之前相機鏡頭的參數(shù)可知，一個像素點代表7.5 μm，所以人為設定好上下限后，圖像中會自動根據(jù)基準線位置顯示好上下限。

圖5 測量設定界面

3 運行結果與分析

該軟件在客戶現(xiàn)場24小時運行，檢測效果良好。實際運行過程中，將軟件測量的結果與實際用顯示鏡測量的結果進行對比，測量結果的誤差在1%以內(nèi)，達到了實際生產(chǎn)過程中的要求。

實際運行過程中檢測的圖像如圖6所示，綠色虛線為人為設定的基準線，紅線為軟件自動識別到的基準線，綠色的實線分別代表人為設定的上下限，藍色線為軟件自動識別的玻璃邊緣。

圖6 實際測量圖

4 結束語

本文設計的玻璃磨邊測量系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場應用，達到了客戶的要求，解決了人工手檢的問題，實現(xiàn)了自動化視覺檢測。同時，本測量系統(tǒng)通用性較強，可以拓展應用到其他相關領域的產(chǎn)品測量中。相信在未來的工業(yè)中，隨著視覺對位系統(tǒng)發(fā)展的進一步完善，它將在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，扮演更加重要的角色。

[1] 周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程,2015(17)：2273-2284.

[2] 段峰,王耀南,雷曉峰,等.機器視覺技術及其應用綜述[J].自動化博覽,2002,19(3):59-61.

[3] 廖強,周憶,米林,等.機器視覺在精密測量中的應用[J].重慶大學學報,2002,25(6):1-4.

[4] 鞠波.基于遠心鏡頭的高精度視覺測量儀[J].兵工自動化,2014(8):82-86.

[5] 李俊.機器視覺照明光源關鍵技術研究[D].天津：天津理工大學,2007.

[6] 陳永剛.PC與松下FP系列PLC的通信[J].科技資訊,2010(17):23-24.

[7] 王智文.幾種邊緣檢測算子的性能比較研究[J].制造業(yè)自動化,2012,34(11):14-16.