基于多CCD的氣彈簧桿表面缺陷檢測系統(tǒng)

詹寧宙，房勝鋒，巫炳和

（1.佛山市精視自動化科技有限公司，廣東佛山528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院自動化系，廣東佛山528000）

氣彈簧（gas spring）是以氣體和液體為工作介質(zhì)的一種彈性元件［1］，由壓力管、活塞、活塞桿及若干聯(lián)接件組成。根據(jù)不同的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，氣彈簧又被稱為支撐桿、調(diào)角器、氣壓棒、阻尼器等。高質(zhì)量的氣彈簧產(chǎn)品應(yīng)具有良好的密封性（不滴漏）、內(nèi)阻?。▔嚎s力小），且有足夠的回彈力、適宜的回彈速度、足夠的鎖緊力等，因此對其彈簧質(zhì)量要求很高。

目前國內(nèi)氣彈簧桿檢測方法為人工手動檢測，對于氣彈簧桿這種參數(shù)多、外觀缺陷不明顯的對象來說，人工檢測氣彈簧桿表面缺陷主要是通過手摸、目視、光照反射及光照投影等方法進(jìn)行檢查［2］。這些手工檢測的方法的整體檢測效率較低，工人的工作強(qiáng)度較大。檢測工人容易受其他外界因素，例如光線、疲勞等影響，容易出現(xiàn)漏檢誤檢的現(xiàn)象，導(dǎo)致檢查精確度不高，對最終的產(chǎn)品質(zhì)量造成影響。尤其是在大批量的工業(yè)生產(chǎn)過程中，檢測速度和精確度都很難滿足要求［3］。

針對以上問題，結(jié)合氣彈簧桿這種參數(shù)多，外觀缺陷不明顯的特點(diǎn)，本文研究了基于多CCD的氣彈簧桿表面缺陷檢測系統(tǒng)。

1 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

檢測系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動控制單元、PC端上位機(jī)控制系統(tǒng)以及圖像采集設(shè)備構(gòu)成，氣彈簧桿四相機(jī)表面缺陷檢測總體設(shè)計如圖1所示。各部分組成如下所述。

（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)由推料機(jī)構(gòu)與分揀裝置組成。

（2）運(yùn)動控制單元由PLC、步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器組成。

（3）工業(yè)相機(jī)通過USB2.0接口與PC機(jī)相連。

（4）圖像采集設(shè)備由光源、工業(yè)相機(jī)和光學(xué)鏡頭組成。

檢測系統(tǒng)的工作原理為：PLC接收到PC的控制命令后輸出送料信號，氣彈簧桿經(jīng)推料裝置運(yùn)送到檢測區(qū)，圖像采集設(shè)備對氣彈簧進(jìn)行采集，所采集的圖像上傳至上位機(jī)控制系統(tǒng)中，由上位機(jī)通過檢測算法（包括邊緣檢測、特征提取等），完成對氣彈簧桿的表面缺陷檢測，判斷氣彈簧桿是否合格后再進(jìn)行分揀。

圖1 表面缺陷檢測總體設(shè)計

2 缺陷檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 鏡頭和相機(jī)的選擇

氣彈簧桿表面缺陷不明顯，尺寸較長，檢測區(qū)域較大，相機(jī)拍的景深有限，考慮圖像傳感器自身噪聲因素及相機(jī)鏡頭畸變等因素，使用了4臺大恒MER-500-14GCGM工業(yè)數(shù)字相機(jī)，結(jié)合OPT-DS15-65AT遠(yuǎn)心鏡頭的使用以實現(xiàn)氣彈簧桿表面缺陷的檢測，4個相機(jī)間隔90°，沿待檢測氣彈簧的表面圓周方向設(shè)置，并與環(huán)形光源同軸，相機(jī)安裝如圖2所示。

相機(jī)通過相機(jī)連接塊固定在機(jī)架上，4相機(jī)環(huán)繞設(shè)置可以有效地全方位拍攝軸件的外圍輪廓，全面地檢測輪廓表面，每一個相機(jī)僅需負(fù)責(zé)桿件對應(yīng)區(qū)域即可，OPT遠(yuǎn)心成像鏡頭在物面，像面略不垂直于光軸或稍有離焦的情況下仍可保證恒定的放大倍數(shù)及恒定的透視測量［4］。較長的焦深可盡可能保證其在景深范圍內(nèi)物像倍率不變，并且在垂直成像時，無投影現(xiàn)象［5］。

圖2 相機(jī)安裝示意

2.2 光源選擇

氣彈簧桿表面光滑，易反光，考慮到正面照明會產(chǎn)生反射，為突出其清晰的表面圖像以達(dá)到檢測的要求，本系統(tǒng)中使用白色LED平行照明配合遠(yuǎn)心鏡頭，對平行光源的角度進(jìn)行精確定位,使其光線與遠(yuǎn)心鏡頭光軸平行，可使拍到的被測物輪廓圖像清晰銳利，不會出現(xiàn)透射變形。光源呈環(huán)形固定在機(jī)架上，以待檢測氣彈簧桿工件為中心設(shè)置。

3 檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計思想及流程

本檢測軟件是基于Labview開發(fā)的集成應(yīng)用軟件，系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

開始檢測后，PC上位機(jī)端輸出工件進(jìn)料信號，推料機(jī)構(gòu)將氣彈簧桿工件推入工業(yè)相機(jī)形成的氣彈簧桿表面檢測工位上，每次將待檢測的氣彈簧桿工件推進(jìn)10 mm，且同軸環(huán)形光源均勻照射工業(yè)相機(jī)的圖像采集區(qū)域，工業(yè)相機(jī)每隔10 mm獲取一次待檢測氣彈簧桿工件的圓周表面圖像，直至待檢測氣彈簧桿的圓周表面圖像全部獲取完畢，采集到的待檢測氣彈簧工件的圓周表面圖像上傳至上機(jī)控制系統(tǒng)中，檢測完成后，推料機(jī)構(gòu)將氣彈簧桿工件推出表面檢測工位進(jìn)入分揀。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

3.2 缺陷檢測程序

缺陷檢測系統(tǒng)主程序主要檢測流程如圖4所示。

圖4 主程序檢測流程

由圖4可知，其缺陷檢測步驟是：1）建立模板。2）確認(rèn)檢測對象。3）建立坐標(biāo)系。4）圖像預(yù)處理。5）圖像模板匹配。6）缺陷對比分析。7）篩選合格品。

缺陷檢測程序的編程思路是采用模塊化，每個模塊都有對應(yīng)的功能，在主程序中配置了各模塊的分程序，從而達(dá)到圖像采集、預(yù)處理、圖像定位匹配及圖像算法分析等功能，還有文件處理模塊，其可錄圖，保證脫機(jī)后還可對圖像進(jìn)行分析糾錯［6］。各模塊的功能如下所述。

（1）圖像采集模塊。圖像采集模塊的功能是要同時采集4個相機(jī)拍攝的圖像，4相機(jī)的圖像各有不規(guī)則的較小的亮色缺陷。

（2）圖像預(yù)處理模塊。圖像預(yù)處理模塊是將由外在環(huán)境因素、裝置運(yùn)作不良等對圖像產(chǎn)生的污點(diǎn)及噪聲進(jìn)去預(yù)處理，包括灰度化、濾波、二值化及定位校正等以此來獲得質(zhì)量較高且符合預(yù)期的圖像，便于后續(xù)分析處理。

（3）圖像定位匹配模板。圖像模板匹配和對比分析部分使用對應(yīng)圖像處理算法進(jìn)行處理，模板匹配算法是基于圖像相關(guān)性的算法，結(jié)合了歸一化互相關(guān)方法（NCC）的思想，其魯棒性和精確性都較高，再根據(jù)算法在LabVIEW上進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)，由計算機(jī)運(yùn)行程序自動完成對軸件側(cè)面（或兩端面）圖像上銹蝕、斑點(diǎn)及刮痕等缺陷的黑色連通區(qū)域的量化分析。通過對特征變量判別，將合格軸件圖像與缺陷圖像分類［7］，其中外觀缺陷識別流程如圖5所示。

（4）文件處理模塊。文件處理模塊包括人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)庫兩部分［8］。數(shù)據(jù)庫是把氣彈簧桿件程序框圖分析結(jié)果以Access文件存儲，便于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理。人機(jī)交互界面包括錄圖操作、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報錯位及幫助。

錄圖操作便于在實際生產(chǎn)過程中把生產(chǎn)圖片實時記錄下來，有利于后續(xù)分析，包括錄圖保存、最近錄圖、刪除錄圖及錄圖設(shè)置等。數(shù)據(jù)統(tǒng)計部分包括相機(jī)總統(tǒng)計與統(tǒng)計細(xì)則。相機(jī)總統(tǒng)計可以從中看到每個工位的相機(jī)拍圖的總數(shù)、良數(shù)及不良數(shù)等，統(tǒng)計細(xì)則是對零部件的檢測項目要求進(jìn)行囊括匯總，包括其上下限值、偏大數(shù)、偏小數(shù)及不良總數(shù)等。數(shù)據(jù)庫界面有顯示操作者的基本信息［9］，對文件操作的行為記錄、合格品與不合格品的百分比對比情況等信息，以便于操作員對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，分析，調(diào)整。

4 實驗及結(jié)果分析

該檢測系統(tǒng)的軟件界面截圖如圖6所示。

圖5 外觀缺陷識別流程

圖6 系統(tǒng)檢測界面

圖6中，上半部分是4個相機(jī)的采集圖樣，經(jīng)對黑色連通域進(jìn)行量化分析，準(zhǔn)確識別其銹蝕、斑點(diǎn)以及刮痕等缺陷。

氣彈簧桿隨機(jī)抽取10個樣品的檢測結(jié)果比較如表1所示。

表1 檢測結(jié)果比較mm2

由表1可知，該系統(tǒng)每分鐘檢測90個，誤差量在0.02 mm2以內(nèi)，檢測精度高且達(dá)到指定要求，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 小結(jié)

本文針對氣彈簧桿的特點(diǎn)和檢測要求，對基于多CCD的氣彈簧桿檢測系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行了選型和安裝，對軟件部分進(jìn)行了圖像算法的開發(fā)設(shè)計和應(yīng)用。分節(jié)推料分節(jié)采圖檢測，較好地解決了長桿型工件全方位、多方向的檢測要求。該檢測系統(tǒng)簡易有效，安裝簡便，檢測效率較高，滿足現(xiàn)場實時的檢測要求。該檢測系統(tǒng)目前已經(jīng)投入使用。

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