鋁合金表面耐磨性檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

利啟東，王　晗，曾耀斌，黃冠成

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東 廣州5100062；2.佛山市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測中心，廣東 佛山528225；3.佛山締樂視覺科技有限公司，廣東 佛山528225）

0　引言

鋁合金作為鋁加工材的主要品種之一以其獨特的裝飾性、優(yōu)良的隔音、保溫及可回收性、一次擠壓成型及較高的機械物理性能、良好的導(dǎo)熱性能及較高的比強度等優(yōu)點，被愈來愈廣泛地用于交通運輸、電子、機械、輕工、石油、化工、航空、航天等領(lǐng)域[1]。

鋁合金型材的表面耐磨性是保證型材質(zhì)量的重要手段，能反映出鋁型材的抗磨能力，是評定鋁型材質(zhì)量的重要指標之一，對各種測試方法進行深入研究是保證鋁型材質(zhì)量的重要意義所在。目前測試鋁型材涂層耐磨性可以有多種方法，如落砂試驗法、噴砂試驗儀法、輪磨試驗儀法等等[2]。我國對于鋁型材的耐磨性檢測主要采用落砂試驗法，檢測的標準為觀察樣品表面出現(xiàn)的黑點直徑是否大于2 mm，同時檢測當時的樣品電阻是否小于5 000 Ω作為輔助驗證[3]。目前主要依靠人手工完成落砂試驗，然而落砂試驗過程尤其漫長，人需要不停加砂的同時觀察鋁型材表面黑點直徑的變化，容易出現(xiàn)疲勞導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不準確和人力的耗費，這些都足以表明單純依靠人力難以滿足需求。進行自動化改造有利于降低人力成本，同時能夠提高效率。

本文研發(fā)了一套全自動鋁合金表面耐磨性檢測系統(tǒng)，利用計算機視覺技術(shù)代替人眼進行黑點直徑的檢測，采用（計算機和可編程邏輯控制器）PC-PLC的控制模式[4]，循環(huán)進行落砂試驗，不需要人為干預(yù)，解放了勞動力和解決人為誤判導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不準確問題。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

鋁合金表面耐磨性檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)圖2可知，主要分為4大系統(tǒng)，運動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。運動系統(tǒng)包含了回收砂模塊，上料模塊和落砂模塊，主要采用的是電機和氣缸作為其運動機構(gòu)；控制系統(tǒng)采用的是PC+PLC的組合，PC為主，PLC為輔的模式，PC負責(zé)信息的處理，并發(fā)送控制指令，PLC負責(zé)接收指令進行執(zhí)行部件的控制，同時采集各傳感器的信息傳回PC；視覺系統(tǒng)主要利用工業(yè)攝像機進行圖像采集，利用光源模塊進行光的補償，減少圖像干擾，采集到的圖像傳回PC機，受限于當前計算機視覺技術(shù)，本視覺系統(tǒng)檢測需機器處于停止狀態(tài)進行測量，由于圖像檢測的黑點直徑為2 mm，其檢測范圍為60 mm×60 mm，圖像檢測精度在0.05 mm，因此采用300萬像素的工業(yè)攝像頭；軟件系統(tǒng)主要是對工藝的控制（即每次進行視覺檢測的間隔時間），數(shù)據(jù)庫模塊能夠記錄所有進行落砂試驗的樣品數(shù)據(jù)并提供打印功能。

圖1　試驗平臺

圖2　鋁合金表面耐磨性檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

2　控制策略設(shè)計

本系統(tǒng)的整體控制策略主要分為3部分的控制：回收砂部分、上料部分和落砂部分，如圖3所示。

（1）回收砂部分，由運輸機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)1，落砂開關(guān)1組成，主要負責(zé)把在落砂試驗過程中試驗完畢的砂子回收到盛料槽中。其控制模式是PC發(fā)送指令，PLC控制執(zhí)行部件的模式。開始初始化后，所有執(zhí)行部件回到原點位置，當接受到卸沙指令，運輸機構(gòu)啟動，上升到預(yù)定位置后執(zhí)行機構(gòu)1通過氣缸伸出，落砂開關(guān)1打開，開始進行卸沙；當接受到卸沙完成指令后，落砂開關(guān)1關(guān)閉，執(zhí)行機構(gòu)1返回，運輸機構(gòu)下降回到原點，循環(huán)操作。

（2）樣品上料部分，由樣品夾、導(dǎo)軌電機模塊、上料機構(gòu)和下料機構(gòu)組成，主要負責(zé)對樣品進行上料和下料。其控制模式是PC發(fā)送指令，PLC控制執(zhí)行部件的模式。開始初始化指令，所有執(zhí)行部件回到原點位置；當接受到上料準備指令，下料機構(gòu)通過氣缸開始下料，下料完畢，導(dǎo)軌電機啟動，運動到0工作狀態(tài)后，上料機構(gòu)回收；當接受上料指令，上料機構(gòu)通過氣缸伸出，將樣本送到樣本架上，樣本到位后，導(dǎo)軌電機啟動，運動到工作1狀態(tài)；等待運動到工位2狀態(tài)指令，直到運動到工位5狀態(tài)后，等待回零指令，電機回到工位0狀態(tài)，循環(huán)工作。

（3）落砂檢測部分，由工業(yè)相機、電阻測量模塊、落砂開關(guān)2、落砂開關(guān)3、稱重模塊組成，主要負責(zé)對鋁型材進行落砂控制和監(jiān)控其狀態(tài)。其控制模式是PC接受圖像處理圖像后發(fā)送指令，PLC控制執(zhí)行部件的模式。開始初始化指令，所有執(zhí)行部件回到原點位置。當接受到落沙指令時，落沙開關(guān)2開啟，開始進行落砂試驗，第一次落砂較長時間后，停止落沙，工業(yè)相機開始拍照，PC進行圖像處理，檢測直徑未通過則循環(huán)進行短時間的落砂任務(wù)，通過則進行下一步電阻測試；開始進行電阻檢測，電阻檢測未通過循環(huán)發(fā)送繼續(xù)落砂指令，檢測通過進行下一步，進行稱重模塊的稱重，稱重信息將反饋回PC，PC接收到稱重信息后，落砂開關(guān)3開啟，開始進行卸沙，觸發(fā)回原點指令，所有氣缸復(fù)位，等待PC的落砂指令，循環(huán)工作。

圖3　整體控制策略流程圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的功能包括圖像處理模塊、工藝模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。

3.1　圖像檢測模塊

圖像檢測模塊主要分為2部分，圖像標定[5]和圖像尺寸檢測[6]。

（1）圖像標定采用的是基于opencv的張正有相機標定法[7]，該標定法利用多張平面棋盤格計算攝像機的內(nèi)參與外參矩陣，從而得到圖像轉(zhuǎn)換矩陣。主要步驟如圖4所示，將標定圖片放置在平面上，記錄下不同位置、不同角度、不同姿態(tài)的拍攝角度15張左右，利用opencv中的findChessboardCorners（）函數(shù)對每一張圖片進行角點信息提取，進而利用oepncv中的find4QuadCornerSubpix（）函數(shù)進一步提取亞像素角點信息，根據(jù)亞像素角點信息利用opencv中的calibrateCamera（）函數(shù)計算攝像機內(nèi)參與外參，得到結(jié)果后進行矯正。

圖4　張正有標定流程圖

（2）圖像處理算法主要步驟和過程如圖5、6所示，對檢測到的圖片進行固定閾值處理，該閾值需要根據(jù)現(xiàn)場設(shè)定的光源參數(shù)和現(xiàn)場環(huán)境進行設(shè)置；對固定閾值得到的二值圖進行膨脹腐蝕，消除內(nèi)部孔洞；進而進行最大面積輪廓提取，排除干擾輪廓；生成最小外接圓，計算圓的直徑像素值，根據(jù)標定結(jié)果轉(zhuǎn)換成實際尺寸，把該尺寸作為黑點的直徑值。

圖5　圖像處理流程圖

圖6　圖像處理過程圖

3.2　工藝模塊

經(jīng)過大量實驗，由圖7所知，不同膜厚的平均落砂砂重呈線性關(guān)系。同時，在同一膜厚的情況下，黑點出現(xiàn)的時間點處于整個實驗時間的80%左右，因此根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，設(shè)定第一次落砂的時間為平均總落砂時間的80%，之后的每一次檢測，為了防止黑點直徑超出標準導(dǎo)致樣品報廢，因此采取保守措施，每一次圖像檢測之后進行30 s間隔的落砂，完成后再進行檢測，直至檢測符合標準。

圖7　氧化膜厚與平均砂重關(guān)系圖

4　實驗及結(jié)果分析

設(shè)計了軟件系統(tǒng)如圖8所示，主要功能包括實時顯示圖像、狀態(tài)監(jiān)控、工藝控制和數(shù)據(jù)庫功能。

圖8　軟件系統(tǒng)

根據(jù)工藝模塊進行落砂試驗，試驗結(jié)果如圖9所示，在第一次落砂后，檢測到的黑點直徑范圍大致在0~0.5 mm區(qū)間內(nèi)，之后按照30 s的時間間隔進行落砂和視覺檢測，最終黑點直徑到達2 mm標準時的檢測次數(shù)范圍平均在9~11次。

鋁合金表面耐磨性檢測系統(tǒng)的試驗結(jié)果如圖10所示，綠色表示黑點直徑符合2 mm標準。

圖10　落砂試驗檢測結(jié)果

5　結(jié)束語

本文介紹了鋁合金表面耐磨性檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計和實現(xiàn)方法，主要將傳統(tǒng)的落砂試驗法進行自動化改造，主要分為回收砂部分、上料部分和落砂部分，利用計算機視覺檢測技術(shù)對落砂試驗過程中觀察黑點直徑轉(zhuǎn)化為檢測圖像中黑點的尺寸，從而代替人的肉眼檢測，防止了在長期落砂試驗過程中人的疲勞引起誤判導(dǎo)致樣品報廢的現(xiàn)象，在保證準確性的同時，每次落砂試驗平均僅需視覺檢測9~11次即完成檢測，解放了勞動力，效率也得到提高，這對鋁合金耐磨性檢測提供了一個全新的自動化解決方案。