一種基于機(jī)器視覺(jué)的水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)*

□ 王 宇□ 吳智恒□ 陳啟愉□ 段先云 □ 童季剛□ 李 平□ 鄧一波

1.廣東省智能制造研究所 廣州 510070

2.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 昆明 650504

1 設(shè)計(jì)背景

國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展智能制造裝備產(chǎn)業(yè)，以實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程智能化。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些表面帶有缺陷的產(chǎn)品，及時(shí)檢測(cè)出缺陷產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品從流水線中剔除非常重要［1］。

近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)基于圖像處理的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行了研究，這一檢測(cè)技術(shù)具有非接觸性、快速、高效等特點(diǎn)［2-4］。機(jī)器視覺(jué)以計(jì)算機(jī)為中心，由視覺(jué)傳感器、圖像采集系統(tǒng)及圖像處理軟件組成［5］。

目前，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)已大量應(yīng)用于視覺(jué)檢測(cè)、自動(dòng)化裝配和機(jī)器人視覺(jué)引導(dǎo)等領(lǐng)域中。

五金金屬件的表面曲面類型多，其表面曲面缺陷種類也很多，在生產(chǎn)中如何提高缺陷檢測(cè)正確率，降低誤檢率，進(jìn)而提高產(chǎn)品加工速度，顯得尤為重要［6］。

在曲面帶鋼表面檢測(cè)方面，德國(guó)伊斯拉視像公司研制了HTS-2型帶鋼表面曲面檢測(cè)系統(tǒng)［7］，美國(guó)國(guó)家儀器公司研制了機(jī)器視覺(jué)表面缺陷在線檢測(cè)系統(tǒng)，在金屬件表面曲面檢測(cè)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用［8］。我國(guó)對(duì)金屬件表面曲面檢測(cè)方面的研究起步較晚，目前一些科研機(jī)構(gòu)和高校已經(jīng)開(kāi)始對(duì)圖像處理技術(shù)的磁瓦表面曲面檢測(cè)方法進(jìn)行研究［9］。

水龍頭表面曲面光滑且反光，有高光效應(yīng)，在進(jìn)行圖像采集時(shí)外界環(huán)境對(duì)目標(biāo)成像質(zhì)量影響很大，若采用普通射線光照法檢測(cè)，成功率較低，且目前生產(chǎn)線上的人工檢測(cè)已無(wú)法滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。同時(shí)，反光對(duì)人眼也有不利影響。

針對(duì)以上情況，筆者設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)多傳感器耦合與工業(yè)相機(jī)對(duì)水龍頭曲面進(jìn)行圖像采集，并采用Visual Studio 2010軟件配合Opencv函數(shù)庫(kù)，對(duì)圖像進(jìn)行一系列數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理，實(shí)現(xiàn)了水龍頭曲面的識(shí)別［10-13］。這一系統(tǒng)在快速檢測(cè)識(shí)別的基礎(chǔ)上，做到高效高準(zhǔn)確率，并且相比于其它檢測(cè)設(shè)備，降低了成本。

2 系統(tǒng)框架

水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成，兩部分之間通過(guò)網(wǎng)口通信進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1中，圖像采集模塊中的工業(yè)相機(jī)用于采集水龍頭曲面圖像，位移傳感器被觸發(fā)后，可以將采集到的水龍頭曲面圖像通過(guò)工控機(jī)與識(shí)別軟件系統(tǒng)的網(wǎng)口通信傳輸?shù)綀D像處理模塊。經(jīng)過(guò)一系列數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理及水龍頭曲面特征提取后，可以進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)。光源控制器可以根據(jù)水龍頭曲面反光程度大小實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，保證工業(yè)相機(jī)能夠完整采集到水龍頭曲面缺陷特征區(qū)域的圖像。

▲圖1 水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)整體框架

3 系統(tǒng)硬件

3.1 工業(yè)相機(jī)與光源

硬件是支撐整個(gè)水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)的框架，負(fù)責(zé)完成零件圖像處理前的一切工作，涉及零件傳輸、數(shù)據(jù)采集及處理。

系統(tǒng)硬件主要包括工業(yè)相機(jī)、光源、傳感器和工控機(jī)等。由于所采集的水龍頭曲面比較光滑，考慮到后期應(yīng)用的企業(yè)生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)工況，工業(yè)相機(jī)選用高幀率200萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī)，以滿足生產(chǎn)線快速識(shí)別檢測(cè)的要求，如圖2所示。

在光源方面，需要考慮水龍頭曲面會(huì)反光，結(jié)合生產(chǎn)線實(shí)際使用工況，選用碗狀紅光無(wú)影光源來(lái)配合圖像采集，如圖3所示。

▲圖2 工業(yè)相機(jī)

▲圖3 碗狀紅光無(wú)影光源

碗狀紅光無(wú)影光源可以形成一個(gè)碗狀的封閉環(huán)境，能夠抑制水龍頭曲面反射回來(lái)的光，同時(shí)也能夠避開(kāi)環(huán)境光的影響。另一方面，碗狀紅光無(wú)影光源可以減小水龍頭曲面所產(chǎn)生的陰影區(qū)域，進(jìn)而可以獲得更高質(zhì)量的圖像。

3.2 多傳感器融合

對(duì)于水龍頭識(shí)別檢測(cè)生產(chǎn)線而言，水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的前提。

在水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)中，圖像采集部分配置多傳感器融合工作。多傳感器融合不僅保證了系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，而且使檢測(cè)更加方便，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)水龍頭生產(chǎn)線檢測(cè)的自動(dòng)化、智能化。各傳感器選型及主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 傳感器選型與參數(shù)

4 系統(tǒng)軟件

4.1 軟件框架

水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、識(shí)別軟件系統(tǒng)等，系統(tǒng)流程如圖4所示。

光電傳感器觸發(fā)后，工業(yè)相機(jī)開(kāi)始采集水龍頭圖像。水龍頭觸發(fā)位移傳感器后，圖像處理模塊經(jīng)過(guò)一系列數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理，由識(shí)別軟件系統(tǒng)識(shí)別檢測(cè)水龍頭曲面是否合格。

▲圖4 水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

4.2 系統(tǒng)界面

水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)界面運(yùn)行于工控機(jī)上，采用Visual Studio 2010軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)軟件界面創(chuàng)建檢測(cè)模板，設(shè)置檢測(cè)區(qū)域參數(shù)，打開(kāi)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，然后進(jìn)行水龍頭曲面的實(shí)時(shí)識(shí)別檢測(cè)，并將處理結(jié)果顯示在系統(tǒng)界面上。系統(tǒng)界面如圖5所示。

▲圖5 水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)界面

5 試驗(yàn)與分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，水龍頭曲面質(zhì)量缺陷檢測(cè)是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，如何快速準(zhǔn)確地識(shí)別檢測(cè)有缺陷的水龍頭，是提高水龍頭檢測(cè)效率的關(guān)鍵?；跈C(jī)器視覺(jué)的水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)多傳感器融合與工業(yè)相機(jī)獲取水龍頭圖像，經(jīng)過(guò)處理分析，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測(cè)。在水龍頭數(shù)量相同的情況下，使用水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)與人工檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)和人工同時(shí)檢測(cè)100個(gè)合格水龍頭，分6組進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)的誤檢率均在1%內(nèi)，且比較穩(wěn)定。隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，人工誤檢率逐步增大到2%左右。系統(tǒng)所用時(shí)間均在251 s內(nèi)，人工所用時(shí)間則基本是系統(tǒng)的3倍，相差較大，而且長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)容易產(chǎn)生疲勞，影響檢測(cè)率?？梢?jiàn)，使用水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的效率高于人工檢測(cè)，且合格率高。

6 結(jié)論

筆者基于機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)了水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)水龍頭曲面缺陷進(jìn)行自動(dòng)化、智能化檢測(cè)，保證了水龍頭曲面識(shí)別檢測(cè)的高效性，且誤檢率在1%內(nèi)。這一系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。