基于機(jī)器視覺的電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)研究

孫英華 梁健文 龍紫筠 梁世昌

（江門市星光自動化科技有限公司，廣東江門529100）

1 項(xiàng)目技術(shù)可行性分析

1.1 主要研究內(nèi)容

目前，國內(nèi)大部分電機(jī)制造企業(yè)仍依賴傳統(tǒng)的人工肉眼借助放大儀器對電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量進(jìn)行檢測，由于人工肉眼檢測存在人工勞動強(qiáng)度大、視覺疲勞、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一的問題，大大降低了電機(jī)質(zhì)量檢測的標(biāo)準(zhǔn)，且檢測工作的高效性、可靠性、穩(wěn)定性得不到保障。因此，我公司通過調(diào)研小電機(jī)制造業(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配過程中存在的檢測共性問題，提出有效的解決方案，研制基于機(jī)器視覺的電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)。該項(xiàng)目應(yīng)用光機(jī)電一體化技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)及數(shù)據(jù)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量全自動、高速、高精度的在線識別檢測、瑕疵分類處理及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等，旨在為珠西地區(qū)電機(jī)制造業(yè)提供電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量在線檢測與處理的解決方案，完全取代人工肉眼進(jìn)行在線質(zhì)量檢測。

1.2 總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目針對電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配的工藝與材料要求，開發(fā)出基于機(jī)器視覺的電機(jī)轉(zhuǎn)子專用檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的自動送料、定位、檢測、瑕疵分類處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理等功能，其中，檢測功能主要包括：轉(zhuǎn)子換向器表面、轉(zhuǎn)子換向器裝配、轉(zhuǎn)子端蓋等部分的質(zhì)量檢測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)框圖

1.3 機(jī)器視覺檢測方法研究

項(xiàng)目通過研究基于機(jī)器視覺的圖像采集技術(shù)、自適應(yīng)運(yùn)動目標(biāo)的識別檢測技術(shù)等，設(shè)計(jì)開發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子換向器表面、換向器裝配質(zhì)量檢測、轉(zhuǎn)子端蓋裝配質(zhì)量檢測等功能。

1.3.1 轉(zhuǎn)子換向器表面檢測

通過CCD圖像傳感器將換向器圖像傳送給圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)取定的像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)換成特定信號，圖像處理系統(tǒng)對轉(zhuǎn)換的信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取縫隙的特征，再根據(jù)預(yù)設(shè)的樣品定子滑環(huán)殘留檢測允許度進(jìn)行圖像對比及BLOB分析，實(shí)現(xiàn)自動識別檢測功能。

1.3.2 換向器裝配檢測

根據(jù)轉(zhuǎn)子換向器的裝配要求，采集換向器與鐵芯裝配后圖像并進(jìn)行特征匹配與提取，通過圖像處理及分析像素分布后，采用圖像對比、像素面積、距離測量等工具綜合判斷換向器的裝配質(zhì)量。

1.3.3 轉(zhuǎn)子端蓋裝配質(zhì)量檢測

城市天際線的層次是指城市建筑群因距離差異而在可視界面上所形成的不同層次[3]100。對目前的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)，可將天際線層次美觀程度的影響因素歸納為天際線層次數(shù)量[13]及天際線各層次面積比例[3]100-105（圖2）。

針對轉(zhuǎn)子端蓋的裝配要求，通過圖像傳感器采集端蓋與鐵芯裝配后的圖像，并進(jìn)行圖像處理，根據(jù)處理后的圖像像素分布，對其進(jìn)行特征匹配與提取，最后采用圖像對比、像素面積、距離測量等工具綜合分析檢測結(jié)果，判斷端蓋的裝配質(zhì)量。

1.4 電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)

電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)的軟件可采集、存儲、分析轉(zhuǎn)子質(zhì)量在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)可視化方法直觀地顯示整個(gè)質(zhì)量檢測的全過程，具有在線檢測、實(shí)時(shí)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)交互通信及系統(tǒng)管理等功能。

（1）在線檢測：本項(xiàng)目通過噪聲抑制、背景減除、圖像分割、動態(tài)閾值、特征提取等算法的應(yīng)用提高系統(tǒng)的成像精度、提高檢測實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確率及效率，并采用圖像對比、像素面積分析、距離測量等工具，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子換向器表面檢測、換向器裝配質(zhì)量檢測、轉(zhuǎn)子端蓋裝配質(zhì)量檢測等功能，并滿足電機(jī)換向器表面質(zhì)量高精度、動態(tài)檢測的需求。

（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控：電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量檢測過程中，本系統(tǒng)通過高分辨率攝像頭對圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,然后將采集圖像傳輸?shù)綄?shí)時(shí)監(jiān)控平臺,再利用計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像處理，通過圖像處理計(jì)算機(jī)顯示，實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)子質(zhì)量缺陷，并根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)處理及分析結(jié)果，使信息能清晰有效地傳達(dá)與溝通，使管理者可以直接通過電腦對轉(zhuǎn)子質(zhì)量檢測過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，會有報(bào)警信息并根據(jù)設(shè)定通知相關(guān)工作人員進(jìn)行處理。

（3）參數(shù)設(shè)置：項(xiàng)目建立電機(jī)轉(zhuǎn)子的檢測參數(shù)數(shù)據(jù)庫，通過CCD圖像傳感器采集合格品特征圖像，并通過圖像分割、特征提取等工具，自動分析提取檢測產(chǎn)品各區(qū)域長度、寬度、像素平均值等特征參數(shù)，形成一組參數(shù)模型并自動保存至參數(shù)數(shù)據(jù)庫中，使檢測過程能自動根據(jù)數(shù)據(jù)庫中參數(shù)調(diào)整檢測區(qū)域、閾值大小、判斷依據(jù)等，實(shí)現(xiàn)檢測過程中參數(shù)的一鍵設(shè)置功能，簡化了系統(tǒng)的設(shè)置過程，降低了系統(tǒng)對使用者的技術(shù)要求。

（5）系統(tǒng)管理：包括用戶管理、權(quán)限管理、信息管理、密碼管理等功能。

1.5 電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量在線檢測裝置

1.5.1 轉(zhuǎn)子換向器表面質(zhì)量檢測裝置

根據(jù)轉(zhuǎn)子換向器表面的檢測要求及物料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制轉(zhuǎn)子換向器表面檢測裝置，可根據(jù)需求將機(jī)構(gòu)置于繞線機(jī)后與原生產(chǎn)線合理銜接。機(jī)構(gòu)主要包括：送料裝置、定位裝置、電機(jī)旋轉(zhuǎn)裝置、不良品處理裝置等四個(gè)部分，裝置設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子換向器表面質(zhì)量檢測裝置設(shè)計(jì)圖

1.5.2 換向器、端蓋裝配質(zhì)量檢測裝置

根據(jù)換向器、端蓋的裝配檢測要求、物料及生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制換向器、端蓋裝配質(zhì)量的檢測裝置。機(jī)構(gòu)主要包括：機(jī)械臂送料及定位裝置、不良品處理裝置兩個(gè)部分，裝置設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 換向器、端蓋裝配質(zhì)量檢測裝置設(shè)計(jì)圖

2 項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

（1）研究基于電機(jī)驅(qū)動的高精度線陣CCD圖像采集技術(shù)，通過圖像噪聲抑制、圖像修正等方法克服掃描運(yùn)動的影響，使機(jī)械傳動的誤差不直接影響最終的圖像識別精度。

（2）研究自適應(yīng)運(yùn)動目標(biāo)的識別檢測技術(shù)，通過背景減除、圖像分割等方法解決運(yùn)動中的檢測目標(biāo)背景復(fù)雜、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動圖像模糊等問題，并提高檢測效率。

（3）研究應(yīng)用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣自動化控制、機(jī)器視覺檢測、計(jì)算機(jī)信息等技術(shù)，研制出集自動送料、檢測與不良品處理等功能為一體的電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量在線檢測裝置；設(shè)計(jì)快速更換夾具或可調(diào)治具，使機(jī)構(gòu)可適用多種型號的電機(jī)轉(zhuǎn)子檢測，保證系統(tǒng)的通用性。

（4）研究應(yīng)用圖像分析技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檢測過程中產(chǎn)品參數(shù)的自動調(diào)整與一鍵設(shè)置功能。

（5）研究信息的可視化顯示方法，解決轉(zhuǎn)子質(zhì)量檢測的數(shù)據(jù)監(jiān)控過程中關(guān)鍵信息描述不夠清晰的問題，并能在生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常時(shí)主動向相關(guān)管理人員進(jìn)行信息反饋。

3 項(xiàng)目產(chǎn)品市場分析

電機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的重要裝置，是電氣傳動的基礎(chǔ)部件，對能源利用、環(huán)境保護(hù)和人們生活質(zhì)量的提高起著關(guān)鍵作用。隨著全球工業(yè)自動化、智能化程度和人們生活水平的提高，小電機(jī)在信息處理設(shè)備產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)、家用電器產(chǎn)業(yè)、電子音像產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。伴隨著電機(jī)行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，電機(jī)零部件行業(yè)面臨難得的發(fā)展機(jī)遇。

隨著我國技術(shù)水平的提高，我國電機(jī)零部件產(chǎn)業(yè)取得了長足的進(jìn)步，呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

（1）制造水平提高較快，成本優(yōu)勢相對突出；

（2）生產(chǎn)集中度較高，形成了許多產(chǎn)業(yè)集群，如以深圳、廣州為中心的珠三角集群，以上海為中心的長三角集群等；

（3）產(chǎn)品全球競爭力不斷提高。

我公司立足于珠西地區(qū)并面向廣東省乃至全國的電機(jī)制造市場，旨在為珠西地區(qū)電機(jī)制造業(yè)提供電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量在線檢測與處理的解決方案，完全取代人工肉眼進(jìn)行在線質(zhì)量檢測。項(xiàng)目所研發(fā)的技術(shù)為小型電機(jī)制造行業(yè)中首創(chuàng)，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平；項(xiàng)目的實(shí)施切合市場需求及行業(yè)發(fā)展趨勢，提高了電機(jī)制造行業(yè)的質(zhì)量在線檢測水平，將為實(shí)現(xiàn)電機(jī)制造業(yè)生產(chǎn)過程全自動化提供有力保障，并加快了電機(jī)制造行業(yè)的自動化步伐，推動了電機(jī)制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4 社會效益分析

電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量檢測系統(tǒng)的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的人工肉眼檢測相比，能夠在線進(jìn)行高速、精確地電機(jī)轉(zhuǎn)子表面缺陷檢測，不僅大大提高了質(zhì)量檢測工作的高效性、可靠性、穩(wěn)定性，全面替代人工，還結(jié)合現(xiàn)場工藝在線瑕疵處理、報(bào)警、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等，為電機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)信息化和確保產(chǎn)品質(zhì)量提供了有效的解決方案，將進(jìn)一步提升企業(yè)的電機(jī)制造水平，并將在電機(jī)制造企業(yè)迅速推廣發(fā)展。

本項(xiàng)目屬于高端制造裝備關(guān)鍵技術(shù)，具有技術(shù)含量高、產(chǎn)業(yè)鏈長的特點(diǎn)，本項(xiàng)目完成后，將會形成新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，帶動地區(qū)相關(guān)配套企業(yè)增加投入，提高技術(shù)水平，為加快經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)方式的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，起到積極的作用。

5 結(jié)語

電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，可幫助電機(jī)及其零部件制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化的電機(jī)生產(chǎn)系統(tǒng)，從工藝、裝備、人才、自動化等領(lǐng)域找出解決方案，推動企業(yè)的改造升級，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)平臺的擴(kuò)能增效，助力制造業(yè)向“智造”時(shí)代邁進(jìn)。