基于機器視覺的環(huán)形器檢測軟件

楊京兆 王莉 陳鑫 杜天赟

（1上海交通大學(xué)，上海 200240；2上海市計量測試技術(shù)研究院，上海 201203）

0 引言

機器視覺是通過對所拍攝圖像進行分析處理，得到物體的尺寸、位置、表面特征等信息，以供軟件系統(tǒng)進一步進行數(shù)據(jù)處理的技術(shù)。

目前機器視覺技術(shù)已經(jīng)在許多工業(yè)制造領(lǐng)域得到了應(yīng)用。主要功能有尺寸測量、機械手輔助定位、OCR字符識別、讀碼四大類，相關(guān)應(yīng)用涵蓋汽車制造、生物制藥、航空航天等高精尖產(chǎn)業(yè)。

針對不同行業(yè)特點，機器視覺軟件需要適應(yīng)不同工況需求，本軟件主要針對環(huán)形器生產(chǎn)過程中的自動檢測。檢測過程主要包括環(huán)形器二維碼讀取，機械手抓取定位，環(huán)形器pin腳高度尺寸測量，次品剔除四個功能模塊。

基于以上需求，本文設(shè)計的環(huán)形器檢測軟件系統(tǒng)，通過多相機協(xié)同拍攝的方式，對零件進行拍攝取圖，通過對圖像的處理，進行二維碼識別，同時給出環(huán)形器的位置角度信息，以供機械手抓取調(diào)節(jié)，并根據(jù)需要對環(huán)形器pin腳進行尺寸測量，根據(jù)測量結(jié)果進行次品篩選。結(jié)合本軟件，得以實現(xiàn)環(huán)形器檢測的自動化，通過連續(xù)3個月的統(tǒng)計，誤判率低于0.01%，測量結(jié)果滿足要求，通過進一步優(yōu)化，軟件處理速度已至毫秒級，與機械手、運動機構(gòu)協(xié)作已做到無縫銜接。

1 軟件系統(tǒng)介紹

本軟件為單機運行軟件。各工位安裝的工業(yè)相機以及執(zhí)行結(jié)果的機械手均通過千兆網(wǎng)線與主機連接，軟件通過相機驅(qū)動進行圖像采集，采集成功的圖片按各工位要求進行圖像處理，得出的結(jié)果再按特殊協(xié)議發(fā)送給機械手執(zhí)行。

本軟件在開發(fā)時強調(diào)了系統(tǒng)的可用性、可維護性以及穩(wěn)定性，并對軟件的部署進行了優(yōu)化處理，使其具備了后期更易升級的特點，為客戶后期的功能升級提供了基礎(chǔ)。

本軟件主要包含以下功能：

1）多相機并行處理功能：實現(xiàn)多相機單獨設(shè)置，并行處理。

2）多機械手連接功能：實現(xiàn)機械手與視覺軟件聯(lián)動。

3）具備二維碼識別及定位功能：支持4*4mm以上的二維碼識別。

4）具備對來料進行特征點的識別與角度計算功能：根據(jù)來料信息計算產(chǎn)品位置信息。

5）具備尺寸測量功能：根據(jù)來料進行低于0.5像素分辨率的尺寸測量。

6）具備圖像保存功能：可根據(jù)需求保存圖像。

2 產(chǎn)品特點

本軟件基于Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，采用MFC單文檔框架，采用OPENCV開源算法庫進行開發(fā)的具有特色的機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)，本系統(tǒng)主要應(yīng)用于環(huán)形器自動化檢測設(shè)備及環(huán)形器自動化裝配流水線等。

3 軟件主要組成及實現(xiàn)方法

本軟件的數(shù)據(jù)輸入為工業(yè)相機采集的圖像，經(jīng)過一系列的圖像處理軟件處理得到結(jié)果，將結(jié)果輸出給機械手執(zhí)行，實現(xiàn)對機械手的引導(dǎo)、來料測量篩選等工作。

軟件的關(guān)鍵組成如下所示：

1）相機的驅(qū)動程序

主要用來連接相機，由于各相機廠商生產(chǎn)的相機都有各自的使用方法，所以在使用相機前需要根據(jù)相機廠家提供的SKD軟件包進行相機驅(qū)動程序的開發(fā)。開發(fā)完驅(qū)動程序后可實現(xiàn)對相機進行曝光、設(shè)置等操作。

2）機械手的驅(qū)動程序與傳輸協(xié)議

機械手一般通過網(wǎng)絡(luò)接口與主機相連，但需要在主機上開發(fā)驅(qū)動程序，以實現(xiàn)與機械手之間進行命令、數(shù)據(jù)的相互傳輸。開發(fā)完的驅(qū)動程序可以將數(shù)據(jù)以特定格式協(xié)議發(fā)送給機械手，也可以接收機械手傳達(dá)的命令，執(zhí)行拍攝工作。

3）二維碼識別算法程序

二維碼分為各種不同形式，如QR碼，DM碼等，每一種二維碼根據(jù)不同規(guī)則進行編碼。對二維碼的識別即是解碼工作，首先需要對二維碼定位，定位完成后需要查找二維碼的特征點或線，然后再執(zhí)行具體的解碼算法。

4）來料的定位算法程序

本軟件可以對具體的來料按指定特征進行定位，基本處理流程為，首先通過圖像預(yù)處理，然后根據(jù)模板匹配找到特征區(qū)域，進一步對特征區(qū)域處理從而得到特征點的位置與角度。

5）PIN腳平面度測量程序

該算法是對來料的PIN腳進行平面度測量，測量的位置為PIN腳的下端面與來料外殼的底面之間的距離。圖像先通過預(yù)處理，得到清晰的二值圖，在設(shè)定的測量區(qū)域，找到PIN腳的下端面值。然后再重新設(shè)置參數(shù)，找到外殼底面的值。根據(jù)這兩個值與標(biāo)準(zhǔn)值進行對比，最后得出結(jié)果。

4 軟件應(yīng)用

本軟件主要包含工業(yè)相機驅(qū)動、參數(shù)設(shè)置、機械手連接配置、二維碼識別參數(shù)設(shè)置、定位參數(shù)設(shè)置、平面度測量參數(shù)設(shè)置、各相機圖像顯示主界面等。

軟件主界面如圖1所示，主要包含5個相機的圖像顯示區(qū)域、二維碼的識別結(jié)果、機械手的手動控制，以及機械手與相機的狀態(tài)等。每個圖像顯示區(qū)域上同時顯示對應(yīng)功能得到的結(jié)果和圖像的相關(guān)信息。

圖1 主界面

各相機的控制窗口列表框會列出所有已連接的相機，通過點擊可選擇手動連接，且每個相機可與不同工位綁定，以及調(diào)整相機的曝光時間參數(shù)，直至調(diào)整到合適的值。

機械手配置界面可以修改一個4軸機械手和一個6軸機械手的IP地址及端口，也可以設(shè)置機械手的連接方式是自動連接或是手動連接。

讀碼相機中主要實現(xiàn)二維碼識別，當(dāng)環(huán)境變化時可通過這個界面調(diào)整相機的曝光時間以適應(yīng)新的環(huán)境；同時可以調(diào)整二維碼識別的參數(shù)，這樣可實現(xiàn)對不同二維碼、不同來料做到最優(yōu)處理結(jié)果。其中包含二值化閾值、形態(tài)學(xué)處理閾值與次數(shù)、特征面積最大值及最小值、二維碼識別的超時時間等。也可以通過單選按鍵選擇二維碼識別或者OCR識別。

定位相機主要用于定位，對3個標(biāo)準(zhǔn)測量位的來料進行定位，所以具備C2-1、C2-1、C2-3三個模塊的標(biāo)定功能，記錄標(biāo)準(zhǔn)位置的相關(guān)值，同時也具備相機像素與實際機械手坐標(biāo)之間的標(biāo)定功能。

測量相機主要功能是測量環(huán)形器PIN腳與外殼底部的平面度，環(huán)形器來料最多有3個PIN腳，所以有3個基臺值的參數(shù)需要設(shè)置，每一個基臺值對應(yīng)一個PIN腳，同時具有正負(fù)值補償，允許誤差設(shè)置。同樣具備圖像處理的基本參數(shù)設(shè)置，可以通過調(diào)整參數(shù)完成對圖像的優(yōu)化處理。

5 結(jié)果圖像的保存及數(shù)據(jù)保存功能

本軟件每一張圖像處理結(jié)果都可以保存在以相機名稱命名的文件夾內(nèi)，以供品質(zhì)部門查閱。每個相機都單獨保存結(jié)果圖像，同時會生成一個總的EXCEL文件記錄所有結(jié)果，結(jié)果數(shù)據(jù)與每一張圖像編號一一對應(yīng)。

6 結(jié)語

基于機器視覺的環(huán)形器檢測軟件在環(huán)形器自動生產(chǎn)過程中已經(jīng)不可或缺。結(jié)合機械手目前已達(dá)到2秒/件，檢測效率數(shù)倍于人工30秒/件，為企業(yè)節(jié)省了大量人工成本。同時通過軟件系統(tǒng)進行測量，數(shù)據(jù)真實性，穩(wěn)定性都優(yōu)于人工。在環(huán)形器全檢過程中，又保存了每個樣品的歷史圖片?？梢栽诔霈F(xiàn)質(zhì)量問題時通過圖像回溯問題源頭，進一步保障了產(chǎn)品質(zhì)量。