電機轉子缺陷檢測系統(tǒng)的硬件選型及方案設計

張宇萌

（河北 承德 067000）

1 常見缺陷類型及檢測標準

該研究課題主要針對標準電機控股有限公司F140 型電機轉子DV 片焊工藝后，焊點和DV 片的外觀質量缺陷檢測問題進行研究，開發(fā)專用機器視覺在線檢測設備，其主要由換向器、DV 片、焊錫、硅鋼片和繞組組成，1 個電機轉子有3 個焊接部位。其中環(huán)形DV 片的外圓半徑為4.75 mm，內圓半徑為2.95 mm，厚度為0.83 mm。F140 型電機轉子組成如圖1 所示。

圖1 F140 型電機轉子組成

DV 片的表面缺陷主要有DV 片傾斜和DV 片上表面有起泡、劃痕和DV 片斷裂。DV 片傾斜，會造成電機轉子在運轉過程中端蓋跳動幅度增加，產生振動或出現雜音，甚至使電機轉子發(fā)生局部燒傷，DV 片上表面有起泡、劃痕或DV 片斷裂不僅影響產品的外觀，而且對DV 片的抗氧化性和伏安特性等都有不同程度的影響。焊點的缺陷主要有漏焊、錫量不足、焊位偏移，漏焊會直接造成電機無法工作，而錫量不足、焊位偏移會造成電機運行時內部電路接觸不良，嚴重時也會造成電機無法工作。這些常見的5 種表面缺陷類型與故障的檢測標準如下。1）能識別DV 片傾斜，當電機轉子垂直放立于工位時，合格的DV 片從側面看傾斜角度小于0.5°，DV片傾斜檢測要求測量精度為0.1°。2）能識別電機轉子焊點是否合格，電機轉子焊接的主要缺陷有漏焊、錫量不足、焊位偏移3 種缺陷。3）對于DV 片上表面的檢測，要求能識別DV 片斷裂、上表面有劃痕和表面起泡，針對缺陷面積最小的劃痕，能識別最小寬度為0.05 mm，長1 mm 的劃痕缺陷。4）在生產線上能夠對每個電機自動上料、檢測和分選，為了與車間流水線速度一致，每個工位檢測時間為3 s，檢測機的機械、電氣設計框架符合標準電機控股有限公司的技術標準，能夠與現有自動生產線無縫對接，要求檢測的漏檢率小于3%，綜合檢測成功率大于95%。5）檢測設備軟件能夠記錄檢測數據，包括檢測數量和有缺陷的電機數量，對于需要識別的缺陷也要做記錄，能通過數據統(tǒng)計分析DV 焊工藝后的良品率。

特別是對于第一臺樣機的缺陷檢出率要大于90%，誤檢率小于10%的情況，如果判斷產品缺陷類型屬于DV 片傾斜，則不需對該產品其他缺陷進行記錄。

2 圖像采集系統(tǒng)的硬件選型

2.1 相機

該研究選取CCD（電荷耦合器件）作為圖像各種缺陷檢測的圖像傳感器。在DV 片上表面檢測中所選擇的相機型號為陜西維視圖像的MV-EM200C 千兆以太網工業(yè)相機，在DV 側面傾斜檢測與焊點缺陷檢測中所選擇的相機型號為陜西維視圖像的MV-EM500C 千兆以太網工業(yè)相機，這2 款工業(yè)相機具有體積小、傳輸速度快、支持第三方圖像處理軟件（例如LabVIEW）直接調用等特點[1]。

2.2 千兆以太網圖像采集卡

該文所使用的2 款相機是MV-EM 系列千兆以太網工業(yè)相機，需要2 臺相機共同傳輸圖像，所以圖像采集卡選用MV-EGigE Dual 千兆圖像采集網卡，它可同時連接2 臺GigE圖像采集設備，使用六類網線將相機與采集卡連接即可支持2 臺相機同時高速穩(wěn)定的采集圖像。

2.3 光源

光源是為了配合相機與鏡頭采集圖像的照明裝置。最常見的用于小物體檢查的照明裝置是LED、熒光和鹵素燈。近年來LED 光源由于其性價比大大提高、應用靈活性強（主要指調節(jié)范圍大和可塑性強）、照明穩(wěn)定性好、壽命長、強度適中且易于計算機控制，在工業(yè)照明中得到廣泛應用。選擇合適的光源是一項重要的工作。沒有合適的光源，細節(jié)與背景區(qū)域就不會有很高的對比度。光源作為視覺成像好壞的首要影響因素，光源的光照方式與強度會影響圖像處理中感興趣區(qū)域或缺陷區(qū)域提取的難易程度。在光源顏色的選擇中，在缺陷色彩成分未知的情況下通常會使用彩色相機成像，由于彩色相機采集到的彩色圖像色彩飽滿艷麗，彩色圖像的成像通常使用白色光源。白色光源適用范圍大，發(fā)光強度高。在考慮被檢樣品時，其表面幾何形狀、紋理特征、方向和顏色是影響其與光照照射特性相互作用的許多重要因素，光照的照射特性分為直射光照、反射光照和漫反射光照。

2.3.1 直射光照

光照亮度高，如果需要檢測的物體表面比較粗糙時，會發(fā)生一定的漫反射效果，目標的明暗對比將會加大，目標也更突出。相反，物體表面如果較為光滑，就會產生鏡面反射效應，不利于目標檢測[1]。

2.3.2 反射光照

以單一方向反射入射光，就像拋光的金屬表面。高光反射經常使圖像較為飽和，因為高光反射的強度與光源相當，如果依靠反射光照成像，對物體的微位移就要求較高，因為如果物體和相機之間的角度或位置發(fā)生微小變化，光強強度分布就會完全改變。

2.3.3 漫反射光照

光的漫反射是指以不同的角度散射入射光線，就像一張亞光白紙。漫反射相比直射與反射要穩(wěn)定得多，因為漫反射所反射的光強度大大降低，而且反射光強度不會隨著物體相對于相機的角度或位置發(fā)生顯著變化。

照明方向是照明設置中的又一個主要因素。光照方向的變化有亮場、暗場、背光之分。

2.3.4 亮場

在亮場照明中，光線大致以垂直于物體表面到與物體表面呈45°之間稱為亮場照明，整個物體被照亮，特征在灰度上以不同的水平顯示。亮場照明也是生活中最常見和最基本的視覺照明技術，陽光的照射就屬于亮場照明。同軸照明是一種極端形式的亮場照明，光源與相機和鏡頭在同一軸上，這種照明不僅適用于某些鏡面，而且能消除一些由深度產生的陰影，但是同軸照明主要用于檢測反光強烈的平面物體，對于反光強烈的曲面物體有時并不合適。

2.3.5 暗場

使光源以一定低的角度（一般為0°～45°）照射于物體表面的照明，當時用暗場照明時相機成像是通過接收物體表面的衍射的雜散光或反射光，但是角度比較低的暗場照明由于其需要在離物體比較近的上方照明，這在工業(yè)在線檢測中有時會不方便安裝。

2.3.6 背光

顧名思義，這種照明方法是在被檢查對象的后面。物體背光的主要用途是觀察半透明的物體或獲得輪廓。輪廓提供了一個簡單的二值圖像匹配模式，測量幾何形狀，檢查孔，或檢查零件的位置和方向，通常會在檢測物體的輪廓形狀與尺寸時使用[2]。

對于DV 片上表面這種有一定粗糙度的物體，亮場照明會發(fā)生一定的漫反射效果，目標的明暗對比將會加大，目標也會突出，暗場照明也會使缺陷更加突出。而對于側面DV 片圖像和焊點圖像，主要是為了檢測DV 片的傾斜角度和焊點的缺陷。由于焊點形狀是有一定曲率的不規(guī)則球面，而且體積極小，對于這種體積較小的物體照明通常會使用點光源。點光源通常很小，可以安裝在離被檢查對象有一定距離的地方，點光源產生的光強度高，成像區(qū)域的面積小，可以忽視周圍物體只突出局部小細節(jié)。如果希望圖像具有銳利的邊緣和表面特征細節(jié)，點光源是很好的選擇，但是點光源并不適合產生鏡面反射的物體，因為它的反射光有時會映射到一些黑暗的區(qū)域，所以對于焊點的這種表面光滑且有一定曲率的表面并不適用。

最佳方法是使用漫射光來均勻強度，為了使整個焊點能均勻清晰的成像，用加有漫反射勻光裝置的低角度環(huán)形光源。通過實驗對比，發(fā)現采用30°低角度漫反射暗場照明光源在焊點成像上取得效果較好，對機械及傳動裝置的設計也不會有的較高的要求。

3 其他硬件選型

該文的控制系統(tǒng)框架采用的是PC 機與運動控制卡相結合。運動控制卡選用DMC3400A 型號。提供Windows 系統(tǒng)下的LabVIEW（實驗室虛擬儀器工程平臺）動態(tài)鏈接庫，同時也兼容LabVIEW 的Motion 模塊，方便軟件系統(tǒng)的開發(fā)。其可以同時控制多個步進電機及IO 器件控制，適用于各種插補的運動、編碼器位置檢測、在線變速和在線變位置等場合。同時自帶MOTION3000 調試軟件，方便程序員對硬件的逐一檢測。

4 結語

該文的電機轉子機器缺陷檢測系統(tǒng)分為運動控制、圖像采集和圖像處理3 個模塊。首先通過PC 機發(fā)送信號使相機打開，同時發(fā)送信號給運動控制模塊，運動控制模塊將電機移動到待檢測區(qū)域，觸發(fā)圖像采集，圖像處理模塊對采集到的圖像進行圖像處理處理和缺陷識別，將電機轉子缺陷識別結果反饋給工控機，工控機通過識別結果發(fā)送信號給運動控制模塊，對于無缺陷的電機轉子由傳送帶輸送至下一道工位，對有缺陷的電機轉子進行不良品剔除。