基于視覺的大尺寸板材沖孔質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙海文，鄭錦云，張雅麗

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300401)

0 引言

1 檢測(cè)系統(tǒng)整體方案介紹

1.1 電梯轎廂圍壁參數(shù)規(guī)格

某電梯轎廂圍壁的寬度范圍為155～1 000 mm，長度范圍為2 400～3 100 mm。圍壁由壁板和加強(qiáng)筋組成，其外形如圖1所示。

圖1 電梯轎廂圍壁外形

1.2 電梯轎廂圍壁加工工藝簡介

電梯轎廂圍壁機(jī)器人柔性生產(chǎn)系統(tǒng)主要功能包括：板材自動(dòng)上料、板材剪沖折、自動(dòng)涂膠、中筋自動(dòng)裝配、圍壁自動(dòng)裝箱等功能。生產(chǎn)線首先從立體庫自動(dòng)單片取出板材，然后將板材輸送至剪切工序，將板材剪切為訂單要求尺寸；之后板材進(jìn)入到?jīng)_孔工序，沖床按照相應(yīng)的加工程序?qū)Π宀倪M(jìn)行沖孔加工。后續(xù)的工序與本課題關(guān)系不大，故不做贅述。經(jīng)過剪切、沖孔后的板材外形如圖2所示。

圖2 剪切、沖孔后板材外形

1.3 系統(tǒng)工作流程介紹

系統(tǒng)工作流程如圖3所示。本系統(tǒng)首先根據(jù)板材圖紙?zhí)枏南鄳?yīng)的板材圖紙中提取孔的標(biāo)準(zhǔn)尺寸、位置信息；檢測(cè)到板材到位之后，系統(tǒng)將根據(jù)沖孔位置信息控制相機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置采集圖像，之后對(duì)圖像進(jìn)行處理、檢測(cè)；最后將被檢測(cè)孔的標(biāo)準(zhǔn)尺寸信息和位置信息與圖像檢測(cè)的結(jié)果比較以判定板材沖孔質(zhì)量是否合格。本文重點(diǎn)研究圖像檢測(cè)部分，關(guān)于板材沖孔質(zhì)量(幾何尺寸及位置數(shù)據(jù)等)的標(biāo)準(zhǔn)信息獲取，不在本文介紹。

圖3 系統(tǒng)工作流程

1.4 二維視覺檢測(cè)平臺(tái)方案

1.4.1 整體結(jié)構(gòu)介紹

二維視覺檢測(cè)平臺(tái)主要用于控制相機(jī)的運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)被檢測(cè)目標(biāo)屬于大尺寸板材，且被檢測(cè)目標(biāo)的特征尺寸與板材整體尺寸相差很大。如果將相機(jī)的高度和位置固定，若將被檢測(cè)特征完全拍攝進(jìn)來，需要增大工業(yè)相機(jī)與板材平面之間的距離來擴(kuò)大拍攝視野，這樣會(huì)造成成像質(zhì)量降低，并且待檢測(cè)特征在相機(jī)視野范圍內(nèi)過小，不利于對(duì)目標(biāo)尺寸進(jìn)行檢測(cè)。所以本課題采用板材固定、二維視覺檢測(cè)平臺(tái)控制工業(yè)相機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置進(jìn)行圖像采集的方式。這樣既無須增大工業(yè)相機(jī)與板材平面之間的距離，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了被檢測(cè)特征全部被拍攝到的目的。二維視覺檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—伺服電機(jī)；2—同步帶-1；3—待檢測(cè)板材；4—線性模組；5—線性模組伺服電機(jī)；6—直線導(dǎo)軌-1；7—傳動(dòng)軸-1；8—同步帶輪；9—輸送機(jī)；10—工業(yè)相機(jī)-1；11—工業(yè)相機(jī)-2；12—直線導(dǎo)軌-2；13—同步帶-2；14—傳動(dòng)軸-2圖4 二維視覺檢測(cè)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

輸送機(jī)用于輸送被測(cè)板材，輸送機(jī)上設(shè)有板材定位裝置，板材到位后將按長邊和短邊對(duì)板材進(jìn)行定位；工業(yè)相機(jī)安裝于線性模組上，根據(jù)板材尺寸不同，系統(tǒng)通過線性模組驅(qū)動(dòng)相機(jī)沿X方向運(yùn)動(dòng)至指定位置對(duì)被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行圖像拍攝；線性模組安裝于架體兩側(cè)導(dǎo)軌上，通過同步帶由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿Y方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成全部被測(cè)對(duì)象的圖像拍攝。

1.4.2 工業(yè)相機(jī)與光源

廣西在承襲浙江等發(fā)達(dá)地區(qū)特色小鎮(zhèn)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，明確廣西特色小鎮(zhèn)是“相對(duì)獨(dú)立于城市中心區(qū)，具有明確產(chǎn)業(yè)定位、文化內(nèi)涵、旅游特征和一定社區(qū)功能的發(fā)展空間平臺(tái)”，小鎮(zhèn)主要以“建制鎮(zhèn)(鄉(xiāng))、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)核心示范區(qū)、特色旅游集聚區(qū)等”為載體，分國家級(jí)、自治區(qū)級(jí)和市級(jí)進(jìn)行培育，強(qiáng)調(diào)要拓寬融資渠道，政府引導(dǎo)、企業(yè)主體，積聚全社會(huì)資源；同時(shí)細(xì)分產(chǎn)業(yè)類型，建設(shè)信息技術(shù)、節(jié)能環(huán)保等具有廣西地方特色和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)的小鎮(zhèn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“一個(gè)主題文化品牌、一個(gè)文化場(chǎng)館、一個(gè)小鎮(zhèn)公園、一個(gè)具有獨(dú)特文化肌理和建筑風(fēng)貌的小鎮(zhèn)核心區(qū)文化展示”的“四個(gè)一”廣西特色小鎮(zhèn)建設(shè)目標(biāo)。

工業(yè)相機(jī)作為本檢測(cè)系統(tǒng)的重要部件負(fù)責(zé)采集圖像并發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。工業(yè)相機(jī)從芯片上分為CCD和CMOS 2種。如果需要高質(zhì)量的圖像，如進(jìn)行尺寸測(cè)量，CCD的成像質(zhì)量優(yōu)于CMOS。CCD相機(jī)可分為面陣CCD相機(jī)和線陣CCD相機(jī)，面陣CCD相機(jī)的感光元素是二維面陣排列，其成像為二維圖片，線陣CCD的感光元素只有1行，其拍照方式為掃描拍攝。本檢測(cè)系統(tǒng)采用定點(diǎn)拍攝方式，故選用面陣CCD相機(jī)。

被檢測(cè)目標(biāo)最大長度為54.5 mm、寬度為15 mm，拍攝視野選取為60 mm×20 mm，要求檢測(cè)精度為0.02 mm/pixel,則相機(jī)最小分辨率=(60/0.02)×(20/0.02)=3 000×1 000，為300萬像素?？紤]到相機(jī)邊緣視野的畸變以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，一般不會(huì)只用一個(gè)像素單位對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)量精度值，一般選擇倍數(shù)為4或者更高，這樣選用300×4=1 200萬像素相機(jī)即可滿足要求。

高分辨率的工業(yè)相機(jī)要配以高分辨率的鏡頭才能使工業(yè)相機(jī)的能力得以體現(xiàn)。根據(jù)檢測(cè)精度要求，選擇分辨率為4 872×3 248的相機(jī)，像素尺寸為7.4 μm×7.4 μm，傳感器尺寸為36 mm×24 mm，它的水平像素密度是4 872/36=135 pixel/mm，垂直像素密度是3 248/24=135 pixel/mm，該相機(jī)水平像素密度和垂直像素密度相同，若不同，工業(yè)鏡頭分辨率應(yīng)參考像素密度高的。對(duì)于本相機(jī)，選取的工業(yè)鏡頭分辨率為67.5 lp/mm。本系統(tǒng)工業(yè)鏡頭的工作距離為100 mm，視野范圍為60 mm×20 mm，焦距為60 mm(100 mm×36 mm/60 mm)。

照明單元是機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響著圖像的采集質(zhì)量。合適的照明方案有利于目標(biāo)物體與背景信息的分離，增加不同目標(biāo)之間的對(duì)比度，降低圖像處理算法的復(fù)雜度，從而提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。用高密度LED光源陣列面提供高強(qiáng)度照明，能突出物體的外形輪廓特征，適合作為機(jī)械零件尺寸的測(cè)量。

2 沖孔板材圖像處理方法

圖像的處理與分析是基于機(jī)器視覺的檢測(cè)系統(tǒng)的核心，因此檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)在整個(gè)板材沖孔質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)中至關(guān)重要。通過圖像標(biāo)定、圖像預(yù)處理、目標(biāo)特征提取、特征參數(shù)檢測(cè)、坐標(biāo)換算等算法，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確判斷出板材沖孔幾何尺寸及位置信息是否合格。圖像檢測(cè)算法流程如圖5所示。

圖5 圖像處理流程

2.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)采用NI Vision標(biāo)定訓(xùn)練接口進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選用黑白相間的圓點(diǎn)棋盤柵格作為標(biāo)定靶標(biāo)，其中圓點(diǎn)柵格橫向間距為10 mm，縱向間距也為10 mm。一共選用了5張不同角度的柵格圖像，進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。如圖6所示。

圖6 未標(biāo)定柵格圖像

由圖6可以看到，未經(jīng)過標(biāo)定的柵格圖像存在很大的桶形畸變，如果不進(jìn)行標(biāo)定消除畸變，會(huì)對(duì)后續(xù)的圖像處理及尺寸檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。

經(jīng)過標(biāo)定之后的柵格圖像如圖7所示。

從圖7可以看到，柵格圖像的桶形畸變有了很大的改善，同時(shí)偏角度拍攝的圖像在標(biāo)定之后視圖角度也不再偏移，這樣有助于提高視覺檢測(cè)的精度。

2.2 圖像處理實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前文介紹的圖像處理算法流程對(duì)目標(biāo)孔信息進(jìn)行檢測(cè)，其中部分圖像處理結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出，經(jīng)過算法處理后，采集到的圖像特征可以不失真被提取出來，便于后續(xù)尺寸檢測(cè)。圖9展示了單孔部分尺寸檢測(cè)結(jié)果。

圖9 單孔部分尺寸檢測(cè)結(jié)果

2.3 孔位置坐標(biāo)變換模型

為了提高檢測(cè)精度，本系統(tǒng)每次只檢測(cè)一個(gè)孔的信息。若要檢測(cè)出每個(gè)孔相對(duì)于板材坐標(biāo)原點(diǎn)的位置信息，需設(shè)計(jì)一種“孔位置坐標(biāo)變換模型，如圖10所示。

圖10 坐標(biāo)變換模型圖

圖10中，矩形代表采集到的圖像，圓代表被檢測(cè)的孔。O1為第一幅圖像的中心點(diǎn)，O2為第二幅圖像的中心點(diǎn)，X為2幅圖像的中心距，同時(shí)也代表相機(jī)采集2幅圖像運(yùn)動(dòng)的距離。L為整幅圖像代表的現(xiàn)實(shí)距離。圖像的原點(diǎn)為左上角點(diǎn)A1和A2，A1和A2的水平向右方向?yàn)閄軸正方向，A1、A2垂直向下方向?yàn)閅軸正方向。d1、d2分別為圖像檢測(cè)后得到的孔的圓心到圖像原點(diǎn)的X向距離。d代表圖像檢測(cè)后兩孔的圓心距。

根據(jù)圖10有：

d=X-(d1-L/2)+(d2-L/2)=X-d1+d2

(1)

3 沖孔質(zhì)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本系統(tǒng)檢測(cè)方法的可行性及準(zhǔn)確性，將利用前文介紹的檢測(cè)方法對(duì)實(shí)際沖孔板材上孔的直徑尺寸和位置尺寸進(jìn)行視覺檢測(cè)和人工測(cè)量，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

根據(jù)前文介紹的圖像檢測(cè)系統(tǒng)搭建了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖11所示。

(a)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

(b)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖像采集部分圖11 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由線性模組、工業(yè)相機(jī)和檢測(cè)板材組成，工業(yè)相機(jī)裝在線性模組上，通過線性模組驅(qū)動(dòng)相機(jī)對(duì)板材進(jìn)行圖像采集。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的實(shí)際板材如圖12所示。

圖12 板材實(shí)拍圖

3.2 視覺檢測(cè)數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

得到視覺檢測(cè)數(shù)據(jù)之后，還需要人工測(cè)量1組數(shù)據(jù)，將2組數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證視覺檢測(cè)的結(jié)果準(zhǔn)確性。結(jié)果如表1～表4所示。

表1 圓孔視覺檢測(cè)與人工測(cè)量結(jié)果對(duì)比 mm

表2 葫蘆孔及長圓孔視覺檢測(cè)與人工測(cè)量結(jié)果對(duì)比 mm

表3 半圓孔視覺檢測(cè)與人工測(cè)量結(jié)果對(duì)比 mm

表4 孔位置視覺檢測(cè)與人工測(cè)量結(jié)果對(duì)比 mm

由表1～表4可以看到，視覺檢測(cè)誤差均在±0.02 mm內(nèi)。對(duì)所有誤差的絕對(duì)值求均值結(jié)果為0.012 mm。本系統(tǒng)被檢測(cè)孔的尺寸公差為±0.2 mm，位置公差為±0.2 mm，從檢測(cè)數(shù)據(jù)來看，本系統(tǒng)的檢測(cè)方案滿足檢測(cè)要求。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)自動(dòng)化產(chǎn)線中板材沖孔質(zhì)量需人工抽檢這一情況，提出了一種基于視覺的大尺寸板材沖孔質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。在硬件部分，設(shè)計(jì)了一套二維視覺檢測(cè)平臺(tái)，通過控制工業(yè)相機(jī)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)板材上被測(cè)孔的圖像采集；在圖像處理部分，設(shè)計(jì)了一套沖孔質(zhì)量視覺檢測(cè)算法，采用圖像的標(biāo)定、中值濾波、二值化分割和Canny邊緣檢測(cè)算子等圖像處理算法，并且針對(duì)于大尺寸沖孔板材測(cè)量結(jié)果的孔位置確定，提出了一套坐標(biāo)換算模型。最后通過檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，將檢測(cè)結(jié)果與人工測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該系統(tǒng)方案可行性及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線中，可顯著提高產(chǎn)品合格率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。