溫度過載保護(hù)器感應(yīng)元件的裝配檢測系統(tǒng)設(shè)計

頡永鵬 朱玉華 杜金月 劉洋

摘要：隨著社會的快速發(fā)展，對于傳統(tǒng)機(jī)器的改造勢在必行。機(jī)器視覺作為自動化設(shè)備的 “眼睛”，在傳統(tǒng)機(jī)器改造的過程中是尤為重要。針對溫度過載保護(hù)器的感應(yīng)元件的裝配過程，采用基恩士視覺公司的圖像檢測工具包，設(shè)計一套完整的全自動化設(shè)備。與傳統(tǒng)機(jī)器相比，它增加了圖像檢測系統(tǒng)和電氣控制部分，使機(jī)器更加的智能化。通過實際生產(chǎn)驗證，改造后的機(jī)器在生產(chǎn)應(yīng)用中效果理想，它對于同類型的產(chǎn)品設(shè)計提供有效地參考。

Abstract： With the rapid development of society， it is imperative to reform traditional machines. As the "eyes" of automation equipment， machine vision is particularly important in the process of traditional machine transformation. Aiming at the assembly process of the sensing element of the temperature overload protector， a complete set of fully automated equipment is designed using Keyence Vision's image inspection toolkit. Compared with traditional machines， it adds an image detection system and electrical control parts to make the machine more intelligent. Through actual production verification， the transformed machine has an ideal effect in production and application， and it provides an effective reference for the design of the same type of product.

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;圖像檢測;感應(yīng)元件;機(jī)構(gòu)設(shè)計;溫度過載保護(hù)器

Key words： machine vision;image detection;sensing element;mechanism design;temperature overload protector

中圖分類號：TM572.1? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0193-03

0? 引言

隨著計算機(jī)、圖像處理、圖形識別技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。機(jī)器視覺是工業(yè)機(jī)器人獲得環(huán)境信息的主要手段之一，它被廣泛用于智能汽車、發(fā)動機(jī)裝配、自動化工廠等制造業(yè)和其他行業(yè)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，控制生產(chǎn)過程并感知環(huán)境。工業(yè)4.0與智能制造密不可分，而智能制造與機(jī)器視覺密不可分。工業(yè)機(jī)器人通過視覺獲取的視覺圖像信息提取工件功能參數(shù)、位置信息，識別工件的種類，確定工件的位置。機(jī)器視覺是適用于產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的主要技術(shù)。因此，研究了機(jī)器視覺目標(biāo)識別和位置檢測，對于相似的工業(yè)應(yīng)用場景，具有一定的借鑒性。

1? 產(chǎn)品分析與系統(tǒng)設(shè)計

1.1 產(chǎn)品介紹和分析

感應(yīng)元件是電子設(shè)備的溫度過載保護(hù)器的一個器件，它主要包括四部分，底殼（圖1（a））、金屬感應(yīng)片（圖1（b）），卡扣（圖1（c））以及蓋子（圖1（d））。它的工作原理是，當(dāng)溫度過高時，金屬感應(yīng)片會因為溫度升高使它的形狀發(fā)生變化，改變阻值，起到溫度過載的保護(hù)作用。它的面積比較小，而且每一個步驟的裝配精度都要求高，通過肉眼去觀測裝配過程是很難發(fā)現(xiàn)裝配中出現(xiàn)的誤差，會直接導(dǎo)致產(chǎn)品的不合格。因此針對感應(yīng)元件的裝配過程，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，設(shè)計一套完整的裝配檢測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在裝配過程中出現(xiàn)的問題，對機(jī)構(gòu)部分及時作出調(diào)整，減少不良產(chǎn)品的出現(xiàn)頻率并剔除不良品。

1.2 檢測系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要包括相機(jī)檢測部分、機(jī)械取料抓料以及人機(jī)界面顯示三部分，系統(tǒng)組成如圖2所示。

感應(yīng)元件是由底殼、感應(yīng)片、卡扣和蓋子四部分組成。因此裝配需要從下到上依次完成。第一步首先送入底殼原料并裁切，然后送到傳輸線;第二步安裝感應(yīng)片;第三步卡扣安裝和對卡扣進(jìn)行焊接;第四步安裝保護(hù)蓋。每一步驟的安裝精度都影響著最終裝配的成功。因此需要在每一個工位都需要加裝檢測裝置。其中檢測位1是針對底殼的安放位置進(jìn)行檢測，確保它的安放位置端正;檢測位2是針對感應(yīng)片是否放在底殼的正中心位置進(jìn)行檢測，防止出現(xiàn)斜放，翹起的情況發(fā)生;檢測位3主要是針對焊接卡扣的焊點進(jìn)行檢測，確保焊點不能過大影響感應(yīng)片以及是否焊接到位;檢測位4是針對蓋子是否完全和底殼重合的檢測。

整個機(jī)構(gòu)設(shè)計包括了各部分材料的運送、每個部位的裁剪按壓、焊接、檢測、產(chǎn)品的不良和合格的分類以及最終不良品的剔除。全自動化操作，無需人監(jiān)管，符合商家的要求，圖3為機(jī)構(gòu)設(shè)計實體圖。

2? 視覺檢測系統(tǒng)

視覺檢測系統(tǒng)的設(shè)計主要分為兩個部分，第一部分是視覺系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計，主要包括鏡頭、光源等的選型。第二部分為圖像識別和顯示，對獲得的圖像提取特征，然后顯示在人機(jī)界面上。

2.1 視覺系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 鏡頭選型

鏡頭的選擇對于檢測系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的。只有選擇合適的鏡頭才能拍出符合要求的照片。選擇鏡頭時，不僅要對相機(jī)的工作位置、視野范圍、焦距考慮，而且鏡頭的變形失真和工作環(huán)境也是必須要考慮的因素。鏡頭是由光圈和鏡片組成的。通過獲得的圖片對光圈和焦距的調(diào)整，就可以得到清晰的圖像。根據(jù)視野和焦距，就可以計算焦點對準(zhǔn)的位置，既工作距離（WD）：

WD：視野角=CCD尺寸：焦矩

最后綜合廠家要求和設(shè)計拍照的要求，選定了焦距為16mm，240萬像素的高品質(zhì)鏡頭，相機(jī)選擇基恩士的工業(yè)相機(jī)。

2.1.2 照明的選擇

照明是影響視覺檢測非常關(guān)鍵的因素，它直接影響著拍攝圖像的質(zhì)量。環(huán)境的差異使得沒有一個通用的照明系統(tǒng)供大家選擇，因此針對每一個特定的應(yīng)用實例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。

首先看光源，光源可分為可見光和不可見光。在工業(yè)應(yīng)用中最常見的光源主要有白熾燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。由于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境不是封閉的，環(huán)境中出現(xiàn)的干擾光源會直接影響圖片的質(zhì)量和檢測的效果，可以通過增加防護(hù)罩的辦法來減少環(huán)境光的影響。

照射方法可分為：背向照明、前向照明和結(jié)構(gòu)光照明等。其中，背向照明是指被測物放在光源和攝像機(jī)之間，能獲得高對比度的圖像，圖像處理簡潔。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測物的同側(cè)，這種方式便于安裝。結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測物的三維信息[2]。

選擇照明方式一般有三個步驟：

第一，選擇照明方式：根據(jù)檢測部位的特點，可以選擇漫反射光、鏡面反射光和透射光。

第二，決定照明方法：根據(jù)工件條件和環(huán)境條件，可以采用環(huán)形光源、低角度光源和同軸光源等。

第三，決定光線的顏色和波長：根據(jù)工件的顏色和背景材料的顏色加以確定。

根據(jù)每個檢測位置的條件和環(huán)境因素，選擇檢測1、2、4位為透射光的低角度光源，檢測位3選擇環(huán)形光源。根據(jù)產(chǎn)品的顏色和整個環(huán)境狀況，都選擇白色光。

2.2 圖像檢測和顯示

2.2.1 圖像處理

首先對四部分獲得的圖像進(jìn)行處理，提取圖像特征，然后與標(biāo)準(zhǔn)圖像提取的圖像特征進(jìn)行對比，進(jìn)行誤差范圍分析，如果每個位置獲得的圖片都滿足精度要求，則認(rèn)為是良品，否則為不良品，需要對不良品進(jìn)行剔除，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

其圖像處理步驟為，首先對獲取到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理主要包括，對彩色圖像進(jìn)行灰度處理、二值化、濾波、降噪、對圖像進(jìn)行開操作和閉操作。然后對圖像進(jìn)行邊界檢測，提取圖像的特征。最后進(jìn)行面積和周長等的計算，與標(biāo)準(zhǔn)圖像的這些特征進(jìn)行比較，若在誤差范圍內(nèi)可視為良品，否則視為不良品，進(jìn)行提出[3，4]。

2.2.2 人機(jī)界面顯示設(shè)計

根據(jù)客戶的要求，結(jié)合C#語言和在線檢測系統(tǒng)設(shè)計了清晰明了的顯示界面，其中包括主頁面設(shè)置，相機(jī)狀態(tài)顯示，用戶登錄等功能。用戶可以在任何時候查看每一個工位的圖片拍攝情況和狀態(tài)顯示狀況，及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)相同錯誤的位置，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，減少不良品的出現(xiàn)，同時可以查看每一個工位的良品數(shù)量和成功率[5]。

3? 結(jié)果分析

抽取某一天的改進(jìn)機(jī)器產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)機(jī)器產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。改進(jìn)機(jī)器與傳統(tǒng)機(jī)器生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比如表1。

根據(jù)表1可知，在相同時間段內(nèi)，改進(jìn)機(jī)器生產(chǎn)的總量明顯上漲，達(dá)到了提高一倍產(chǎn)量的設(shè)計要求。而且通過對比發(fā)現(xiàn)，通過不斷地監(jiān)測每個工位產(chǎn)品生產(chǎn)情況，及時調(diào)整因為機(jī)構(gòu)問題而造成產(chǎn)品不良的原因，可以大大提高每個工位的良品率，進(jìn)而提高成品的良品率。

然后截取了一周的兩種機(jī)器的生產(chǎn)對比，如圖4所示。

由4可知，通過對兩種機(jī)器的生產(chǎn)數(shù)量和良品的 率折線圖統(tǒng)計分析，改進(jìn)的機(jī)器在這一周之內(nèi)，它每天的產(chǎn)生數(shù)量超過5000個，而且成品的良品率都達(dá)99.3%以上。因此此次機(jī)器改良，達(dá)到公司要求。

4? 結(jié)論

本設(shè)計在傳統(tǒng)機(jī)器的基礎(chǔ)上，對它的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控設(shè)計進(jìn)行改造。與傳統(tǒng)機(jī)器相比，在每個工位增加可視覺檢測系統(tǒng)，可以實時對每一個工位的工作情況進(jìn)行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)中存在的問題，并加以調(diào)整，減少不良的出現(xiàn)頻率。結(jié)合基恩士的檢測工具包，增加良品與不良品的分類系統(tǒng)，可以及時清楚不良品，給工作人員帶來了極大的便利。經(jīng)過實際的生產(chǎn)要求驗證，裝配效果理想，產(chǎn)品優(yōu)良檢測準(zhǔn)確，可以達(dá)到實際應(yīng)用的目的。這項設(shè)計為微小物品方面的裝配以及檢測提供了實際經(jīng)驗，對于相似的工業(yè)應(yīng)用場景，具有一定的借鑒性。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱林安.結(jié)合生產(chǎn)線的視覺檢測實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2021（06）：76-77.

[2]管經(jīng)緯. 基于機(jī)器視覺的工件自動分揀系統(tǒng)研究[D].東華大學(xué)，2015.

[3]徐松.機(jī)器視覺技術(shù)在包裝盒檢測中的應(yīng)用研究[J].科技風(fēng)，2021（07）：15-16.

[4]田洪志，王東興，林建鋼，劉兆財，陳麒麟.沖壓件沖孔缺陷的檢測與識別[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020，43（23）：35-38.

[5]管飛，范會來，劉中峰.基于UC/GUI嵌入式用戶圖形界面的某型裝備檢測診斷系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2020，17（13）：152-154，157.