一種基于機(jī)器視覺的炮彈表面缺陷檢測系統(tǒng)方案

韓君利 李帥孝 於勝軍 陳 雙 孫曉幫

（1.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110159； 2.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121000）

0 引言

隨著智能制造在全球的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)得到了全世界人們的高度關(guān)注。機(jī)器視覺技術(shù)采用工業(yè)相機(jī)和相關(guān)軟件，完成傳統(tǒng)方法中依靠人眼與大腦來做測量和判斷的工業(yè)任務(wù)，并能迅速、及時地將判斷結(jié)果傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1]。機(jī)器視覺技術(shù)的硬件部分主要是工業(yè)相機(jī)，根據(jù)應(yīng)用場合可以分為面陣相機(jī)和線陣相機(jī)，面陣相機(jī)適合對靜態(tài)物體與低速運動物體進(jìn)行檢測，線陣相機(jī)適合對高速、連續(xù)運動的物體進(jìn)行檢測[2]。目前國內(nèi)外知名的工業(yè)相機(jī)主要有Basler、Dalsa、AVT、大恒以及?？低暤取C(jī)器視覺技術(shù)的軟件部分主要完成圖像處理、特征提取、識別、分析計算以及結(jié)果判別等任務(wù)，常用的軟件有LabVIEW Vision[3]、Opencv和Halcon等[4]。

目前，基于機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品表面檢測的方法得到了廣泛應(yīng)用，例如文獻(xiàn)[5]將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于汽車減振器活塞桿表面暇疵檢測，文獻(xiàn)[6]應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行半導(dǎo)體產(chǎn)品外觀檢測。文獻(xiàn)[7]基于機(jī)器視覺技術(shù)開展了對藥品鋁塑包裝檢測的研究。文獻(xiàn)[8]將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于自動化物流系統(tǒng)中。因此，該文將針對目前炮彈生產(chǎn)過程中僅依靠人體肉眼進(jìn)行表面缺陷檢測的不足，結(jié)合現(xiàn)代機(jī)器視覺技術(shù)，提出一種基于機(jī)器視覺的炮彈表面缺陷檢測系統(tǒng)方案，提高炮彈檢測效率和生產(chǎn)效率。

1 炮彈表面常見缺陷特征及產(chǎn)生原因

炮彈彈體主要由彈頭、彈帶以及彈尾3個部分組成，表面缺陷主要包括裂縫、銹蝕、凹痕和孔洞等，各種缺陷具體特征表現(xiàn)如下：1） 裂縫。彈體表面裂縫額形狀一般比較細(xì)長且無規(guī)則。2） 銹蝕。彈體表面銹蝕主要是因長時間不使用或者保養(yǎng)不當(dāng)而產(chǎn)生的，一般形狀無規(guī)則，嚴(yán)重時會出現(xiàn)凸起。3） 凹痕。彈體表面凹痕一般為具有一定深度的凹坑，分布不均勻且無規(guī)則。4） 孔洞。彈體表面孔洞主要是由原材料和加工工藝而造成的，一般形狀為圓形，有時也呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀。

出現(xiàn)上訴缺陷的原因主要包括3個方面：1） 制造不當(dāng)。在炮彈生產(chǎn)制造中，由于生產(chǎn)工藝等問題造成炮彈表面存在隱患，經(jīng)過一段時間后，彈體內(nèi)儲存的炸藥發(fā)生質(zhì)變使彈體發(fā)生膨脹或壓縮，并逐漸延伸到表面，顯現(xiàn)出裂痕、孔洞等。2） 運輸不當(dāng)。由于炮彈體積較大，因此在搬運過程中炮彈之間相互碰撞，就會導(dǎo)致炮彈表面出現(xiàn)凹痕、碰傷等。3） 保養(yǎng)不當(dāng)。由于炮彈不一定是即產(chǎn)即用，因此，當(dāng)炮彈存放時間過長且保養(yǎng)不當(dāng)時，炮彈表面就會出現(xiàn)銹蝕。

根據(jù)實際使用情況，上述炮彈表面缺陷中裂縫對炮彈的影響最大，其次是凹痕和孔洞，銹蝕的影響最小。但無論出現(xiàn)哪種表面缺陷，都有可能引起火炮膛爆炸，從而造成人員傷亡、設(shè)備損失。因此對存在表面缺陷的炮彈，從火炮發(fā)射要求上是禁止使用的。

2 機(jī)器視覺圖像識別系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

機(jī)器視覺是用計算機(jī)模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息并對其進(jìn)行處理和計算，最終實現(xiàn)檢測和控制等目標(biāo)。機(jī)器視覺圖像識別系統(tǒng)實際上是一項綜合技術(shù)，包括光源照明技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)以及人機(jī)接口技術(shù)等。一套完整的、典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)該包括光源、光學(xué)成像系統(tǒng)、圖像采集及處理系統(tǒng)、決策判別模塊和控制執(zhí)行模塊。

理想的光源可以有效提高圖像的清晰程度，對后續(xù)的圖像處理帶來較大的便利。為了滿足大多數(shù)檢測需求，最理想的選擇是采用無影光源，它可以避免產(chǎn)生強(qiáng)烈的炫光。

光學(xué)成像系統(tǒng)主要是攝像機(jī)的選擇，目前攝像頭的感光元件有 2種，分別為CCD和CMOS ，它們均利用感光二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，它們的區(qū)別在于數(shù)據(jù)輸送方式不同。由于存在靈敏度差異、成本差異、分辨率差異、噪聲差異以及功耗差異等因素，二者在效能與應(yīng)用上也有所不同。目前應(yīng)用較為成熟的是CCD攝像機(jī)。除了感光元件外，光學(xué)成像系統(tǒng)還需要匹配合適的鏡頭，主要考慮鏡頭成像面與所用CCD攝像機(jī)的匹配程度以及根據(jù)實際工作或安裝環(huán)境確定鏡頭的參數(shù)2個方面的因素。

圖像采集及處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡將攝像機(jī)攝取的圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，通過實時采集被測事物的視頻信號捕獲其中所需要的某一幀圖像，并由計算機(jī)對采集的圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理、計算和存儲等，從而得到所需要的數(shù)據(jù)信息。由于通常圖像處理的數(shù)據(jù)量大、運算時間長，因此對計算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)的配置要求較高。

決策判別模塊相當(dāng)于人腦的神經(jīng)系統(tǒng)，控制執(zhí)行模塊則相當(dāng)于人體的四肢軀干，由機(jī)械部件構(gòu)成。決策判別過程在計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)，通過接收圖像采集及處理系統(tǒng)處理后得到的參數(shù)，結(jié)合預(yù)設(shè)的判別準(zhǔn)則，準(zhǔn)確地給出判別結(jié)果，然后由控制執(zhí)行模塊給出相應(yīng)的操作。

機(jī)器視覺圖像識別系統(tǒng)工作原理如圖1所示，采用攝像機(jī)獲得被測目標(biāo)的圖像信號，通過信號轉(zhuǎn)換裝置將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳送給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)像素分布、亮度和顏色等信息，計算并提取目標(biāo)參數(shù)特征，根據(jù)預(yù)設(shè)的判別準(zhǔn)則輸出判斷結(jié)果，并將結(jié)果傳輸給控制執(zhí)行模塊進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖1 機(jī)器視覺圖像識別系統(tǒng)工作原理

3 基于機(jī)器視覺的炮彈表面缺陷檢測系統(tǒng)方案設(shè)計

該文提出了一種基于機(jī)器視覺的炮彈表面缺陷檢測系統(tǒng)方案，該套檢測系統(tǒng)結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，利用線掃相機(jī)自動完成炮彈表面缺陷檢測任務(wù)，可以實現(xiàn)炮彈運動控制、炮彈圖像采集以及炮彈表面缺陷識別等目標(biāo)。該系統(tǒng)采用由上至下的逐層設(shè)計思路，首先通過分析炮彈表面缺陷檢測系統(tǒng)的一般要求，確定滿足系統(tǒng)要求擬采用的技術(shù)方案；其次，對檢測系統(tǒng)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)框架的搭建；最后，針對檢測系統(tǒng)中最主要的視覺檢測模塊進(jìn)行軟硬件及視覺檢測流程設(shè)計。

3.1 檢測系統(tǒng)功能分析與技術(shù)方案確定

由于炮彈表面缺陷均會降低彈體金屬的強(qiáng)度，在彈體發(fā)射時，炮膛內(nèi)的高溫和高壓會引起彈體的嚴(yán)重變形或碎裂，因此如果能在炮彈生產(chǎn)過程中對彈體表面缺陷進(jìn)行自動檢測，就可以有效提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)安全性。如果采用自動檢測手段對炮彈表面缺陷進(jìn)行檢測，則一般要求應(yīng)具備自動保存缺陷檢測圖像的功能；具備缺陷類型統(tǒng)計和記錄功能，對出現(xiàn)的缺陷種類和次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，并將統(tǒng)計結(jié)果自動記錄到數(shù)據(jù)庫中；具備缺陷標(biāo)記功能，對檢測到的炮彈缺陷處進(jìn)行標(biāo)記。

因此，為了實現(xiàn)上述檢測要求，該文提出的炮彈表面缺陷檢測系統(tǒng)應(yīng)具備炮彈運動控制、炮彈圖像采集和炮彈表面缺陷識別等功能，針對各部分功能擬采用的技術(shù)方案如下：1） 在炮彈運動控制方面，擬使用可編程邏輯控制器 PLC 對系統(tǒng)的點動邏輯和伺服軸進(jìn)行控制。2） 在炮彈圖像采集方面，考慮在炮彈表面缺陷檢測過程中不能一次拍攝完整的圓柱表面，擬采用伺服電機(jī)驅(qū)動炮彈旋轉(zhuǎn)，利用線掃相機(jī)進(jìn)行線掃拍攝，并將拍攝后的所有圖像進(jìn)行拼接。3） 在表面缺陷特征識別方面，需要在識別之前進(jìn)行圖像處理，獲得能夠表征炮彈表面缺陷特征的參數(shù)，然后利用粒子分析、閾值比對等算法，判斷被測件是否合格。

3.2 檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架搭建

該文提出的炮彈表面檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，采用傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備與現(xiàn)代機(jī)器視覺系統(tǒng)相結(jié)合的設(shè)計思路。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備包括傳送帶、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)以及標(biāo)記機(jī)構(gòu)，主要實現(xiàn)檢測過程中炮彈的各種運動，而現(xiàn)代機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成機(jī)器視覺檢測模塊，主要實現(xiàn)檢測過程中的炮彈運動控制和表面缺陷圖像采集與信息處理。在進(jìn)行具體結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，確定各部分的功能如下：1） 傳送帶是檢測過程中運送炮彈的載體，用于實現(xiàn)炮彈上料和下料的操作。2） 夾持機(jī)構(gòu)用于從傳送帶上抓取、夾持和運送炮彈。3） 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于實現(xiàn)炮彈旋轉(zhuǎn)運動，為炮彈表面線掃檢測提供動力。4） 標(biāo)記機(jī)構(gòu)標(biāo)記由視覺檢測模塊檢測檢測出來的炮彈表面缺陷。5） 視覺檢測模塊用于炮彈運動控制、表面缺陷圖像采集以及檢測信息存儲。

圖2 炮彈表面缺陷檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架

3.3 視覺檢測模塊方案設(shè)計

視覺檢測模塊是炮彈表面檢缺陷測系統(tǒng)的核心部分，采用軟硬件相結(jié)合的設(shè)計思路，整體方案框架如圖3所示。其中硬件部分主要包括顯示器、工控機(jī)、光源和線掃相機(jī)，光源為炮彈提供穩(wěn)定的光照環(huán)境；線掃相機(jī)掃描炮彈表面，并為炮彈取像；線掃相機(jī)取像后通過網(wǎng)口通信將數(shù)據(jù)信息傳遞給工控機(jī)，并通過顯示器顯示所有相關(guān)信息。

視覺檢測模塊軟件部分可以按照不同的方法進(jìn)行分類，圖3所示方案的軟件部分按照該模塊可以實現(xiàn)的功能進(jìn)行分類，包括圖像采集處理、圖像信息存儲和運動控制3個部分，圖像采集處理部分主要是采集炮彈表面圖像，然后利用上位機(jī)軟件程序進(jìn)行圖像處理與圖像識別，并依據(jù)一定的智能算法，實現(xiàn)對炮彈表面缺陷的判別；圖像信息存儲部分是提取圖像識別后需要保留的信息，按事先設(shè)定的規(guī)則將其存入數(shù)據(jù)庫，將缺陷信息覆蓋到圖片上，并將其存儲到文件夾；運動控制部分通過下位機(jī)軟件編程來實現(xiàn)，包括運動控制程序和缺陷標(biāo)記程序，分別用于控制旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的氣缸運動控制和標(biāo)記機(jī)構(gòu)的標(biāo)記操作控制。

圖3 視覺檢測模塊方案

如果將視覺檢測模塊軟件部分按照計算機(jī)作用進(jìn)行分類，包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件2個部分，具體架構(gòu)如圖4所示，其中上位機(jī)軟件程序擬通過Labview來編寫，主要實現(xiàn)存儲功能、視覺功能和通信功能，下位機(jī)軟件程序擬通過TIA Portal來編寫，主要實現(xiàn)點動控制和伺服控制功能。

圖4 視覺檢測模塊軟件部分具體架構(gòu)

4 結(jié)論

該文提出了一種基于機(jī)器視覺系統(tǒng)的炮彈表面缺陷檢測系統(tǒng)方案，搭建了檢測系統(tǒng)整體框架，并對核心部分視覺檢測模塊進(jìn)行設(shè)計。該套檢測系統(tǒng)可以利用線掃相機(jī)，通過多次、多角度拍攝炮彈圖像，實現(xiàn)對炮彈表面缺陷的識別與分類，并可以對缺陷進(jìn)行標(biāo)記和數(shù)據(jù)存儲，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法僅靠人體肉眼檢測導(dǎo)致漏檢的問題，提高了炮彈檢測效率和生產(chǎn)效率。該檢測系統(tǒng)方案不僅可以用于炮彈表面缺陷檢測，還可以推廣到其他機(jī)械部件表面缺陷或暇疵檢測，只需要根據(jù)檢測部件重新設(shè)計相應(yīng)的夾持機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)就可以完成檢測，表明該系統(tǒng)具有較好的通用性和擴(kuò)展性。