基于二維碼的零件智能檢測系統(tǒng)的技術(shù)研究

劉 華，郭 輝，沈 勇，馬艷萍

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723000)

雖然我國制造業(yè)走過機(jī)械化、自動化、數(shù)字化等發(fā)展階段，已經(jīng)搭建起完整的制造業(yè)體系和制造業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，具備了實(shí)現(xiàn)智能制造、推動全球產(chǎn)業(yè)鏈變革的可能性和基礎(chǔ)實(shí)力，但是在產(chǎn)品檢驗(yàn)與質(zhì)量控制系統(tǒng)的數(shù)字化方面還相對滯后[1]。絕大多數(shù)制造業(yè)質(zhì)量控制存在如下現(xiàn)狀：產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)大都是手工檢測、手工錄入；各個質(zhì)量檢測控制點(diǎn)的檢測信息分散，不能實(shí)時匯總，實(shí)時性、可靠性與客觀性差；未建立有效的數(shù)字化質(zhì)量控制系統(tǒng)；質(zhì)量管理的過程統(tǒng)計(jì)(SPC)難以發(fā)揮大數(shù)據(jù)作用；因檢測原因尚不能形成有效的、封閉的數(shù)字化制造系統(tǒng)。目前，制造業(yè)生產(chǎn)車間自動信息化的問題正在逐漸上升，生產(chǎn)信息不再是孤立的存在，如何借助信息化手段，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)節(jié)、不同類型檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息整合，以求質(zhì)量管控的精準(zhǔn)、快捷和可追溯，是當(dāng)下制造業(yè)必須面對的抉擇[2-5]。

1 智能檢測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

智能檢測系統(tǒng)利用設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)的相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對進(jìn)入生產(chǎn)流程中的產(chǎn)品進(jìn)行ID標(biāo)識(二維碼)及檢測規(guī)劃，確定檢測手段。對產(chǎn)品暫不具備數(shù)字化測量項(xiàng)目(如大長徑深孔內(nèi)尺寸)的手工檢測錄入；其余檢測項(xiàng)目，利用已有通信接口(如RS232、USB等)的各種計(jì)量儀器、檢測設(shè)備進(jìn)行在線測量。所有數(shù)據(jù)按統(tǒng)一約定的格式存儲，通過網(wǎng)絡(luò)將檢測結(jié)果保存到系統(tǒng)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)同一ID(二維碼)產(chǎn)品不同工序下的全測量信息記錄[6-8]。智能檢測系統(tǒng)架構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

a) 軟件的總體框架結(jié)構(gòu)

2 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是由信息數(shù)據(jù)庫、工具庫、軟部件庫以及人機(jī)交互界面(3庫1面)組成。在Windows操作系統(tǒng)下，利用面向?qū)ο缶幊坦ぞ逤++ Builder構(gòu)建，系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫為SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(Data BaseSystem)，前、后臺信息通過ODBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息交互。

2.1 開發(fā)工具

C++ Builder開發(fā)工具具有快速可視化開發(fā)環(huán)境，只需把控件(組件)的表拖到Form上，設(shè)置屬性以及外觀，可快速構(gòu)建應(yīng)用程序界面，其內(nèi)置超過100個完全封裝的Windows實(shí)用程序的完全可擴(kuò)展(包括Active X控件完全支持)且可重復(fù)使用的控件可快速、高效地開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)C++編程語言與可視化編程環(huán)境的無暇鏈接。

2.2 SQL Sever

監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行效率的高低不僅受系統(tǒng)本身的模塊影響，還與DBS(數(shù)據(jù)庫系統(tǒng))設(shè)計(jì)的合理性有關(guān)。SQL Server 2016不僅建立于Windows操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，還能夠讓用戶建立、維護(hù)及造訪數(shù)據(jù)庫(Data Base)和來自用戶的全部對象。因此，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)優(yōu)選SQL Server 2016。

2.3 系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境

零件智能檢測系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境見表1。

表1 系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境

數(shù)據(jù)庫平臺和C++ builder開發(fā)應(yīng)用程序安裝完畢后，需要用ODBC技術(shù)對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等實(shí)施連接配置，其軟件配置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件配置圖

系統(tǒng)使用前，應(yīng)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)源聯(lián)接關(guān)系，具體步驟如下。

1)從“控制面板”選項(xiàng)，訪問“管理工具”→“數(shù)據(jù)源(ODBC)”。

2)點(diǎn)擊“用戶DSN”或“系統(tǒng)DSN”選項(xiàng)卡(任選一個皆可)，隨后點(diǎn)擊“添加”，點(diǎn)擊“SQL Server”，單擊“完成”。

3)鍵入DSN名稱，選擇SQL所在服務(wù)器。

4)選擇Windows用戶驗(yàn)證，或數(shù)據(jù)庫用戶驗(yàn)證(這個需要輸入賬號、密碼)，點(diǎn)擊下一步。

5)選擇需要聯(lián)接的數(shù)據(jù)庫。

6)點(diǎn)擊“完成”，查看“測試數(shù)據(jù)源”是否成功，若為“測試成功”，則成功完成配置，否則按步驟1～步驟5檢測配置。

3 智能檢測的功能實(shí)現(xiàn)

3.1 產(chǎn)品識別與數(shù)據(jù)采集

正式測量前系統(tǒng)應(yīng)對產(chǎn)品進(jìn)行身份識別，作為后期測量數(shù)據(jù)的ID。二維碼具備存儲信息量大、校正錯誤能力強(qiáng)、可靠性高、安全性能好的存儲優(yōu)點(diǎn)，因此被作為測量過程中數(shù)據(jù)交互的ID。產(chǎn)品身份識別主要利用生產(chǎn)設(shè)備或者其他設(shè)備讀取產(chǎn)品二維碼數(shù)據(jù)，并在該身份下進(jìn)行相關(guān)的后續(xù)處理。本系統(tǒng)采用二維碼識讀設(shè)備(見圖3a)讀取產(chǎn)品二維碼信息，識讀設(shè)備選用基恩士的固定式二維碼讀取器。車間生產(chǎn)信息的數(shù)據(jù)采集主要有物料信息、加工時間、工位測量等方面，按類如圖3b所示。

a) 固定式二維條碼讀取器

3.2 智能檢測系統(tǒng)的功能介紹

智能檢測系統(tǒng)通過圖像處理手段，檢測工件被測要素是否合格，主要有7個界面：主界面、圖像處理界面、定位界面、運(yùn)行界面、設(shè)置界面、測試界面和統(tǒng)計(jì)界面。

3.2.1 主界面

進(jìn)入登錄界面，輸入正確賬號、密碼后，系統(tǒng)自動跳轉(zhuǎn)相機(jī)主界面。該界面主要包含相機(jī)選擇、調(diào)節(jié)速度、照片抓取、當(dāng)前時間顯示和視頻流顯示等5個部分，圖4所示點(diǎn)擊抓取照片，圖像顯示框會顯示抓取的照片。通過拍攝效果對比，便于相機(jī)參數(shù)調(diào)整、采集節(jié)拍設(shè)置等。

a) 登錄界面

3.2.2 圖像處理與測量界面

圖像處理與測量界面主要包含10個方面，分別是定位、黑白操作、面積測量、圓參數(shù)測量、圓心距測量、線線角度測量、線線距離、點(diǎn)點(diǎn)距離、彎曲程度和輪廓匹配測量。當(dāng)對測量工件(如齒輪)設(shè)置測量參數(shù)后，運(yùn)行程序可對其表面缺陷進(jìn)行測量，判斷工件是否符合使用標(biāo)準(zhǔn)，是否為合格件，動態(tài)顯示測量結(jié)果，并對測量結(jié)果進(jìn)行記錄和上傳。

黑白操作實(shí)現(xiàn)彩色圖像到黑白圖像(灰度圖像)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)在圖像顯示框中看到零件在其中正常顯示時，可點(diǎn)擊點(diǎn)位按鈕，確定相機(jī)的位置，采集模板圖像，正式測量前需在模板圖像中框選出模板ROI，調(diào)整ROI位置，建立測量坐標(biāo)系，在批量檢測功能中作為參照使用或位姿矯正。在系統(tǒng)自動運(yùn)行時，零件抵達(dá)相機(jī)下方就會率先觸發(fā)拍照，進(jìn)行圖像采集、圖像灰度轉(zhuǎn)換，并按模板ROI進(jìn)行自動測量。若進(jìn)行面積測量功能，可通過調(diào)整ROI選擇出需要測量的區(qū)域面積，或通過Ctrl+鼠標(biāo)左鍵新建更多的ROI，同時完成多個區(qū)域面積測量，測量的面積結(jié)果顯示在左下方表格中(見圖5a)；若進(jìn)行線線距離測量功能，通過調(diào)整ROI選擇出需要測量的線線距離區(qū)域，同樣也可以通過Ctrl+鼠標(biāo)左鍵新建更多的ROI，并同時完成多個區(qū)域的線線距離測量，測量結(jié)果顯示在左下方表格中(見圖5b)。

a) 面積測量

3.2.3 定位與運(yùn)行界面

定位界面是定位相機(jī)和吹氣位置的界面，通過調(diào)整轉(zhuǎn)盤機(jī)的轉(zhuǎn)動，對工件的位置進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到相機(jī)和吹氣位置的定位功能。運(yùn)行界面是顯示設(shè)備正常運(yùn)行時的窗口，在該界面可以實(shí)時監(jiān)控顯示工件檢測的結(jié)果圖像、工件檢測總數(shù)、良品數(shù)量以及合格率等[9]。

3.2.4 設(shè)置、檢測與統(tǒng)計(jì)界面

設(shè)置界面(見圖6)是實(shí)現(xiàn)吹氣時間調(diào)整、上料狀態(tài)改變、轉(zhuǎn)盤機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整、氣壓控制和定位位置改變的界面，通過輸入框的數(shù)字輸入和滑塊拖動實(shí)現(xiàn)設(shè)置功能。點(diǎn)擊設(shè)置界面【吹氣時間】的輸入框，可以設(shè)置吹氣時間；點(diǎn)擊【上料控制】的上料開與上料關(guān)按鈕，確定選擇上料狀態(tài)；拖動【轉(zhuǎn)速】滑塊，可實(shí)現(xiàn)伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整；點(diǎn)擊【氣壓控制】氣壓開與氣壓關(guān)按鈕，可控制氣壓；點(diǎn)擊【相機(jī)1】、【相機(jī)2】、【吹氣1】、【吹氣2】輸入框可以設(shè)置定位脈沖的改變量。

圖6 設(shè)置界面

測試界面是實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)試時，吹氣測試功能、故障檢測功能和伺服啟停功能的界面，可通過點(diǎn)擊狀態(tài)按鈕實(shí)現(xiàn)設(shè)備調(diào)試時所需要的測試功能。點(diǎn)擊【吹氣1開】按鈕，下料吹氣1吹氣一次；點(diǎn)擊【吹氣2開】按鈕，下料吹氣2吹氣一次；點(diǎn)擊【伺服使能ON】按鈕，伺服電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動；點(diǎn)擊【伺服使能OFF】按鈕，伺服電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動；點(diǎn)擊【開始檢測】按鈕，實(shí)現(xiàn)氣壓故障、伺服故障、緊急停止、故障檢測，當(dāng)指示燈點(diǎn)亮?xí)r，代表出現(xiàn)故障[10]。統(tǒng)計(jì)界面是實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果實(shí)時監(jiān)控、存儲的界面。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

為測試零件智能檢測系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)健性，特選取一批墊片(20件)作為測試對象進(jìn)行平臺功能測試。首先，對墊片建立二維碼路線片，將其周轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)盤機(jī)，啟動智能檢測系統(tǒng)，采用二維碼讀取器讀取零件身份，利用CCD傳感器進(jìn)行圖像采集處理、尺寸測量和數(shù)據(jù)保存。智能檢測系統(tǒng)的設(shè)置和操作按功能實(shí)現(xiàn)的相關(guān)介紹配置。測試墊片的實(shí)際外圓、內(nèi)孔、厚度值及某一ID墊片3次的測試結(jié)果(見表2)。對線上墊片反復(fù)調(diào)整不同位置進(jìn)行10次測試，零件尺寸、檢測工件總數(shù)、工件良品數(shù)和工件合格率與手工測量一致，且系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，零件二維碼質(zhì)量信息查詢便捷。

表2 實(shí)際尺寸及測量尺寸

5 結(jié)語

零件智能檢測系統(tǒng)采用二維碼技術(shù)，對在制品零件掃描和跟蹤，監(jiān)控收集生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確了解生產(chǎn)現(xiàn)場情況。該系統(tǒng)的應(yīng)用將人力、物力、財(cái)力有效分配，縮短了零件生產(chǎn)周期，為實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)提供了有力支持。對于小批量多品種的產(chǎn)品、關(guān)鍵零部件實(shí)現(xiàn)質(zhì)量跟蹤溯源，根據(jù)零件二維碼對檢驗(yàn)記錄動態(tài)查詢；智能檢測系統(tǒng)可實(shí)時自動記錄，顯著減少人員的記錄測量結(jié)果時間，提高工作效率；以實(shí)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行SPC統(tǒng)計(jì)分析，為產(chǎn)品品質(zhì)提升、工藝改進(jìn)提供支持。