基于機(jī)器視覺的流控元件氣密性檢測設(shè)備的研發(fā)*

施 敏，鄒建華，盧偉健，伍建樺

（廣東順德西安交通大學(xué)研究院，廣東 佛山 528000）

0 引言

流控元件是各類成套裝置中的重要組成部分，主要用于工藝管道介質(zhì)（物料、水、蒸汽、空氣和油品等）的切斷、節(jié)流、調(diào)壓和改變流向等［1］。其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響這些裝置的正常生產(chǎn)、安全運(yùn)轉(zhuǎn)和環(huán)境污染。元件出廠前必須通過氣密性實(shí)驗(yàn)。流控元件氣密性的試驗(yàn)是指對元件施加工作壓力以上的壓力介質(zhì)，其允許介質(zhì)泄漏的極限量。

國內(nèi)外專利文獻(xiàn)中閥門的壓力檢漏方法主要有氣泡法、皂泡法、特殊示蹤物質(zhì)法、水壓法、超聲波法、氦氣檢測法、壓降法、閥門內(nèi)漏溫度法［2］。其中最有效的是氦氣檢測法，檢測準(zhǔn)確率高，但是價格昂貴，最常用且成本最低的方法是氣泡法。然而傳統(tǒng)的氣泡法檢查一般依賴人眼，但長時間的目視，不但對工人是嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)且容易出錯，更重要的是人工成本高，效率低。隨著勞動力成本不可逆轉(zhuǎn)地大幅度提高，所有的公司都面臨著用工成本不斷攀升的境況［3］。另一方面由于檢測元件外形不規(guī)則、元件漏點(diǎn)位置隨機(jī)無規(guī)律、形成氣泡最小直徑低于0.1 mm等客觀條件，檢測人員很難及時發(fā)現(xiàn)氣泡，造成誤檢，識別精度很難達(dá)到預(yù)期。目前流控元件制造廠中還沒有可靠穩(wěn)定運(yùn)行的視覺檢測設(shè)備，因此采用信息化、自動化、智能化手段推動裝備制造業(yè)的升級改造十分必要。

在此背景下，針對流控元件氣密性的問題，本文繼承了工業(yè)現(xiàn)場傳統(tǒng)氣泡法的測試思路，將傳統(tǒng)的檢測設(shè)備進(jìn)行升級改造，引進(jìn)機(jī)器視覺代替人眼檢測，基于C＃、OpenCV設(shè)計(jì)出專用的自動化檢測設(shè)備。

1 設(shè)計(jì)要求及思路

1.1 總體設(shè)計(jì)要求及遵循原則

總體設(shè)計(jì)要求及遵循原則如下：（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是針對多個元件同時檢測，上下料機(jī)構(gòu)應(yīng)便于以人工操作的方式完成待測元件的上下料動作，提升整體檢測效率［4］；（2）流控元件良品標(biāo)準(zhǔn)是在4.15 MPa氣壓下1 min內(nèi)無氣體泄漏，檢測氣動管路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于此檢測要求；（3）圖像采集系統(tǒng)包括面陣相機(jī)、圖像采集卡、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)相機(jī)安裝、校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化流程，便于規(guī)模應(yīng)用；（4）檢測系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中將產(chǎn)生大量缺陷數(shù)據(jù)，以圖片形式存儲在磁盤系統(tǒng)中，為了獲得高速寫入及查詢?nèi)毕輸?shù)據(jù)，系統(tǒng)配套獨(dú)立數(shù)據(jù)存儲單元，便于生產(chǎn)管理及業(yè)務(wù)回溯［5］；（5）系統(tǒng)強(qiáng)電、弱電總控臺是集走線、報(bào)警顯示、生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控于一體的用戶操控界面；（6）聯(lián)動報(bào)警機(jī)構(gòu)在出現(xiàn)不良品的狀態(tài)下以聲光報(bào)警的形式提示用戶進(jìn)行人工干預(yù)。

1.2 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)備選取流控元件中某款空調(diào)用截止閥及管路件產(chǎn)品為檢測對象，結(jié)合工業(yè)相機(jī)以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理手段，實(shí)現(xiàn)流控元件氣密性自動檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)。其工作流程如圖1 所示，利用氣缸將待測元件完全浸入水中，并充入規(guī)定壓力的空氣，如果流控元件氣密性不合格，元件內(nèi)的空氣將產(chǎn)生泄漏，會在水中產(chǎn)生氣泡，通過提取水中是否產(chǎn)生由下至上運(yùn)動的氣泡這一信息，達(dá)到檢測元件氣密性的目的［6］。連續(xù)圖像抓取獲得氣泡上升過程中形態(tài)實(shí)時變化情況，如果場景內(nèi)沒有運(yùn)動目標(biāo)，則相片連續(xù)幀的變化很微弱，如果存在運(yùn)動目標(biāo)，則連續(xù)的幀與幀之間會有明顯的變化，當(dāng)采集到氣泡向上運(yùn)動的時候，相鄰幀之間在灰度上會有差別，求取兩幀圖像灰度差的絕對值，則靜止的物體在差值圖像上表現(xiàn)出來全是0，而氣泡的輪廓處由于存在灰度變化為非0，當(dāng)絕對值超過一定閾值時，即可判斷為運(yùn)動目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)氣泡的檢測功能［7］。系統(tǒng)采用多工位同時檢測，保證了檢測的高效率；檢測數(shù)據(jù)采用計(jì)算機(jī)來處理，加快了數(shù)據(jù)的處理速度，為檢測結(jié)果的后續(xù)處理提供了可靠依據(jù)。

圖1 流控元件氣密性視覺檢測設(shè)備工作流程

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

流控元件氣密性視覺檢測系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括多工位上下料結(jié)構(gòu)、高壓及低壓氣源控制系統(tǒng)、電控進(jìn)排水系統(tǒng)等，主要由氣缸、氣泵（或接入其他氣源）、鋁型材機(jī)架、元件夾具、透明水池以及反光鏡、光源、攝像頭等幾部分組成［8］，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該系統(tǒng)的樣機(jī)實(shí)物如圖3 所示。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：（1）為盡可能提升檢測效率，流控元件檢測工位設(shè)計(jì)14 個工位，配置雙攝像頭采集圖像，檢測速度為14 個／min；（2）檢測元件和攝像頭位置采用上下錯層擺放，節(jié)約空間的同時，盡可能排除雜物對成像的干擾［9］，攝像頭可通過云臺底座360°調(diào)節(jié)，反光鏡也可以通過旋鈕支架進(jìn)行0°～90°調(diào)節(jié)，做到成像最優(yōu)；（3）透明水池采用10 mm 透明亞克力，配上電磁閥、進(jìn)出水管實(shí)現(xiàn)電控進(jìn)排水功能；（4）參考被測元件的尺寸和質(zhì)量要求，升降氣缸選用單活塞桿、活塞雙向作用，可調(diào)緩沖氣缸，活塞運(yùn)動速度范圍為50 ～800 mm／s，缸內(nèi)徑為50 mm，行程范圍為0 ～300 mm，工作壓力為0.15 ～1 MPa，理論作用力推力為785 N，拉力為705 N；（5）根據(jù)被測元件要求選用氣泵或合適的氣源。本設(shè)備中流控元件承壓要求為4.15 MPa，60 s內(nèi)無泄漏，氣缸氣源為0.5 MPa。

圖2 流控元件氣密性視覺檢測設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 流控元件氣密性視覺檢測設(shè)備樣機(jī)實(shí)物

3 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

流控元件氣密性視覺檢測設(shè)備視覺檢測系統(tǒng)由硬件和軟件部分組成。硬件包含光源、工業(yè)相機(jī)、工控機(jī)等；軟件包含控制系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和顯示輸出部分等組成。

3.1 工業(yè)相機(jī)及光源

結(jié)合工廠生產(chǎn)要求及現(xiàn)場場地條件要求，單個相機(jī)需在0.5 m距離內(nèi)拍攝到至少7 個檢測元件且能拍到直徑約為0.1 mm 氣泡。綜合考慮選用面陣相機(jī)，型號：OPT-CM200-GM-04，分辨率1624 pixel ×1240 pixel，芯片類型CMOS幀曝光，快門曝光時間：26 μs ～1 s，像元尺寸4.8 μm×4.8 μm；經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)光源設(shè)置在水中時，圖像成像效果最佳，因此選用24 V防護(hù)等級IPX3的光源，放置在水槽底部，前后各1 個，可通過數(shù)字控制器調(diào)節(jié)亮度［10］。

3.2 檢測系統(tǒng)

本設(shè)備的視覺檢測系統(tǒng)是基于C＃軟件的控制界面設(shè)計(jì)［11］，流控元件氣密性視覺檢測系統(tǒng)主界面如圖4 所示。14個待檢元件及壓力表狀態(tài)在主界面實(shí)時顯示，當(dāng)系統(tǒng)檢測到有泄漏氣泡，檢測結(jié)果直接在主界面上輸出，對應(yīng)元件下的指示燈會變?yōu)榧t色，同時后臺會自動保存氣泡照片至氣泡特征庫［12］，工作人員單擊查看記錄可以查詢照片存檔，并標(biāo)記不良品泄漏位置方便后續(xù)返修。

圖4 檢流測控系元統(tǒng)件主氣界密面性視覺

3.3 圖像處理系統(tǒng)

流控元件氣密性視覺檢測設(shè)備的工作環(huán)境較復(fù)雜，水中自身所含氣體、被測件出水、入水過程夾帶的氣體都會形成氣泡，所以必須對圖像進(jìn)行預(yù)處理，以抑制圖像中的噪聲。高斯濾波是一種線性平滑濾波［13］，適用于消除高斯噪聲，廣泛應(yīng)用于圖像處理的減噪過程。通俗地講，高斯濾波就是對整幅圖像進(jìn)行加權(quán)平均的過程，每一個像素點(diǎn)的值，都由其本身和鄰域內(nèi)的其他像素值經(jīng)過加權(quán)平均后得到。圖像預(yù)處理后再通過兩幀差分法判別氣泡［14］，其原理如圖5 所示。如果水中沒有氣泡，則連續(xù)幀的變化很微弱，如果出現(xiàn)氣泡，則連續(xù)的幀和幀之間會有明顯的變化。由于水中的氣泡在運(yùn)動，氣泡在不同圖像幀中的位置不同。該類算法對時間上連續(xù)的兩幀圖像進(jìn)行差分運(yùn)算，不同幀對應(yīng)的像素點(diǎn)相減，判斷灰度差的絕對值，當(dāng)絕對值超過一定閾值時，即可判斷為運(yùn)動目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)氣泡的視覺檢測功能［15］。

圖5 兩幀差分法原理示意圖

相機(jī)及圖像預(yù)處理主要參數(shù)設(shè)置界面如圖6 所示。用戶可切換相機(jī)1 和相機(jī)2；可設(shè)置曝光時間；可根據(jù)被檢測元件的大小自定義檢測區(qū)域范圍即圖中矩形方框；可設(shè)置圖像預(yù)處理二值化類型、閾值等重要參數(shù)［10］。

圖6 相機(jī)及圖像預(yù)處理主要參數(shù)設(shè)置界面

4 測試驗(yàn)證與結(jié)果分析

利用上述設(shè)備在流控元件生產(chǎn)廠車間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，檢測過程捕捉到的部分流控元件泄漏產(chǎn)生的氣泡圖像如圖7 所示。可以看出，氣泡在形態(tài)上無規(guī)律有大有小、形狀各不相同，氣泡出現(xiàn)位置隨機(jī)無規(guī)律，最小直徑低于0.1 mm，這些都給檢測增加了難度。但也發(fā)現(xiàn)氣泡的一些規(guī)律，它在圖像中呈白色透明狀態(tài)，由下至上運(yùn)動，當(dāng)出現(xiàn)缺焊漏焊往往會出現(xiàn)比較大的泄漏，形成連續(xù)的氣泡，圖像會呈現(xiàn)出線狀或者塊狀，當(dāng)出現(xiàn)密封不嚴(yán)或者焊接夾渣，會產(chǎn)生微小泄漏，間隔數(shù)十秒產(chǎn)生一個氣泡，離散的氣泡呈現(xiàn)獨(dú)立的點(diǎn)狀。從采集的圖像上看，通過高斯濾波過濾后的圖像有效去除了噪聲的干擾，人眼很難觀察到的氣泡也能被捕捉到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本機(jī)器視覺檢測方法有效，機(jī)器視覺可以檢測出人眼忽略的氣泡，準(zhǔn)確性也得到了有效提升，另外14個元件同時檢測，效率上也有明顯的提升。事實(shí)證明，通過機(jī)器視覺代替?zhèn)鹘y(tǒng)人眼檢測的方法可行。目前該設(shè)備已在工業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行一段時間，機(jī)器還存在很多優(yōu)化的空間，氣泡本身存在很多不確定性，后續(xù)需要通過大量測試實(shí)驗(yàn)獲得更多的氣泡數(shù)據(jù)樣本，來提高算法的準(zhǔn)確性，同時也需考慮擴(kuò)展更多工位同時檢測，進(jìn)一步提高設(shè)備檢測效率。

圖7 流控元件泄漏產(chǎn)生的氣泡圖像

5 結(jié)束語

流控元件氣密性視覺檢測設(shè)備的研發(fā)基于傳統(tǒng)流控元件氣密性檢測方法，將被測元件置于水中，充入一定壓力的空氣介質(zhì)后觀察被測件周圍是否產(chǎn)生氣泡，以此作為是否泄漏的標(biāo)準(zhǔn)的測試思路。不僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上創(chuàng)新升級，兼容14 個元件同時檢測，還將傳統(tǒng)機(jī)械和機(jī)器視覺技術(shù)相融合，代替人眼檢測，解決了檢測結(jié)果受檢測人員主觀因素影響，同時還提高了檢測效率，檢測結(jié)果的可靠性也得到有效的保證［16］。該系統(tǒng)主要有以下幾個特點(diǎn)：（1）設(shè)備繼承傳統(tǒng)檢測方法，融入視覺檢測技術(shù)，操作界面簡潔，使用更貼近工人。（2）14 工位同時檢測的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了檢測效率。（3）運(yùn)用高斯濾波、邊緣檢測、二值化等圖像算法，大大降低了噪聲干擾，保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。（4）數(shù)據(jù)儲存功能可方便工作人員標(biāo)記出被測件的泄漏位置，便于返修。（5）傳統(tǒng)設(shè)備改造升級，提高企業(yè)自動化水平。