圖像檢測系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)中的應用

趙憲波

摘 要：針對目前某型號工件生產(chǎn)中蓋片裝配質量基本靠人工目視檢測，存在工人勞動強度大、效率低、自動化程度低、檢測結果受人為影響大等現(xiàn)狀，提出一種圖像檢測系統(tǒng)自動檢測及分選的方式。介紹該系統(tǒng)的基本結構、工作原理，并對其應用特點進行分析。應用結果證明，該設計可實現(xiàn)該型號工件蓋片裝配質量的自動化檢測及分選。

關鍵詞：圖像檢測系統(tǒng) 自動化 工件裝配質量

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由圖像檢測系統(tǒng)、多自由度分選機械手、物流系統(tǒng)、總控制系統(tǒng)等組成。其系統(tǒng)總體布置圖如圖1：

1.1圖像檢測系統(tǒng)

圖像檢測系統(tǒng)由光源、光學系統(tǒng)，相機、圖像處理單元、圖像分析處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等組成。其結構原理圖如圖2。

1.1.1光源

光源是影響圖像檢測系統(tǒng)輸入的重要因素，因為它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質量和至少30%的應用效果。

光源構成的照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結構光和頻閃光照明等[3]。

1.1.2光學系統(tǒng)

對于圖像檢測系統(tǒng)來說，圖像是唯一的信息來源，而圖像的質量是由光學系統(tǒng)的恰當選擇來決定。

光學系統(tǒng)的主要參數(shù)與圖像傳感器的光敏面的格式有關，一般包括：光圈（光圈根據(jù)光源亮度和相機曝光程度相應做出調整即可）、視場、芯片尺寸、焦距、F數(shù)等。

本系統(tǒng)中待測工件視野范圍為60×60mm，物距大約為200mm，CCD的尺寸為：4.8mm*3.6mm。

根據(jù)光學公式： （其中FOV表示視野，CCD表示CCD尺寸），現(xiàn)場情況物距設定為300mm，因此可得：，由光學公式=30.5mm。因此我們選F為25的鏡頭加5mm的接圈。

1.1.3相機

相機是實際上是一個光電轉換裝置，即將圖像傳感器所接收到的光學圖像，轉化為計算機所能處理的電信號。光電轉換器件是構成相機的核心器件。目前，典型的光電轉換器件為真空攝像管、CCD、CMOS圖像傳感器等。

1.1.4圖像采集/處理卡

圖像采集卡主要完成對模擬視頻信號的數(shù)字化過程。視頻信號首先經(jīng)低通濾波器濾波，轉換為在時間上連續(xù)的模擬信號；按照應用系統(tǒng)對圖像分辨率的要求，得用采樣/保持電路對邊疆的視頻信號在時間上進行間隔采樣，把視頻信號轉換為離散的模擬信號；然后再由A/D轉換器轉變?yōu)閿?shù)字信號輸出。而圖像采集/處理卡在具有模數(shù)轉換功能的同時，還具有對視頻圖像分析、處理功能，并同時可對相機進行有效的控制。

1.1.5圖像處理處理軟件

圖像檢測系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內容[4]。

1.2多自由度分選機械手

多自由度機械手由x向平移機構、y向平移機構、z向平移機構、真空吸盤、真空發(fā)生器等組成。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由人機交互界面+中央控制器+現(xiàn)場設備組成 ，其中人機界面采用西門子TP系列工業(yè)級防爆觸摸屏，中央處理器采用西門子S7300系列PLC，現(xiàn)場設備主要包含視覺系統(tǒng)，伺服電機，電磁閥及各種傳感器組成。如圖4所示。

2 工作原理

2.1整體工作流程

2.2整體工作過程

多發(fā)工件組合放置在整體模板上，完成前段上蓋片工序后，由物流系統(tǒng)傳送到圖像檢測系統(tǒng)檢測工序。圖像檢測系統(tǒng)對整體模板上的多發(fā)工件的蓋片信息進行采集、處理、特性提取、判斷。如有廢品，將廢品坐標信息傳遞給總控制系統(tǒng)。檢測完成的整體模板由物流系統(tǒng)傳輸?shù)蕉嘧杂啥确诌x機械手下方，總控制系統(tǒng)控制多自由度分選機械手，如有廢品，控制其動作將廢品從整體模板上取出，完成廢品分選。

3 應用特點分析：

本設備樣機已經(jīng)在某廠進行了一段時間的試生產(chǎn)運行，效果良好。與傳統(tǒng)的人工目測方式相比，具有自動化程度高、可靠性高、高效、大幅縮減在線操作員工等特點。

3.1 自動化程度高

原操作工人直接目測的生產(chǎn)方式中，操作工要完成工件取出，工件目測，根據(jù)目測結果將工件放入不同的收集箱等動作，勞動強度較大。而現(xiàn)在本系統(tǒng)中，工件的傳輸、檢測、結果分析、產(chǎn)品分類均由設備自動完成。對比而言，本系統(tǒng)大幅降低了生產(chǎn)線上操作工人的勞動強度。

3.2大幅提高檢測可靠性

圖像檢測系統(tǒng)可以長時間穩(wěn)定地執(zhí)行觀測、分析與識別任務，規(guī)避人工檢測中因疲勞、情緒等因素出現(xiàn)檢測不可靠的問題。

3.3提高檢測及分選效率，大幅縮減在線員工

圖像檢測系統(tǒng)采集圖像、識別圖像、分析圖像都在幾十毫秒內得到執(zhí)行，控制系統(tǒng)可迅速通知氣動伺服多自由度分選機械手執(zhí)行廢品分選動作。應用本系統(tǒng)后，在完成同樣產(chǎn)能的前提下，能較以往的生產(chǎn)模式可大幅縮減在線員工60%左右。

4 結束語

針對某型號工件蓋片裝配質量檢測落后的生產(chǎn)現(xiàn)狀，將圖像檢測技術應用于其中，在保證了產(chǎn)能的前提下，提高了檢測可靠性、生產(chǎn)效率，同時大幅度縮減了在線操作員工。

參考文獻：

[1] 張紀明. 基于PC的機器視覺系統(tǒng)研究[J].機器視覺， 2006（11）：1.

[2] 田菲，張文錦. 嵌入式機器視覺系統(tǒng)設計[J]. 儀器儀表用戶，2006（13）：1-2.

[3] 李福建，張元陪. 機器視覺系統(tǒng)組成研究[J].自動化博覽，2004（02）：2.

[4] 劉平平. 機器視覺系統(tǒng)中的圖像噪聲處理算法研究[D]. 華中科技大學，機械工程學院，2011：13-15.