基于IMAQ Vision 的零件尺寸視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)*

劉 超，許寶卉

(1.運(yùn)城學(xué)院機(jī)電工程系，山西 運(yùn)城044000；2.貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽(yáng)550009)

銜鐵小軸部件是電磁繼電器中磁路系統(tǒng)的重要組成部分之一，該零件是將小軸焊接到銜鐵中[1]。為提高產(chǎn)品的使用壽命和可靠性，裝配過(guò)程中需要對(duì)零件尺寸進(jìn)行嚴(yán)格管控[2]。 通常情況下，裝配人員采用卡尺對(duì)幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量或通過(guò)目測(cè)進(jìn)行垂直度參數(shù)的主觀判斷。 由于人工測(cè)量具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度低、一致性差等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足產(chǎn)品的精密制造。 機(jī)器視覺(jué)是利用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷，為上述問(wèn)題的解決提供了一種有效思路[3]。 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、軍事、航天等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、缺陷識(shí)別、幾何尺寸測(cè)量等方面應(yīng)用廣泛[4-5]。

LabVIEW 是一種基于G 語(yǔ)言的圖形化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因其具有開(kāi)發(fā)速度快、庫(kù)函數(shù)豐富等優(yōu)勢(shì)，在儀器儀表開(kāi)發(fā)、自動(dòng)控制、視覺(jué)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[6-7]。 IMAQ Vision 庫(kù)是LabVIEW 的視覺(jué)庫(kù)函數(shù)，具有豐富圖像處理函數(shù)，能夠快速開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足各種需求的視覺(jué)系統(tǒng)[8-9]。 文獻(xiàn)[10]為了檢測(cè)不同工件的質(zhì)量以及按照不同顏色進(jìn)行分揀，利用LabVIEW 開(kāi)發(fā)的識(shí)別系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)和分揀螺絲工件。 文獻(xiàn)[11]采用基于LabVIEW 的視覺(jué)系統(tǒng)有效地解決了繼電器零部件尺寸及缺陷檢測(cè)難題。 文獻(xiàn)[12]采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)繼電器觸點(diǎn)間隙、觸點(diǎn)鉚合質(zhì)量、觸簧系統(tǒng)進(jìn)行了非接觸式測(cè)量與檢驗(yàn)，并取得了良好效果。

針對(duì)零件質(zhì)量管控中測(cè)量精度要求高、人工測(cè)量精度低、一致性差等問(wèn)題，提出一種基于IMAQ Vision的零件尺寸參數(shù)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，以LabVIEW 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高且穩(wěn)定的視覺(jué)系統(tǒng)。 將該系統(tǒng)用于產(chǎn)品測(cè)量驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 零件結(jié)構(gòu)

銜鐵小軸部件是將小軸點(diǎn)焊固定在銜鐵凹槽中，其零件示意圖如圖1 所示。 零件幾何尺寸是磁路系統(tǒng)中重點(diǎn)關(guān)注與管控參數(shù)，尺寸超差將導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降，甚至影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 在圖1 中，小軸凹槽處到銜鐵邊緣的尺寸大約為0.2 mm，該尺寸記為A；小軸到銜鐵底部的尺寸大約為1.75 mm，該尺寸記為C；小軸中線與參考面D 的角度記為B。

圖1 零件示意圖

1.2 系統(tǒng)原理

為了解決零件生產(chǎn)過(guò)程中尺寸A 與C 由人工測(cè)量帶來(lái)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、精度不足、效率低，且參數(shù)B 不易人工測(cè)量的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于IMAQ Vision 的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)。 該系統(tǒng)主要由2 套視覺(jué)、圖像處理系統(tǒng)、動(dòng)作執(zhí)行結(jié)構(gòu)組成。 其中，視覺(jué)系統(tǒng)主要是利用工業(yè)CCD 相機(jī)與配套的鏡頭在適當(dāng)?shù)墓庠聪逻M(jìn)行零件正面、側(cè)面的圖像采集；圖像處理系統(tǒng)運(yùn)用IMAQ Vision 函數(shù)庫(kù)中的視覺(jué)函數(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像幾何參數(shù)的非接觸式測(cè)量；動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)圖像處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息在PLC 控制器作用下實(shí)現(xiàn)2 套視覺(jué)系統(tǒng)的拍照、合格與不合格產(chǎn)品的篩選以及產(chǎn)品自動(dòng)上料等動(dòng)作。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)如圖2 所示，包括視覺(jué)系統(tǒng)、圖像處理、動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)。 視覺(jué)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)圖像采集的重要環(huán)節(jié)之一，主要由工業(yè)攝像機(jī)、鏡頭、光源組成。

圖2 視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)

利用機(jī)器視覺(jué)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量，要明確檢測(cè)目標(biāo)、檢測(cè)任務(wù)、檢測(cè)速度和檢測(cè)精度。 產(chǎn)品尺寸長(zhǎng)×寬為20 mm×9 mm，對(duì)于產(chǎn)品凸臺(tái)A 尺寸檢查精度要求達(dá)到0.01 mm，選取靶面尺寸為2/3 英寸500 萬(wàn)像素面陣相機(jī)，相機(jī)為黑白制式，通過(guò)千兆以太網(wǎng)口傳送圖像。 根據(jù)需求，選擇適配相機(jī)的computar 遠(yuǎn)心鏡頭，放大倍率為1.0、畸變小于0.1%、景深0.9 mm。 該鏡頭具有工業(yè)級(jí)低畸變成像、景深大、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)。 由于幾何參數(shù)測(cè)量精度要求高，產(chǎn)品本身體積小、反光能力強(qiáng)的特征，選擇50 mm×50 mm 的平行背景光作為光源，該光源亮度高、LED 光線平行均勻，可采集到高質(zhì)量的產(chǎn)品圖像，利于后續(xù)圖像處理工作。

2 算法實(shí)現(xiàn)

2.1 ROI 定位算法

本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)基于LabVIEW 與IMAQ Vision繼電器幾何參數(shù)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)采用SMC 氣動(dòng)夾爪夾取產(chǎn)品，并移動(dòng)到拍照位置進(jìn)行拍照并進(jìn)行下一步圖像處理。 實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于產(chǎn)品擺放的載臺(tái)與產(chǎn)品之間存在一定間隙或者產(chǎn)品自身尺寸參數(shù)不完全一致，導(dǎo)致氣動(dòng)夾爪夾取產(chǎn)品的位置不同。 IMAQ Vision 視覺(jué)庫(kù)中輪廓提取、找直邊等函數(shù)是在感興趣區(qū)域(Region Of Interest，ROI)中進(jìn)行圖像處理，圖像中ROI 位置偏差或錯(cuò)誤往往導(dǎo)致IMAQ Vision 函數(shù)圖像處理失效，也即是采用固定的ROI 區(qū)域很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品幾何參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量。

基于此，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一個(gè)ROI 定位模塊。 圖3 所示為被測(cè)產(chǎn)品圖像，圖3(a)為被測(cè)產(chǎn)品原始圖像，圖3(b)為圖3(a)中虛線框中小軸部分的局部放大圖。在圖3(b)中需要計(jì)算邊緣輪廓線6 與線7 的尺寸(即A 尺寸)，以及中線8 與線7 的角度(即B 尺寸)。

圖3 產(chǎn)品圖像

圖4 ROI 自動(dòng)定位算法

穩(wěn)定性和抗干擾能力是視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注能力。 由于上料夾爪夾持位置不固定、零件尺寸不完全一致、小軸點(diǎn)焊傾斜等因素，固定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行特征邊提取的方法顯然不適合。 基于此，設(shè)計(jì)圖4 所示的ROI 定位算法。 如圖所示，首先在視覺(jué)助手中設(shè)計(jì)計(jì)算圖3(b)所示小軸最左側(cè)的上、下參考點(diǎn)的算法。 根據(jù)零件設(shè)計(jì)尺寸要求，設(shè)計(jì)邊緣輪廓提取函數(shù)的矩形ROI。 以小軸上矩形ROI 設(shè)計(jì)為例:該ROI 的起點(diǎn)為距離上參考點(diǎn)140 像素單位處為起點(diǎn)、ROI 寬度設(shè)置為80 個(gè)像素單位、高度為上下參考點(diǎn)Y 軸坐標(biāo)的均值向上10 個(gè)像素單位。 設(shè)上、下參考點(diǎn)像素坐標(biāo)為(PU，x，PU，y)、(PD，x，PD，y)，則該矩形ROI 參數(shù)(Left，Top，Right，Bottom)計(jì)算如下:

在式(1)計(jì)算結(jié)果中輔以ROI 調(diào)節(jié)參數(shù)，即得到該ROI 區(qū)域的參數(shù)計(jì)算結(jié)果。 其他區(qū)域ROI 參數(shù)計(jì)算過(guò)程同上，ROI 自動(dòng)定位結(jié)果如圖5 所示，其中左側(cè)上、下正方形填充框?yàn)閰⒖键c(diǎn)，中間及右側(cè)虛線矩形框?yàn)樽詣?dòng)計(jì)算的ROI。 在ROI 區(qū)域內(nèi)對(duì)邊緣輪廓1、2、3、4、5 進(jìn)行準(zhǔn)確提取，并最終計(jì)算出輪廓線6、7、8。 ROI 定位算法能有效保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖5 ROI 定位結(jié)果

2.2 二值化

二值化是圖像分割的一種方法，為增強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力，將灰度圖像經(jīng)過(guò)二值化處理進(jìn)而得到二值圖像，以過(guò)濾掉背景圖像和噪聲的干擾[13]。 在二值化圖象的時(shí)候把大于某個(gè)臨界灰度值的像素灰度設(shè)為灰度極大值，把小于這個(gè)值的像素灰度設(shè)為灰度極小值，從而實(shí)現(xiàn)二值化。 本系統(tǒng)采用背景平行LED 燈作為光源，工件和背景分界較明顯、對(duì)比度較大，因此采用固定的二值化閾值進(jìn)行特征提取。 將灰度值大于P0的像素的灰度值置為1，反之則置為0。二值化后的部分截圖如圖6 所示。

圖6 二值化圖像

2.2 形態(tài)學(xué)與輪廓提取算法

經(jīng)過(guò)二值化處理后，可以準(zhǔn)確分離出工件信息。被測(cè)工件的凸臺(tái)幾何尺寸為0.2 mm，尺寸較小、且精度要求為±0.01 mm/pix，由于自動(dòng)測(cè)量過(guò)程中，工件待測(cè)位置往往存在大小不等的粉塵、雜物干擾，造成后續(xù)輪廓提取中提取的輪廓不準(zhǔn)確，進(jìn)一步影響測(cè)量精度。 為提升系統(tǒng)測(cè)量精度與穩(wěn)定性，采取IMAQ Vision 中形態(tài)學(xué)方法去除圖像中的干擾[14]。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法是基于集合的運(yùn)算，其核心思想是采用特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)與原圖像各個(gè)區(qū)域進(jìn)行交集或并集運(yùn)算，達(dá)到去除圖像干擾、凸顯圖像特征的目的。 腐蝕、膨脹、開(kāi)與閉操作是常用的形態(tài)學(xué)方法[14]。 假設(shè)輸入圖像為A，結(jié)構(gòu)元素為B，則圖像A被B 腐蝕描述如下:

式中:Bx＝{x+b ｜b∈B}是集合B 的平移；ˉB ＝{x ｜x ＝-b，b∈B}是集合B 的映像。 腐蝕運(yùn)算可以消除小于結(jié)構(gòu)元素B 的瑕疵毛刺、收縮目標(biāo)粒子、切斷粒子間細(xì)弱的連通；膨脹作用與腐蝕作用相反，主要是使粒子向外擴(kuò)展以填充結(jié)構(gòu)小于結(jié)構(gòu)元素的孔洞、填充圖像凹陷、連通多個(gè)較近的粒子[14]。

形態(tài)學(xué)開(kāi)、閉操作是在腐蝕與膨脹基礎(chǔ)上復(fù)合而成。 A 被B 開(kāi)運(yùn)算描述如下:

式中:開(kāi)運(yùn)算是先腐蝕后膨脹的運(yùn)算，可消除細(xì)小毛刺、孤立點(diǎn)等干擾信息、切斷粒子間細(xì)小連通，使目標(biāo)更加平滑；閉操作與開(kāi)運(yùn)算相反，可以平滑輪廓細(xì)小部分使多個(gè)較近的粒子連通、彌合較窄的間斷或細(xì)長(zhǎng)溝壑、填充細(xì)小孔洞[14]。

為消除原圖中灰塵、雜物等造成圖像中細(xì)小毛刺、堆積異物的干擾影響，采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)開(kāi)運(yùn)算。與被測(cè)目標(biāo)連接的毛刺、毛發(fā)連通異物將被分割成大小不一的斑點(diǎn)噪聲，采用IMAQ Vision 中刪除小目標(biāo)Remove Small Objects 函數(shù)將去除干擾。 在此基礎(chǔ)上，采用IMAQ Vision 中Find Straight Edge 函數(shù)確定工件被測(cè)輪廓直線。

由于形態(tài)學(xué)去噪并不能夠完全去除所有噪聲干擾，自動(dòng)測(cè)量過(guò)程中，小軸凸臺(tái)上、下側(cè)面輪廓線上存在凸起異物，為了進(jìn)一步提升算法的精度與穩(wěn)定性，將工件輪廓分別沿著X 軸線向上或向下平移形成三條輪廓線，三條輪廓線與小軸凸臺(tái)上、下側(cè)面相交而得到6 個(gè)特征交點(diǎn)，6 個(gè)交點(diǎn)到輪廓邊緣的距離的均值則為測(cè)量的凸臺(tái)距離。 形態(tài)學(xué)與輪廓提取算法圖像處理結(jié)果如圖7 所示。

圖7 圖像處理結(jié)果

凸臺(tái)尺寸與垂直度幾何參數(shù)計(jì)算程序如圖8 所示。 水平上輪廓線和水平下輪廓線均是包括3 條直線的數(shù)組，通過(guò)IMAQ 算法求其對(duì)應(yīng)于側(cè)上輪廓線和側(cè)下輪廓線相交點(diǎn)，即得到上、下各3 個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)。 在For 循環(huán)中，通過(guò)IMAQ Perpendicular Line 函數(shù)計(jì)算3 個(gè)交點(diǎn)到銜鐵側(cè)輪廓線的距離，通過(guò)均值函數(shù)即求得這些距離的均值(像素尺寸)，通過(guò)相機(jī)標(biāo)定，即將像素距離乘以預(yù)先標(biāo)定好的凸臺(tái)尺寸系數(shù)就測(cè)量出凸臺(tái)A 尺寸。 通過(guò)求水平上輪廓線和水平下輪廓線的均值獲得水平中線，通過(guò)IMAQ Get Angles 函數(shù)計(jì)算水平中線與銜鐵側(cè)輪廓線的角度，即計(jì)算出小軸與銜鐵的垂直度參數(shù)B。

圖8 幾何參數(shù)計(jì)算算法

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)界面如圖9 所示:左側(cè)上下圖像顯示控件分別為正面相機(jī)拍攝圖像及處理結(jié)果顯示、側(cè)面相機(jī)拍攝圖像及處理結(jié)果顯示；右側(cè)上方為PLC、ZMCam、CMCam 是否連接成功指示以及產(chǎn)品是否合格指示，其中綠色指示表示設(shè)備連接成功或產(chǎn)品OK，紅色指示表示對(duì)應(yīng)設(shè)備連接失敗或產(chǎn)品NG；右側(cè)中間為測(cè)量歷史數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)追蹤查看；右下角設(shè)計(jì)消息提示框，提示異常情況、產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果、設(shè)備連接異常等信息方便系統(tǒng)維護(hù)。

圖9 人機(jī)交互界面

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，采用50 個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如圖9 所示，50 個(gè)產(chǎn)品中檢測(cè)出1個(gè)不合格品，產(chǎn)品合格率達(dá)到98%，系統(tǒng)凸臺(tái)尺寸和角度視覺(jué)測(cè)量耗時(shí)約190 ms，側(cè)面尺寸視覺(jué)測(cè)量耗時(shí)約130 ms，單個(gè)產(chǎn)品視覺(jué)測(cè)量耗時(shí)約320 ms，與人工手動(dòng)測(cè)量相比，效率大幅提升，此外，整個(gè)系統(tǒng)界面簡(jiǎn)介、操作簡(jiǎn)單。

為進(jìn)一步驗(yàn)證視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性，采用5 個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行，每個(gè)產(chǎn)品重復(fù)測(cè)量10 次，記錄測(cè)量結(jié)果如表1 所示。 表1 中給出了10 次測(cè)量值的極差、均值、真值及絕對(duì)誤差。 從表1 可以看出，A尺寸極差最大值為0.001 9 mm，極差最小值為0.006 mm，A 尺寸測(cè)量值最大離散范圍較小、系統(tǒng)穩(wěn)定；由于產(chǎn)品特征邊存在倒角導(dǎo)致B、C 測(cè)量值波動(dòng)相對(duì)A尺寸大，其中B 尺寸極差最大值為0.061°，C 尺寸極差最大值為0.052 mm。 A、B、C 3 個(gè)尺寸參數(shù)絕對(duì)誤差最大值分別為0.004 1 mm、0.099°、0.004 7 mm，其尺寸精度達(dá)到0.005 mm，角度精度達(dá)到0.1°，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度需求，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

表1 測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)銜鐵小軸凸臺(tái)尺寸測(cè)量精度要求高以及小軸與銜鐵垂直度難以高效快速測(cè)量的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于IMAQ Vision 繼電器幾何參數(shù)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，采用高分辨率工業(yè)相機(jī)和光學(xué)鏡頭實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品外觀圖像采集，通過(guò)IMAQ Vision 視覺(jué)函數(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品A、B、C 3 個(gè)幾何參數(shù)的全自動(dòng)視覺(jué)測(cè)量。將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用于真實(shí)產(chǎn)品測(cè)量驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、測(cè)量效率高、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、尺寸測(cè)量精度達(dá)到0.005 mm、易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品100%自動(dòng)測(cè)量，滿(mǎn)足大批量測(cè)量需求。