一、前言

連桿大小頭結(jié)合面的破口缺損（俗稱“爆口”）是在制造過程中形成的。對(duì)爆口的探測(cè)是批量生產(chǎn)方式下對(duì)工件表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)的一個(gè)典型例子丰刊。但在批量生產(chǎn)的汽車、摩托車黔酥、內(nèi)燃機(jī)等行業(yè)藻三，所采用的人工目測(cè)方法不但效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大跪者，且對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的定量評(píng)定要求無(wú)法準(zhǔn)確執(zhí)行棵帽，從而影響對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的有效監(jiān)控。為此渣玲，上海大眾汽車有限公司與賽爾德自動(dòng)化（上海）有限公司合作逗概，研制了一臺(tái)專用設(shè)備，即“機(jī)器視覺”忘衍，又稱“圖像檢測(cè)”逾苫。

關(guān)于對(duì)缺陷的評(píng)定要求，以連桿結(jié)合面爆口為例枚钓，其標(biāo)準(zhǔn)要求破口面積小于3mm+2馅块；破口任一方向的線性長(zhǎng)度小于2.5mm。只要符合上述一個(gè)條件喳卫，就將判定不合格而被剔除吨争。

不難看出，采用常規(guī)測(cè)量方法很難完成上述要求硫红，而“機(jī)器視覺”則能較好地予以解決绊蚯。隨著圖像檢測(cè)技術(shù)的日趨成熟，研制成本不斷降低，其優(yōu)越性將進(jìn)一步顯現(xiàn)箭堆。

二几研、圖像檢測(cè)技術(shù)用于破口缺損測(cè)量的基本原理

“機(jī)器視覺”又稱圖像檢測(cè)署咸，乃是將被測(cè)對(duì)象的圖像作為信息的載體馋劈，從中提取有用的信息來(lái)達(dá)到測(cè)量的目的。它具有非接觸狱揩、高速度牍猫、測(cè)量范圍大骇另、獲得的信息豐富等優(yōu)點(diǎn)。通過CCD（Charge Coupled Device）攝像頭與光學(xué)系統(tǒng)随静、處理系統(tǒng)的組合八千，可實(shí)現(xiàn)不同的檢測(cè)要求。對(duì)于上．述工件表面缺陷的識(shí)別燎猛，需采取圖1所示的反射方式恋捆。

如圖所示，本系統(tǒng)通過一個(gè)方形LED漫反射光源照亮待檢測(cè)的破口區(qū)域重绷，光線照射到對(duì)象表面后沸停，反射到攝像機(jī)內(nèi)的光電耦合CCD元件上轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電量信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)電量：信號(hào)對(duì)得到的圖像進(jìn)行分析和計(jì)算昭卓，最終得到所需的數(shù)據(jù)愤钾。

CCD元件可理解為一個(gè)由感光像素組成的點(diǎn)陣。因此CCD的每一個(gè)像素都一一對(duì)應(yīng)了對(duì)象的二維圖像特征候醒，即通過對(duì)像素點(diǎn)成像結(jié)果的分析可以間接分析對(duì)象的圖像特征能颁。比如通過對(duì)二值化圖像中的成像像素個(gè)數(shù)的計(jì)算，可以得到相應(yīng)的對(duì)象的長(zhǎng)度值和面積值倒淫。

系統(tǒng)將得到的圖像進(jìn)行二值化處理后伙菊，把二值圖像作為對(duì)象進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算分析。本系統(tǒng)在實(shí)際使用中祭静，對(duì)于灰度的值化閾值和光源的設(shè)定采用比對(duì)的方法實(shí)現(xiàn)纷沽。

比對(duì)的具體方法：用已知的樣件作為標(biāo)定的參照物。把已知的參照物測(cè)量：值除以參照物對(duì)應(yīng)的像素值姻粱，即可得到像素與實(shí)際值之間的對(duì)應(yīng)比例值讹唧。通過調(diào)整光源亮度以及系統(tǒng)的二值化閾值，對(duì)灰度的二值化閾值進(jìn)行優(yōu)化研镀，保證系統(tǒng)對(duì)對(duì)象邊界具有相對(duì)較高的分辨率剃坦，即優(yōu)化后的二值化閾值和光源可以使邊界的變化產(chǎn)生盡量大的像素值變化。

作為一種新穎而又實(shí)用的傳感技術(shù)拱缆，圖像檢測(cè)單元近年已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，一些知名的廠商，如日本的松下公司谢奕、德國(guó)的西門子公司等都推出了品種規(guī)格齊全的系列化產(chǎn)品砖军，包括光源、攝像頭遍送、處理器等蒋令，這對(duì)圖像檢測(cè)技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了很有利的條件。與此同時(shí)裹刮，所頒布的相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)音榜，不但規(guī)范了生產(chǎn)，而且捧弃、為用戶在不同情形下選用合適的檢測(cè)單元,及更快赠叼、更好地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特征（工件违霞、被測(cè)部位）嘴办，參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將能方便地選取合適的圖像檢測(cè)單元买鸽。以連桿結(jié)合面爆口為例涧郊，破口缺損面積不可能大于15X15mm+2,故從相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中取“視野”為20X21.4mm+2這一檔較合適。而相對(duì)每一檔的視野和景深眼五，用戶又可選擇不同焦距的攝像頭妆艘，如8、16看幼、2.5和50等多種型號(hào)批旺，每一種焦距又對(duì)應(yīng)著表征透鏡至被測(cè)表面距離al和表征透鏡至CCD感光面距離bα等兩項(xiàng)參數(shù)。根據(jù)上虫棚、述情形辽画，選焦距f=25mm的攝像頭，此時(shí)以上兩項(xiàng)參數(shù)分別為137mm和9mm黔琢。本例采用的是松下公司的小型圖像檢測(cè)單元阀恳，其中的核心部件CCD感光片的像素為512X480，在視野確定的情形下寻癌，據(jù)此就能求出所選檢測(cè)單元的測(cè)量分辨率：

X向分辨率為21．4/512=0．0417mm

Y向分辨率為20．0/480=0．0417mm

面積分辨率為0．0417X0．0417=0．00174mmz

圖1所示的反射型圖像測(cè)量薇榨，光源有組合在攝像頭之中和分體布置等兩種形式，而光源自身又有熒光燈绪封、鹵素?zé)粑旱摺⒓す夂?/span>LED光源等多種。根據(jù)本例的具體情況历扭，采用了分體布置的LED光源方案软苗，這種型式易于調(diào)整膨吼。

三、專用檢測(cè)設(shè)備的組成和運(yùn)行過程

1．系統(tǒng)的組成

連桿結(jié)合面上的爆口分布范圍呈“八”字形心爷，這表明為完成一次檢查现恼，需通過三個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量。而另一方面黍檩，工藝叉袍、生產(chǎn)部門又要求實(shí)行全數(shù)檢驗(yàn)。因此刽酱，決定采用半自動(dòng)方案喳逛，以適應(yīng)較快的工作節(jié)奏，除工件裝卸為人工外棵里，整個(gè)測(cè)量過程均為自動(dòng)润文。

從圖2a可見，測(cè)量系統(tǒng)主要由攝像頭衍慎、LED光源转唉、圖像處理單元、可編程控制器(PLC）稳捆、顯示器和機(jī)械部分等組成赠法，其職能分別為：

攝像頭：用于取像；

LED光源：提供穩(wěn)定的乔夯、長(zhǎng)效的光源猴宾，保證取像質(zhì)量。

可編程控制器（PLC）：對(duì)側(cè)量系統(tǒng)的功能執(zhí)行予以控制醇疮。

圖像處理單元：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理漆埋、分析，并提供信號(hào)輸出巴移。

顯示器：顯示取像情況和數(shù)據(jù)分析結(jié)果您窒。

機(jī)械部分：支承和實(shí)施測(cè)量：過程中的動(dòng)作。

2．系統(tǒng)的運(yùn)行過程和特點(diǎn)

檢測(cè)裝置為一臺(tái)式儀器瞭驴，結(jié)構(gòu)很緊湊翻萨。圖2b為其工作示意圖。

圖2a中的攝像頭固定在一個(gè)擺臂的端部退钱，其另一端通過樞軸支承在支架上俄蔗。而安裝在機(jī)架一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)借助同步帶和樞軸上的同步輪可帶動(dòng)擺臂回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍為士15°欠诊。二個(gè)布置在機(jī)架兩側(cè)的接近傳感器用于輔助定位蛀漆，另外一對(duì)光電傳感器安放在工件的人口處兩側(cè)，用于確保實(shí)施測(cè)量．前工件在夾具上的準(zhǔn)確定位臣疑，并接通光源盔憨。

連桿結(jié)合面破口缺損的測(cè)量過程簡(jiǎn)述如下：攝像頭徙菠、即擺臂的原始狀態(tài)在偏右的位．置，即圖2a中的A郁岩。在擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下懒豹，攝像頭順序從右、中驯用、左三個(gè)夾角互為15°的位置，即A一B一C分別采樣儒老。同時(shí)蝴乔，圖2b框圖中的圖像處理單元通過RS232,接口，把攝像頭在每個(gè)位置連續(xù)三次采樣的數(shù)值結(jié)果驮樊，傳輸?shù)娇删幊炭刂破?/span>PLC進(jìn)行比較薇正。如果上述三連續(xù)三次的測(cè)得的結(jié)果都相同，則這個(gè)數(shù)值被確認(rèn)為可靠值囚衔，隨后就存入PLC的堆棧挖腰，用于最終對(duì)三個(gè)方位檢測(cè)結(jié)查比較，并找出其中的最大值练湿。如果攝像頭在每個(gè)位置連續(xù)三次的檢測(cè)結(jié)果不相同场时，則需要再執(zhí)行一回連續(xù)三次的采樣，并做結(jié)果比較谴疾。若反復(fù)五個(gè)循環(huán)（15次采樣）都無(wú)法得到可靠值强进，則整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位，擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶著裝攝像頭回到右邊的初始位置昭怕。與此同時(shí)袱族，裝置發(fā)生“系統(tǒng)故障”的信號(hào)。作為一個(gè)種表面缺陷測(cè)量裙都，上述檢測(cè)系統(tǒng)具有圖像的直觀顯示和測(cè)量結(jié)果的分析判斷相結(jié)合的特點(diǎn)渔舵。對(duì)于破口缺損的面積檢測(cè)，通過圖像處理中的優(yōu)化算法將破口影像獨(dú)立出來(lái)咽皮，其中破口缺損部分的影像二值化為黑色劈遂，其他部分的影像為白色。然后妨迈，通過對(duì)黑色像素點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算和單位轉(zhuǎn)換度姑，就能得到破口缺損部分的面積大小，進(jìn)而作出合格與否的判斷呈枉。至于對(duì)破口最大線性長(zhǎng)度的檢測(cè)趁尼，乃是利用“邊界掃描法”通過沿X方向和Y方向的掃描，找到破口的邊界猖辫，然后根據(jù)對(duì)兩組平行線所圍成的矩形酥泞、即包絡(luò)破口邊界的那個(gè)矩形的對(duì)角線的計(jì)算砚殿、來(lái)確定破口缺損部分的最大線性長(zhǎng)度。每完成一次檢測(cè)芝囤，在顯示器上將出現(xiàn)的測(cè)量結(jié)果包括面積CA01似炎、X方向長(zhǎng)度CA02、Y方向的長(zhǎng)度CA03和最大線性長(zhǎng)度CA04等4項(xiàng)悯姊。然后羡藐，根據(jù)事得天獨(dú)厚設(shè)定的設(shè)定的評(píng)定指標(biāo)，對(duì)結(jié)合面破口缺損的狀態(tài)作出判斷悯许。為方便操作人員在批量生產(chǎn)條件下的使用仆嗦，機(jī)體正面的上部有綠色（合格）指示燈或紅色（不合格）指示燈，以更簡(jiǎn)捷的方式表明被檢工件的狀態(tài)先壕。

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