基于分形理論的高效機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)

國際金屬加工網(wǎng)

前言
　　現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對工業(yè)制件、材料等產(chǎn)品的表面質(zhì)量提出了越來越高的要求，同時對制件表面的檢測锤岸、識別和評定也提出了更高的要求, 對表面加工微觀特性的評定從定性綜合評定階段轉(zhuǎn)向了定量、標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)評定階段切黔。然而這些參數(shù)的測量與評定的難度大砸脊，生產(chǎn)過程中的相關(guān)檢測過程增加了生產(chǎn)成本。
　　以生產(chǎn)質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層核心材料TLG-23的生產(chǎn)線為例纬霞，該材料的生產(chǎn)加工要經(jīng)過初加工凌埂、成型、碳化诗芜、催化和PTFE處理五種工序瞳抓，每一種加工過程的優(yōu)劣都直接影響著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程是每個工序加工完一定量之后伏恐，對該材料進(jìn)行取樣然后送到檢測試驗室進(jìn)行測定孩哑，在測定的過程中試驗環(huán)境的微小改變都會對試驗測定結(jié)果造成嚴(yán)重的影響，這樣的生產(chǎn)方式嚴(yán)重的影響了生產(chǎn)效率翠桦，產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場需求横蜒。
　　因此尋求一種表面微觀特性檢測的高效的解決方案成為了當(dāng)前迫切需要解決的問題。針對上述存在的一系列問題争萎，我們利用NI公司的虛擬儀器技術(shù)候铸，設(shè)計了一個對生產(chǎn)材料表面進(jìn)行分形特性分析的視覺檢測系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了產(chǎn)品的在線檢測谍售。
系統(tǒng)硬件平臺的構(gòu)成
　　NI的虛擬儀器技術(shù)使用成熟的計算機(jī)技術(shù)和模塊化的高性能硬件為我們系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的支持眨额。PXI系統(tǒng)能提供最佳的性能，Compact Vision System（CVS）系統(tǒng)是NI公司PAC（可編程自動控制器）系列產(chǎn)品中專門用于視覺采集檢測的產(chǎn)品学掉，提供了最為堅固的硬件結(jié)構(gòu)笋再。整個檢測系統(tǒng)是一個利用NI CVS和PXI產(chǎn)品建立起來的高性能集成化實時系統(tǒng)，其中PXI系統(tǒng)由嵌入式實時PXI控制器PXI- 8146 RT和PXI機(jī)箱等模塊組成召期，在本系統(tǒng)中承擔(dān)著控制中心的重要作用畅镐；實時緊湊視覺系統(tǒng)使用了CVS-1450，在本系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)前端工業(yè)現(xiàn)場的圖像采集和測量系統(tǒng)地初步處理的任務(wù)编漆。分布在多個生產(chǎn)流程的CVS系統(tǒng)通過1394攝像頭采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行前端處理践桂，之后通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給PXI控制中心。（如圖1所示）

圖1基于分形理論的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)軟件平臺的實現(xiàn)
　　本檢測系統(tǒng)的軟件主要使用了NI公司的可視化圖形編程軟件LabVIEW7.1完成跌蛔，其友好的界面级汹、方便快捷的編程方式和功能豐富強(qiáng)大的函數(shù)庫為這一復(fù)雜的視覺檢測系統(tǒng)的開發(fā)提供了支持。檢測軟件在控制中心端運(yùn)行盒卸，利用PXI的強(qiáng)大性能骗爆，完成對圖像的分型分析次氨，得到相應(yīng)檢測參數(shù)結(jié)果，提供用戶監(jiān)控和操作界面摘投。
　　整個檢測系統(tǒng)的靈魂在于其軟件算法使用了當(dāng)前備受關(guān)注的分形理論煮寡。目前分形理論成功的應(yīng)用于描述工程表面呈現(xiàn)出的隨機(jī)性、無序性犀呼、自相似性幸撕、自仿射性和多尺度性等。由此使得工業(yè)加工和生產(chǎn)表面微觀特性的識別與評定應(yīng)用到了工程實際外臂。在系統(tǒng)的構(gòu)建過程中采用Weierstrass-Mandelbrot分形函數(shù)（如公式1所示）坐儿，通過功率譜識別表面形貌

　　最終構(gòu)建起來的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)通過計算加工制件表面分形維數(shù)等特征參數(shù)結(jié)合結(jié)構(gòu)函數(shù)來分析表面形貌的變化過程。系統(tǒng)的核心算法用到了基于分?jǐn)?shù)布朗增量場模型宋光，并通過多重分形譜來對表面進(jìn)行深度分析貌矿。軟件中的核心算法分形特性參數(shù)的計算已經(jīng)是通過Visual C++ 6.0編寫好的，而LabVIEW是一個開放性的軟件平臺罪佳，它提供了各種工具來實現(xiàn)和外部代碼或程序的交互逛漫，因此可以很方便的將現(xiàn)有的分形特性參數(shù)計算算法的動態(tài)鏈接庫文件裝載到 LabVIEW中。
系統(tǒng)性能測試與驗證
　　我們將整個系統(tǒng)投放到了質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層核心材料的TLG-23生產(chǎn)線上锉择，使用LabVIEW開發(fā)的檢測控制軟件是在PXI平臺上運(yùn)行的普毙，圖2顯示的是2005年6月29日的一次實時測試的界面。

　　圖2 基于分形理論的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)在TLG-23生產(chǎn)線上的測試界面
在生產(chǎn)線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上還有其它自動化生產(chǎn)設(shè)備聂闺，CVS和PXI構(gòu)成的檢測系統(tǒng)可以和它們無縫連接捍骇，在整個的測試過程中可以保證實現(xiàn)實時在線檢測，這樣不僅省去了以前耗時復(fù)雜的檢測過程咨捕，大大的提高了生產(chǎn)效率,目前TLG-23的產(chǎn)量由以前的單生產(chǎn)線100張/天提高到了835張/天闰收。同時檢測的準(zhǔn)確率也大大提高，圖3是近期的生產(chǎn)測試報告础川，從檢測的結(jié)果分析其完全符合實際生產(chǎn)需要淀税，達(dá)到了設(shè)計要求。

系統(tǒng)優(yōu)勢
1.滿足工業(yè)環(huán)境的需要
　　雖然現(xiàn)有的攝像機(jī)能完成大部分的圖像采集工作韵绿，但是采用這些傳統(tǒng)圖像采集構(gòu)建的視覺檢測系統(tǒng)一旦工作在較為苛刻的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場時（如高溫狂篇、電磁干擾嚴(yán)重等工況下），就會出現(xiàn)檢測錯誤赁栈，甚至不能工作的情況岗屏。在我們的TLG-23生產(chǎn)線上有大量的工序是在高溫、高壓等苛刻工況下進(jìn)行的漱办，在測試系統(tǒng)設(shè)計的初期階段这刷，曾經(jīng)試用傳統(tǒng)攝像機(jī)采集，但在TLG-23生產(chǎn)線進(jìn)行測試時，由于在生產(chǎn)流程中的碳化過程是在極其苛刻的生產(chǎn)溫度下進(jìn)行的暇屋，導(dǎo)致該工作現(xiàn)場的視覺系統(tǒng)完全不能正常的工作似袁。而在分形理論中，必須最大限度的保證現(xiàn)場視覺采集系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度咐刨，才能大大提高該機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確性昙衅。后來采用得NI的CVS 1450系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)是專門針對工業(yè)應(yīng)用惡劣的溫度定鸟、電磁干擾绒尊、噪聲、震動等環(huán)境設(shè)計的仔粥，能夠在極端溫度下正常工作，系統(tǒng)在整個碳化過程中采集到的圖像都沒有因為現(xiàn)場的高溫發(fā)生圖像變形蟹但、模糊等現(xiàn)象及苍。
2．強(qiáng)大的擴(kuò)展性與二次開發(fā)能力
　　由于采用了NI的虛擬儀器技術(shù)，使得本系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的靈活性蓉厕、集成性和堅固性勾疏，能夠和現(xiàn)今絕大多數(shù)的自動化設(shè)備進(jìn)行通信，可以在不淘汰現(xiàn)有生產(chǎn)控制設(shè)備的情況下引入這一先進(jìn)的視覺系統(tǒng)杉漓。
　　在硬件方面蛉渡，可以在不改變我們現(xiàn)有生產(chǎn)線上的自動化控制設(shè)備的情況下，只需在軟件的設(shè)置中選用不同的配置和選項沐喘，將原來的自動化控制設(shè)備接入我們的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中旧毯，達(dá)到協(xié)同工作，在一定的程度上節(jié)約了我們的生產(chǎn)成本抢却，同時擴(kuò)展了我們系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域战钾。
　　如果是對于一個全新的生產(chǎn)線，我們則可以選用NI的FieldPoint分布式I/O來替代PLC等設(shè)備在贸，這些FieldPoint分布式 I/O不僅結(jié)合了PLC的可靠性和PC的功能辖嫁，而且能在最為惡劣的工作條件下提供精確的測量和控制。同時這些FieldPoint分布式I/O還可以和 Compact Vision系統(tǒng)和PXI控制中心的通信上保持一致绑莺，通過友好的LabView軟件設(shè)計的用戶面板達(dá)到共同監(jiān)測測量數(shù)據(jù)暖眼。
　　而在軟件方面，系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)函數(shù)來區(qū)分不同的材質(zhì)表面纺裁。在系統(tǒng)運(yùn)行前可以對系統(tǒng)進(jìn)行配置诫肠，選擇加工方式（如拋光、研磨欺缘、精車区赵、電鍍等），更具靈活性，可以使檢測系統(tǒng)應(yīng)用在更多的工業(yè)材料生產(chǎn)現(xiàn)場笼才，其操作界面友好漱受、維護(hù)方便、易于升級骡送。由于該系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用范圍昂羡，目前還在另一種材料WHQ- TJ-4G的生產(chǎn)線上用于產(chǎn)品的測試，其測量分析的結(jié)果也完全滿足設(shè)計要求摔踱。今后也可以應(yīng)用于磁盤涂層和不銹鋼零件等高精度工程材料的生產(chǎn)檢測中虐先。

結(jié)論
　　基于分形理論的高效機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)使用NI的CVS視覺系統(tǒng)、PXI控制器和LabVIEW7.1進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件平臺的構(gòu)建士怒。該檢測系統(tǒng)應(yīng)用分形理論徘涤，成功的將對工程表面形貌的識別和評定應(yīng)用到了工程實際，取得了令人滿意的效果眷赂，可以說有了此系統(tǒng)的在線檢測想受，從根本上改變了某些特殊產(chǎn)業(yè)的原有生產(chǎn)模式，使得以往一直制約原有生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的環(huán)節(jié)得到了解除屑墓，實現(xiàn)了真正的生產(chǎn)自動化谱累。其突出優(yōu)點(diǎn)在于：①檢測系統(tǒng)采用簡潔的總線形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具開放性奏炸、可擴(kuò)充性谒电；③具有強(qiáng)大的人機(jī)交互界面，維護(hù)簡便芹菱；④擁有強(qiáng)大的二次開發(fā)能力冗呀，應(yīng)用范圍廣泛；⑤從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和建設(shè)費(fèi)用等多方面綜合考慮桩垫，有效的保證了系統(tǒng)的可靠性溺瘩；⑥便于和NI的其他軟硬件結(jié)合起來，構(gòu)建功能更加強(qiáng)大昌腰、完整的工業(yè)控制測量系統(tǒng)开伏，便于形成標(biāo)準(zhǔn)化。

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加工儀器機(jī)箱燃料電池電池

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