鑄件在發(fā)動(dòng)機(jī)制造中必不可少，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件中，鑄件占比為 30% ~ 40%，鑄件產(chǎn)品質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。

鑄件制造過程中存在許多不可控因素，鑄造缺陷很難避免。目前檢測(cè)鑄件表面缺陷仍然以人工檢查為主，由于鑄件產(chǎn)量大、表面缺陷細(xì)微，人工檢測(cè)存在質(zhì)量差、效率低、成本高等缺點(diǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)算法與數(shù)字圖像處理技術(shù)的結(jié)合，對(duì)于解決基于視覺的復(fù)雜檢測(cè)技術(shù)提供了有力的幫助。因此，利用機(jī)器視覺技術(shù)代替人工檢測(cè)鑄件表面缺陷具有可行性、實(shí)用性和高效性。

鑄件表面缺陷類型

Types of Surface Defects in Castings

鑄造缺陷很難避免且種類繁多，最常見的缺陷有氣孔、縮孔、裂紋等。

氣孔是金屬液體在澆注過程中產(chǎn)生的氣體未能及時(shí)逸出而形成的孔洞，氣孔缺陷通常為球形，內(nèi)壁比較光滑，呈明亮或輕微氧化色，氣孔周圍易產(chǎn)生應(yīng)力集中問題，降低鑄件的抗疲勞性。

縮孔是由于鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，或液態(tài)金屬化學(xué)成分不符合要求，或澆注溫度過高，在液體凝固期間收縮形成的。縮孔形狀不規(guī)則、內(nèi)壁比較粗糙、晶粒粗大。

鑄件裂紋通常分為 2 種：冷裂紋和熱裂紋。熱裂紋是在凝固鄰近固相線時(shí)形成的，此時(shí)大部分合金已經(jīng)凝固，在結(jié)晶構(gòu)架間尚存少量液體，合金強(qiáng)度較低，在收縮應(yīng)力作用下，鑄件會(huì)發(fā)生開裂；冷裂紋是鑄件凝固冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)，局部應(yīng)力超出了合金的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。

熱裂紋一般沿晶粒邊緣產(chǎn)生和發(fā)展的，裂口表面呈氧化色，裂口通常為不規(guī)則曲線，裂紋一般為比較連續(xù)且光滑的曲線或直線。

表面缺陷特征分析

Types of Surface Defects in Casting

（1）氣孔缺陷的形狀近似圓形，由于其表面低于正常表面，圖像中灰度值較低，氣孔深度越深，圖像中灰度值越低。

（2）縮孔缺陷的形狀不規(guī)則，在圖像中灰度值也較低。由于縮孔內(nèi)壁粗糙，圖像中的該缺陷區(qū)域可能存在一定灰度變化。

（3）裂紋缺陷的形狀為狹長(zhǎng)條狀，與其他缺陷相比，裂紋缺陷深度較深，這使得其圖像中的灰度值更低， 且缺陷邊緣更為明顯。

（4）偽缺陷銹斑形狀不規(guī)則，由于其灰度變化是由表面顏色造成的，與其他缺陷相比，灰度較高， 且通常缺陷區(qū)域面積較大。

關(guān)鍵器件選型

Key device selection

視覺系統(tǒng)的硬件部分主要是用于采集圖像，并存儲(chǔ)、 顯示所采集到的圖像樣本。硬件系統(tǒng)所采集到的圖像的質(zhì)量直接影響到后續(xù)圖像處理的難易程度， 及處理所得結(jié)果的優(yōu)劣。因此，合適的硬件架構(gòu)是視覺系統(tǒng)得到預(yù)期效果的前提，其選型及設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行。

（1） 相機(jī)

相機(jī)是利用光學(xué)成像原理直接獲取圖像的關(guān)鍵元件，直接關(guān)系到所獲圖像的質(zhì)量，因此，需要根據(jù)檢測(cè)需求的關(guān)鍵參數(shù)選取合適的相機(jī)型號(hào)。

工業(yè)相機(jī)中常用的感光芯片多為 CCD 和 CMOS，由于 CCD 感光元件中的有效感光面積較大，且輸出圖像的噪音相對(duì)較小， 故選用 CCD 相機(jī)。由于檢測(cè)對(duì)象為鑄件，其表面為灰色或高亮色， 無顏色特征，因此為減少數(shù)據(jù)量，提高后續(xù)圖像處理效率，選用黑白 CCD 相機(jī)。

（2） 鏡頭

鏡頭是用來聚集光線生成圖像的光學(xué)元件。其選型主要依據(jù)所需要的鏡頭放大率、焦距等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行。而這些參數(shù)是由實(shí)際工作距離、檢測(cè)對(duì)象尺寸、相機(jī)相元尺寸、檢測(cè)精度要求等進(jìn)行確定的。

（3） 光源

機(jī)器視覺系統(tǒng)中的光源主要是用以提供適宜穩(wěn)定的亮度，并盡量增強(qiáng)待檢測(cè)部分與周圍環(huán)境的對(duì)比度的。由于檢測(cè)所處車間的環(huán)境光線多變， 為避免視覺系統(tǒng)受到外界環(huán)境影響，選用暗場(chǎng)照明的方式。暗場(chǎng)環(huán)境中， 光線完全由光源提供，面陣相機(jī)適用的光源類型有白熾燈、 熒光燈、 LED 等。

其中， LED 光源具有穩(wěn)定性好，發(fā)光效率高，且使用壽命長(zhǎng)的諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，選用 LED 條形光源進(jìn)行照明。由于檢測(cè)目標(biāo)為表面缺陷， 打光應(yīng)當(dāng)盡量使檢測(cè)對(duì)象的表面信息更為凸顯，因此，選用正面高角度打光的方式進(jìn)行照明。

鑄件表面缺陷檢測(cè)

Casting Surface Defect Detection

實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺的鑄件表面缺陷檢測(cè)對(duì)于鑄件高質(zhì)高效的在線生產(chǎn)加工具有重要意義，根據(jù)視覺檢測(cè)系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)際中的需求分析， 平臺(tái)應(yīng)當(dāng)具有如下功能：

（1） 實(shí)時(shí)顯示功能

軟件系統(tǒng)界面上應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)顯示表面缺陷檢測(cè)情況， 并且能夠?qū)㈣T件表面缺陷檢測(cè)結(jié)果以及對(duì)缺陷部位進(jìn)行識(shí)別分類的結(jié)果直觀的展示在顯示界面上， 便于操作人員了解檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)。

（2） 次品報(bào)警功能

當(dāng)檢測(cè)到有缺陷產(chǎn)品時(shí)， 視覺檢測(cè)軟件應(yīng)當(dāng)能夠及時(shí)發(fā)出次品報(bào)警信號(hào)， 便于執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行下一步動(dòng)作。

（3） 數(shù)據(jù)記錄功能

視覺檢測(cè)軟件應(yīng)當(dāng)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，能夠記錄下已檢測(cè)鑄件的數(shù)量、合格品數(shù)量以及不同類型缺陷的數(shù)量，并且記錄下每次檢測(cè)的起止時(shí)間以及單個(gè)鑄件的檢測(cè)耗時(shí)，生成產(chǎn)品檢測(cè)日志，便于后續(xù)回溯分析，改進(jìn)生產(chǎn)工藝。

軟件系統(tǒng)在接受到硬件系統(tǒng)所采集的圖像后， 對(duì)所獲鑄件表面圖像進(jìn)行處理完成檢測(cè)與缺陷分類。該過程中，圖像處理關(guān)鍵步驟的圖像及缺陷檢測(cè)結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)顯示在交互界面上，并保存至生產(chǎn)日志。與此同時(shí)，檢測(cè)過程中，計(jì)時(shí)與計(jì)數(shù)信息同步更新，顯示在交互界面上，并保存至生產(chǎn)日記。

生產(chǎn)日志模塊主要用來保存缺陷檢測(cè)所采集到的原始圖像、檢測(cè)過程中的關(guān)鍵步驟數(shù)據(jù)、圖像和缺陷檢測(cè)識(shí)別分類的結(jié)果。所保存的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及圖像可以用來回溯生產(chǎn)檢測(cè)過程，并且可以為分類器進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)習(xí)提供足夠的樣本。