挑戰(zhàn):

基于機(jī)器視覺技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套高效、可靠的彈簧自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，使之能夠代替操作人員繁瑣的勞動(dòng)。該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別缺陷與精確測(cè)量尺寸的同時(shí)，還應(yīng)滿足實(shí)時(shí)性、可靠性、便于維護(hù)等要求。
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解決方案:

系統(tǒng)的硬件部分主要基于線掃描影像系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合線陣相機(jī)采集彈簧展開圖像后，經(jīng)NI PCI-1428圖像采集卡送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。軟件部分則以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合IMAQ、SQL Toolkit等開發(fā)包在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)彈簧自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)彈簧表面缺陷及尺寸（包括彈簧自由長(zhǎng)度、線徑、節(jié)距及有效圈數(shù)）。

引言

彈簧表面質(zhì)量檢測(cè)是彈簧加工的重要環(huán)節(jié)。檢測(cè)時(shí)，人們通過各種試驗(yàn)方法對(duì)彈簧的性能進(jìn)行測(cè)定，從而把彈簧的質(zhì)量定量數(shù)值化，為企業(yè)的質(zhì)量管理與追蹤提供正確的評(píng)定依據(jù)。彈簧的成品檢驗(yàn)主要包括對(duì)彈簧的外觀檢測(cè)、尺寸檢測(cè)、負(fù)荷檢測(cè)等內(nèi)容，這里我們主要完成對(duì)彈簧的外觀檢測(cè)和尺寸檢測(cè)（包括彈簧長(zhǎng)度、線徑、線徑間距和有效圈數(shù)）。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的彈簧檢測(cè)方法一般是人工用游標(biāo)卡尺等工具目測(cè)，這種方法不僅效率低，而且誤差大。有些公司也從國(guó)外進(jìn)口先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行彈簧自動(dòng)檢測(cè)，這一方面大大增加了生產(chǎn)成本，另一方面設(shè)備的維護(hù)也很困難。針對(duì)以上不足，自主開發(fā)基于機(jī)器視覺的彈簧自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義。該系統(tǒng)主要基于NI公司的LabVIEW圖形編程環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，界面簡(jiǎn)潔友好，方便檢測(cè)人員操作。對(duì)于同一規(guī)格的彈簧，系統(tǒng)在得到彈簧的所有數(shù)據(jù)后與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)彈簧進(jìn)行分類。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法，該方法檢測(cè)速度快，精度更高，可靠性更強(qiáng)。

一. 彈簧檢測(cè)平臺(tái)硬件構(gòu)成

1.1檢測(cè)系統(tǒng)的組成部分

彈簧自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1所示，彈簧水平置于白色旋轉(zhuǎn)軸上，由步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。PLC除了負(fù)責(zé)發(fā)出脈沖驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)外，也將此脈沖作為外部觸發(fā)信號(hào)接入圖像采集卡，以保證采集到等比例的圖像。相機(jī)采用德國(guó)Basler公司的線陣相機(jī)系列Basler L101k-2k，配合NI公司的PCI-1428圖像采集卡一起完成圖像的采集工作。采集的彈簧展開圖如圖1所示。相機(jī)采集完一幀彈簧的展開圖后，經(jīng)圖像采集卡送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)主要完成硬件的配置及初始化、圖像處理、數(shù)據(jù)分析與保存等功能。經(jīng)圖像處理得到彈簧表面缺陷和尺寸的關(guān)鍵參數(shù)后，計(jì)算機(jī)將其與對(duì)應(yīng)規(guī)格的彈簧標(biāo)準(zhǔn)庫信息進(jìn)行比對(duì)，以標(biāo)識(shí)不合格彈簧。

圖 1 彈簧自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

1.2線陣相機(jī)與采集卡的配合

線陣相機(jī)的取像原理與面陣不同，它每次只采集一行圖像，只有在鏡頭與被拍攝物體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)才能采完一幀完整的二維影像。圖2中，縱向?yàn)榫€陣傳感器的方向，其分辨率由線陣CCD決定；橫向表示相機(jī)的掃描方向，其分辨率由步進(jìn)電機(jī)的最小步距決定。電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度過大，圖像會(huì)被壓縮，如圖2（b）所示；速度太小，圖像則會(huì)被拉伸，如圖2（c）。

圖 2 運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí)的對(duì)應(yīng)成像效果

為了得到等比例的圖像，設(shè)置相機(jī)工作于外部邊沿觸發(fā)模式，如圖3。在這種模式下，相機(jī)的線掃率完全由外部信號(hào)的頻率決定，兩者關(guān)系公式：線掃率＝1／外部信號(hào)頻率。NI公司的PCI-1428圖像采集卡提供了四對(duì)外部觸發(fā)端口（分別從Trig_(0)到Trig_(3)，輸入信號(hào)類型為TTL電平），支持線陣相機(jī)的外同步取像模式。將PLC發(fā)出的脈沖接入PCI-1428采集卡的任一外部觸發(fā)端口，這樣就實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)轉(zhuǎn)速與線掃率之間的對(duì)應(yīng)。MAX（Measurement & Automation Explorer）是NI公司開發(fā)出來方便用戶對(duì)各種硬件進(jìn)行設(shè)置和測(cè)試的軟件。在MAX中，可以根據(jù)需要配置采集卡的基本參數(shù)，如取像模式，圖像大小，觸發(fā)信號(hào)的類型等。

圖 3 外部邊沿觸發(fā)模式（ExSync，Edged-controlled Mode）

二. 彈簧檢測(cè)部分的關(guān)鍵模塊

彈簧自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分采用NI公司的LabVIEW圖形編程語言開發(fā)。LabVIEW直觀的圖標(biāo)操作、高效的多線程并行處理以及方便的模塊化特性使得程序的開發(fā)周期大大縮短，程序執(zhí)行效率高且擴(kuò)展能力強(qiáng)，便于隨時(shí)查錯(cuò)和修改。彈簧檢測(cè)部分的流程如圖4所示，程序主要由幾個(gè)功能模塊組成：彈簧標(biāo)準(zhǔn)庫更新、圖像采集、圖像處理以及數(shù)據(jù)分析處理模塊。

圖 4 圖像處理主程序流程

2.1 彈簧標(biāo)準(zhǔn)庫

在本系統(tǒng)中，彈簧的規(guī)格是以彈簧的外徑尺寸來區(qū)分的。彈簧標(biāo)準(zhǔn)庫中包含兩類信息：不同規(guī)格彈簧的標(biāo)定信息和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。相機(jī)位置固定后，圖像X方向單位象素表示的實(shí)際尺寸是不變的，而Y方向的實(shí)際尺寸△Li與彈簧外徑成正比。因此，我們需要事先知道△Li，才能得到彈簧的實(shí)際尺寸值。由于標(biāo)準(zhǔn)庫不可能已經(jīng)包含所有規(guī)格彈簧的信息，系統(tǒng)還添加了標(biāo)準(zhǔn)庫的擴(kuò)展功能，檢測(cè)人員可以隨時(shí)擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)庫信息。

圖 5 添加標(biāo)定庫信息部分

2.2 圖像采集

對(duì)于線陣圖像的外部觸發(fā)取像，IMAQ提供了兩種基本觸發(fā)模式：可變高度采集（Variable Height Acquisition）和線觸發(fā)采集（Trigger Each Line）。本文采用兩種采集方式相結(jié)合的方法。因?yàn)榇郎y(cè)彈簧外徑大小可變，VHA采集模式可以適應(yīng)變高度的圖像采集，Trigger Each Line模式則保證了相機(jī)的線掃率與馬達(dá)速度同步。

圖 6 圖像采集子VI

開始采集前，應(yīng)先做這幾步工作：

（1）IMAQ Init函數(shù)對(duì)采集卡進(jìn)行初始化；

（2）在IMAQ Configure List函數(shù)對(duì)緩沖單元進(jìn)行配置。這里每個(gè)單元要在For循環(huán)內(nèi)單獨(dú)開辟空間；

（3）設(shè)置觸發(fā)類型為Trigger Each Line。要注意的是，使用VHA模式前應(yīng)在MAX中預(yù)先設(shè)置好圖像的最大高度Height（本應(yīng)用中設(shè)置該值為1000），相機(jī)采集完1000行圖像后就會(huì)自動(dòng)停止采集。

2.3 圖像處理

對(duì)于機(jī)器視覺領(lǐng)域，NI提供了自動(dòng)檢測(cè)視覺生成器NI Vision Builder AI和Vision Assistant軟件輔助圖像處理。在它們交互式菜單驅(qū)動(dòng)的環(huán)境下，用戶無需編程，即可簡(jiǎn)便的進(jìn)行機(jī)器視覺應(yīng)用開發(fā)。此外，Vision Builder和Assistant還可以自動(dòng)生成LabVIEW或者C代碼，這在很大程度上簡(jiǎn)化了編程的工作，同時(shí)也為開發(fā)平臺(tái)的擴(kuò)展提供了可能。

Image Mask屏蔽

對(duì)于彈簧表面缺陷的檢測(cè)，我們感興趣的只是彈簧線表面的信息，因此，可以利用Image Mask把背景、彈簧線間隙等部分屏蔽。Image Mask函數(shù)有兩種方式進(jìn)行屏蔽，一是直接在圖像上選擇ROI區(qū)（可以為矩形、橢圓等）；另一種方法則是導(dǎo)入已有的mask圖像。根據(jù)圖像特點(diǎn)，這里選擇第二種方法。

為了得到彈簧線ROI區(qū)域，首先用類內(nèi)方差法對(duì)彈簧原始灰度圖進(jìn)行二值化，然后用Fill Holes函數(shù)填充彈簧表面缺陷區(qū)域，得到無損的彈簧二值圖，最后對(duì)整幅圖進(jìn)行腐蝕即可得到所需的mask文件。在圖7中可看到，如果最后不對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕的話將會(huì)有彈簧線邊緣存在，這對(duì)我們分析表面缺陷是無意義的。得到了彈簧輪廓的mask圖像后，在Image Mask函數(shù)中導(dǎo)入此文件，即可得到僅包含表面缺陷的灰度圖。

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圖 7 未經(jīng)腐蝕和經(jīng)過腐蝕后的mask圖像對(duì)比

顆粒過濾與分析

對(duì)剩下的ROI部分用閾值法二值化，得到包含表面缺陷和噪聲的二值圖像。經(jīng)腐蝕膨脹后，用Particle Filter函數(shù)過濾掉可疑微小顆粒，即得到彈簧表面缺陷的圖像。利用Particle Analysis函數(shù)得到顆粒的面積大小，經(jīng)標(biāo)定信息換算得到表面缺陷的實(shí)際面積。Particle Analysis函數(shù)提供了近百種顆粒參數(shù)的結(jié)果，包括顆粒的個(gè)數(shù)、周長(zhǎng)、方向等等。

2.4 利用SQL Toolkit訪問數(shù)據(jù)庫

LabVIEW SQL Toolkit(又被稱作為L(zhǎng)abVIEW Database Connectivity Toolset)是用于數(shù)據(jù)庫訪問的附加工具包，它集成了一系列的高級(jí)功能模塊，這些模塊封裝了大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫操作和一些高級(jí)的數(shù)據(jù)庫訪問功能，支持ODBC的本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。該工具包對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問可以通過udl文件，也可以通過直接訪問數(shù)據(jù)庫文件的形式，方便了單機(jī)文件的發(fā)布與應(yīng)用。該庫分為通用VI與高級(jí)VI，在處理一般的數(shù)據(jù)庫問題時(shí)，使用通用VI能夠快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的查詢存儲(chǔ)等基本功能。而高級(jí)功能如：帶參數(shù)查詢，調(diào)用存儲(chǔ)過程等則可以使用高級(jí)VI來相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)?？傮w而言，在檢測(cè)系統(tǒng)中能夠結(jié)合LabVIEW SQL Toolkit進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的操作，提高了編程的快速原型化。

2.5 數(shù)據(jù)分析與測(cè)試結(jié)果

圖8是彈簧自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的主界面。主程序主要實(shí)現(xiàn)彈簧的檢測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查詢及標(biāo)準(zhǔn)庫更新的功能。為了方便檢測(cè)人員操作，界面設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)單。為了測(cè)試算法的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，我們用一組10個(gè)表面帶缺陷的彈簧進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明，彈簧尺寸的檢測(cè)精度完全符合要求，偏差基本在±0.2mm以內(nèi)，對(duì)同一個(gè)彈簧重復(fù)檢測(cè)的準(zhǔn)確率為100%。

圖 8 檢測(cè)程序運(yùn)行主界面

圖 9 樣本缺陷彈簧測(cè)試結(jié)果

三. 結(jié)論

在彈簧的質(zhì)量檢測(cè)過程中引入機(jī)器視覺，和原人工檢測(cè)系統(tǒng)相比，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

● 檢測(cè)精度高。人工檢測(cè)彈簧的要求誤差為±0.5mm以內(nèi)，而視覺檢測(cè)的尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)誤差在±0.1mm以內(nèi)；

● 檢測(cè)速度快。人工檢測(cè)一個(gè)彈簧的時(shí)間大概為3s，該系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)間為1s；

● 人工檢測(cè)有情緒，且人眼易于疲勞，不易保持檢測(cè)效果；然而視覺檢測(cè)效果穩(wěn)定，對(duì)同一個(gè)彈簧重復(fù)檢測(cè)的準(zhǔn)確率為100%，而且可 24 小時(shí)不停檢測(cè)。

現(xiàn)在機(jī)器視覺在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛，但國(guó)內(nèi)結(jié)合線掃描系統(tǒng)，將機(jī)器視覺用于彈簧檢測(cè)方面的應(yīng)用尚為空白。由于筆者經(jīng)驗(yàn)尚淺，整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)過程遇到了很多問題，從方案的選擇、硬件系統(tǒng)的搭建到圖像處理算法的研究都花費(fèi)了不少的精力和時(shí)間。事實(shí)證明，選擇LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)是明智的。它簡(jiǎn)便易學(xué)、功能強(qiáng)大，豐富的實(shí)例庫、完善周到的網(wǎng)絡(luò)支持，都使得整個(gè)開發(fā)可以著重于算法的設(shè)計(jì)，無需在程序的編寫方面花費(fèi)太多時(shí)間。機(jī)器視覺是一種通用性很強(qiáng)的技術(shù)，相關(guān)技術(shù)一致，應(yīng)用差異明顯是各種機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)。因此，該系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)于機(jī)器視覺在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也有一定的參考意義。