基于雙CCD的氣彈簧桿自動檢測系統開發

蘇彩紅，詹寧宙，林梅金

SU Cai-hong1,ZHAN Ning-zhou2,LIN Mei-jin1

（1. 佛山科學技術學院 自動化系，佛山 528000；2. 精視自動化有限公司，佛山 528000）

0 引言

氣彈簧(gas spring)是一種可以起支撐、緩沖、制動、高度調節及角度調節等功能的配件，托車其他電器電子設備直接或間接的唯一電能來它在醫療設備、汽車、家具、紡織設備及加工行業等領域都得到了廣泛地應用。高質量的氣彈簧產品應具有良好的密封性(不滴漏)、內阻小(壓縮力小)且有足夠的回彈力、適宜的回彈速度及足夠的鎖緊力等。因此對其彈簧質量要求很高，必須符合中華人民共和國汽車行業標準QC / T207-1996。

氣彈簧活塞桿尺寸檢測目前都采用傳統“冶具式”測量，同一種型號的氣彈簧尺寸檢測需要約10套夾具進行測量，測量速度是30秒/件，采用分度值小于或等于0.02mm的專用或通用量具來檢驗尺寸。該方法只能一次同時檢測1～2個參數，效率低。并且冶具與產品間存在間隙，產生較大誤差。當測量不同尺寸類型的氣彈簧活塞桿時，需要設計出不同的夾具去測量。同時在大批量工業生產過程中，用人工檢查產品效率低且精度不高，容易誤檢漏檢情況。針對以上問題，我們結合氣彈簧桿所檢測的參數多、尺寸大的特點，研發了基于雙視覺傳感器的氣彈簧桿檢測系統[1～3]。

1 系統總體方案設計

氣彈簧桿檢測系統結構如圖1所示。

圖1 氣彈簧檢測系統設計框圖

系統主要由圖像采集設備、執行機構、運動控制單元、PC機以及上位機圖像測量軟件構成。圖像采集設備由光源、工業數字攝相機和光學鏡頭構成。兩臺工業數字攝相機及鏡頭由支架固定在載物臺上方，用于對被測對象的圖像采集。工業數字相機通過USB2.0接口與PC機相連，將采集的圖像數據傳輸給計算機處理。運動控制單元由PLC、步進電機及步進電機驅動器組成；執行機構由入料裝置、轉盤定位裝置和氣動分料裝置組成。PLC接收PC的控制命令，然后輸出位置進料信號、運動控制信號和結果分選信號分別驅動入料裝置、轉盤定位裝置和氣動粉料裝置。

2 圖像采集系統主要硬件選擇 [4]

2.1 相機及鏡頭選擇

氣彈簧桿的特點是表面光滑，尺寸長（120mm～400mm）、螺紋圖像倒角多，而且除了總長參數外，其余參數分別位于氣彈簧桿的兩端。考慮圖像傳感器自身噪聲因素及相機鏡頭畸變等因素，而且單個視覺傳感器測量范圍較小，誤差大，不能滿足大尺寸測量精度要求，選用了兩臺DMK 23G445映美精工業數字相機，同時配合大恒GCO-231206雙遠心鏡頭實現氣彈簧桿長度尺寸測量，兩個相機分別檢測螺紋端和鉚端的相關尺寸和部分總長，再通過全局標定得到氣彈簧桿的總長尺寸。GCO-23遠心成像鏡頭在物面、像面略不垂直于光軸或稍有離焦的情況下仍可保證恒定的透視測量及恒定的放大倍數。此外，它具有較長的焦深，在景深范圍內物像倍率不變，垂直成像時，無投影現象。

2.2 光源選擇

由于氣彈簧桿表面光滑，為了避免使用正面照明造成的反射，突出其邊緣，得到清晰的輪廓圖像以達到測量的要求,需要使用平行背光源。遠心鏡頭要求配合平行光源使用，而且平行光源的角度需精確定位,使其光線與遠心鏡頭光軸平行。本設計我們選用白色LED平行背光照明配合遠心鏡頭，所得的被測物體輪廓圖像非常清楚銳利，不會出現透射變形。

3 檢測系統軟件設計

3.1 系統軟件設計思想及流程

本系統檢測軟件是在LabVIEW平臺上開發的，采用模塊化設計，主要由用戶界面模塊、系統參數初始化模塊、圖像采集模塊、圖像分析處理與檢測模塊、SPC質量分析模塊以及顯示模塊組成。系統軟件流程圖如圖2所示。程序運行后，首先進行自檢，檢測圖像采集卡的工作狀態以及與計算機的連接狀態。然后發出產品進料信號并進入等待檢測狀態，同時根據計算機的相關信息顯示提示檢驗人員操作的信息。當接受到夾具到位的觸發信號后，圖像采集卡開始采集圖像。圖像處理軟件對數字圖像進行預處理、邊界提取和尺寸測量等運算，根據預設的尺寸偏差和形位公差，判斷產品是否合格并顯示出測量值和判斷結果，同時保存相關的數據與圖片以備查詢和進行質量分析。PLC根據分選結果發出信號給氣動分料裝置完成分類檢測。

圖2 系統軟件流程圖

3.2 氣彈簧桿的視覺檢測

基于LabVIEW的檢測主程序圖如圖3所示。

本項目采用模板匹配技術實現尺寸檢測，檢測步驟如下[5,6]：

1）模板匹配，找到被測對象。

2）建立坐標系。

3）濾波處理。

4）對圖像進行標定。

5）進行邊緣檢測并測量出待測尺寸。

3.2.1 雙CCD的參數標定[7]

檢測的氣彈簧桿參數除了總長外，其他參數均分布兩端，所以采用雙CCD檢測，兩個CCD分別檢測螺紋端和鉚端參數，再通過全局標定得到氣彈簧桿總長。常用的多傳感器視覺測量系統的坐標統一標定方法是 “金規校準”，金規校準就是在校準系統時制作一個和被測對象完全一致的標準金規， 標準金規上分布著控制點,它們對應于被測車身上的被測點,控制點在金規基準坐標系中的位置是嚴格已知的。校準時,傳感器測量控制點,通過控制點的位置坐標可以得到傳感器局部坐標系到金規基準坐標系的統一。

基于金規校準法原理，本設計所采用的標定方法如圖4所示，把兩個CCD放在標準圓柱桿的兩端，標準圓柱桿的總長已知，首先用標準圓柱桿的投影截面（矩形）建立兩個CCD的坐標系，兩個坐標系的中心點（距離）應一致。把第二個CCD坐標系相對第一個CCD坐標系平移，可以得到相對第一個坐標系的值。完成鏡頭的校正，生成坐標后，再進行產品的檢測。

圖4 雙視覺傳感器參數標定

3.2.2 邊緣提取

被測參數的計算是通過所提取的邊緣圖像進行的,邊緣檢測可以精確地定位物體邊緣的位置以及部件的“卡尺”測量，因此，測量精度依賴于邊緣檢測的精度。由于Canny算子具有邊緣檢測方法所需的優良特性：好的信噪比；高的定位性能；對單一邊緣僅有唯一響應。因此本文采用Canny邊緣檢測算子。

在IMAQ Vision中，邊緣點檢測有兩種方法：簡單邊緣檢測與高級邊緣檢測。它們都是沿著一維像素分布圖計算每個像素的灰度值，當前后兩個像素的灰度值之差大于所設定最小邊緣強度值時，就以該點作為邊緣點。最小邊緣強度值由對比度值表示。簡單邊緣檢測只適用于噪聲很小并且對象與背景之間有明顯的劃分界限的場合。本設計采用高級邊緣點檢測的方法，過程如圖5所示。

圖5 高級邊緣點檢測示意圖

步驟如下：

設置檢測區域之后，使用邊緣檢測來定位測量點。使用IMAQ Find Edge 和IMAQ Find Straight Edges 模塊基于矩形搜索區域查找邊緣，IMAQ Find Edge 和 IMAQ Find Concentric Edge 模塊查找物體邊緣和一組搜索區域中的搜索線之間的交叉點。檢測模塊基于他們對比度、寬度和傾斜度來確定交叉點。軟件計算出緊貼外緣的最適合的線。檢測模塊返回所找到的邊的坐標。

邊緣檢測時需進行以下設置：

1)搜索區域。本系統所要檢測的物體邊緣都是直的，故選用長方形的搜索區域。

2)對比度(Cotrast)。定義背景和邊緣之間灰度值的最小差值。為了尋找邊界點，軟件會沿著搜索線進逐行像素掃描，找出每一個點的強度值，如果前后兩點的差值高于規定的對比度，則將此點存儲以便進行進一步的分析。

3)濾波寬度(Filter Width)。定義邊緣點在沿搜索線方向前后相鄰的用于數值均化的像素的數目。當圖像噪聲較大時，這個值需要設置大些。

4)陡峭度(Steepness)。反映了邊緣輪廓上的期望的轉換區域的大小，即邊緣灰度變化的快慢程度。對于較平緩的邊緣應選擇較大的陡峭度。

5)搜索線間距。定義搜索區域內每兩條搜索線之間的間隔距離。數值越小，搜索線越多。

4 測試結果及分析

為驗證方案性能，對系統進行了測試分析，尺寸測量所設置的參數為：對比度(Cotrast)為60；濾波寬度(Filter Width)為 4；陡峭度(Steepness)為2；搜索線間距為1。氣彈簧桿螺紋端和鉚端檢測界面如圖6所示。

圖6 系統檢測界面

表1是氣彈簧桿的10個被測參數的檢測結果，其中（相對坐標）的像素值是經過雙CCD標定后的結果。

表1 氣彈簧桿測量結果比較

該系統同時測量10個參數，檢測速度為1秒/件，檢測精度達0.01mm，所研制的系統運行穩定，滿足現場實時測量要求。

5 結束語

本文針對氣彈簧活塞桿的特點和檢測要求，對基于雙視覺傳感器的自動檢測系統的硬件組成及各部分方案的實現與設計進行了研究，通過合理配置消除了圖像出現透射變形現象。所研制的活塞桿視覺檢測設備同時檢測10個參數，極大地提高了生產效率，測試分析表明了該系統測量范圍大、速度快和精度高，滿足現場實時檢測要求，該系統目前已投入現場應用。

[1] 陳平,李毅紅.基于線陣CCD的小物體掉落自動檢測系統[J].制造業自動化.2013(2)(下):45-49.

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