基于機器視覺的電機換向器參數檢測系統設計

徐曉峰

(威海職業學院機電工程系，山東 威海 264210)

目前，工業產品的生產大都采用自動化生產線技術，因此對產品測量精度和測量效率的要求也越來越高。但傳統的檢測手段很難對自動化生產線上的產品進行快速、精確的檢測，對于某些精度要求較高的尺寸或參數，有時根本無法完成。電機換向器零件的參數檢測，大多依靠人工檢測，這就會導致檢測的效率低、誤判率和漏檢率高，而且有人工干涉，也會對測量的尺寸精度產生影響。通過采用圖像處理技術和計算機視覺技術，開發的電機換向器參數在線檢測系統，由硬件平臺和軟件平臺兩大部分組成，用來實現對零件的內徑、外徑、高度和片間電壓4 個參數的綜合檢測。該系統排除了人工檢測的主觀因素干擾，提高了檢測的效率、準確率和自動化程度。經過在線實時檢測表明，該系統設計合理、檢測效率高，取得了較好的檢測效果。

1 機器視覺技術

機器視覺系統是通過計算機來模擬人的視覺功能，從獲取的圖像中提取特征信息，進行分析、處理，從而用于實際的產品檢測和識別，是集電子學、光學、圖像處理技術、計算機技術和精密機械技術于一體的綜合系統。

機器視覺系統的核心是圖像測量系統，其主要由圖像的采集、處理和輸出3 部分組成，另外，還包括接口硬件、照明系統等其他硬件，系統構成如圖1 所示。圖像采集由圖像采集卡和圖像攝入設備來完成，作用是將采集的事物的原始物理圖像，進行采樣和量化工作后，變為數字圖像，即計算機能夠處理的圖像格式。圖像處理由圖像處理軟件和計算機來完成，作用是將前面圖像采集后的數字圖像進行某些處理，變為一幅新的數字圖像，或處理后變為一種非圖像的顯示。圖像輸出是圖像測量系統的最后環節，對硬件的性能要求較高，因為如果顯示系統的配置較差，會使經處理過的數字圖像包含噪聲或劣化，從而導致后續的軟件算法檢測產生誤差。

2 硬件系統設計

2.1 設計思路

系統的設計思路如圖2 所示。零件放置于在線傳送裝置上，經過2 路CCD 攝像機進行圖像采集(一路為采集內徑圖像，另一路為采集外徑和高度圖像)，進行零件尺寸參數的軟件測量，然后零件經過片間電壓檢測裝置進行換向器的片間電壓參數檢測，最后計算機根據測量的尺寸參數和片間電壓檢測結果來判斷是否有不合格產品，若有廢品則抓取出來。

2.2 圖像采集系統

圖像采集系統包括兩個部分，一部分是對零件內徑圖像的采集，另一部分是對零件外徑和高度圖像的采集。硬件上主要包括兩臺CCD 攝像機，均采用德國Basler 高速工業攝像機;兩個光源為日本CCS 公司的LFL-100 系列LED 光源，該種光源用高密度LED 陣列面提供高強度背光照明，可以保證采集到質量較好的圖像。

圖像采集系統的硬件實現如圖3 所示。圖像采集通過視頻信號觸發器，每通過一個零件時，視頻信號觸發一次，同時采集兩幅圖像。其中，1 為采集零件內徑圖像的CCD 攝像機，2 為底部的LED 光源，3 為電機換向器零件，4 為視頻信號觸發器，5 為采集零件外徑和高度圖像的CCD 攝像機，6 為背部的LED 光源，7為一個接近開關，當主電動機進到位時給一限位信號。

2.3 片間電壓檢測裝置

對電機轉子的換向片進行片間電壓檢測，是對電機轉子檢測的一個重要指標。圖4 為轉子片間電壓檢測硬件裝置。當零件通過時，啟動橫梁電動機使檢測板2 向下運動，讓檢測板上的壓針1 與換向器邊齒相接觸，對壓針1 通上700 V 的高電壓，若齒間不導通則說明該零件合格，若齒間導通則說明該零件不合格，此時，檢測電路給計算機控制部分一個廢品抓取信號。

2.4 廢品抓取釋放裝置

根據已經測量的零件內徑、外徑、高度和片間電壓4 個參數的檢測結果來判斷零件是否合格，若其中有一項參數不符合標準，則認為該零件為廢品，系統會將該廢品從生產線上抓取出來。通過電磁閥來控制氣缸的活塞桿伸縮，從而達到抓取、釋放廢品的功能。

硬件設計上，采用每次對6 個零件同時進行片間電壓檢測，對應有6 路氣缸和電磁閥，哪個零件是廢品計算機會給相應的電磁閥一個信號，檢測完片間電壓的同時將該路廢品抓取，同時啟動橫梁電動機做上升運動，上升到位后再啟動橫向電動機做橫向運動，到位后，計算機給電磁閥釋放信號，將廢品放入廢品槽里。圖5 為6 路電磁閥及濾氣、濾油、調壓裝置，6 路氣缸嵌入在檢測板中。氣缸采用亞德客的復動型SDA 系列超薄氣缸，電磁閥采用亞德客的DC24V 系列。

2.5 傳輸裝置

通過主電動機來控制絲桿轉動，從而推動軌道上的零件行進。本系統設計中的3 臺電動機(主電動機、橫梁電動機和橫向電動機)均采用步進電動機，步進電動機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件，我們通過單片機編程對電動機進行脈沖分配及定位控制、速度控制等。

2.6 控制部分

采用具有16 路開關量輸入/輸出板PCI -7505 來控制6 路電磁閥、各電動機的運行以及接近開關信號輸入(控制電動機進、退到位)。接近開關由振蕩器和整形放大器組成，振蕩器起振后在感應頭上產生交變的磁場，當金屬體接近感應區時，金屬體內產生渦流，吸收振蕩器的能量，使振蕩器停振，由整形放大轉換成電信號，達到檢測的目的。

3 軟件系統設計

3.1 系統構成

以NI 公司的虛擬儀器開發環境LabWindows/CVI為開發平臺，結合NI 提供的圖像采集與處理軟件包IMAQ Vision，采用面向對象的設計思想，開發了電機換向器綜合參數檢測的軟件系統。整個軟件系統主要包括以下5 個功能模塊:硬件初始化、圖像采集、創建模板、算法檢測和系統運動控制。

LabWindows/CVI 是當今最流行的虛擬儀器開發工具之一，其集成化開發平臺、交互式編程方法、豐富的面板功能和庫函數等特點非常利于開發者建立檢測系統、自動測量系統及數據采集系統等。

IMAQ Vision 軟件將高級機器視覺和圖像處理加入到LabWindows/CVI 中，它包括一整套豐富的MMX優化函數，用于完成灰度、彩色以及二進制圖像的顯示、處理(統計、濾波和幾何變換等)、形狀匹配、斑點分析、計算和測量等。最終用戶可以使用IMAQ Vision加快工業視覺和科學圖像應用的開發，可用于需要高穩定性、高速度的視覺系統中。

3.2 設計思路

創建模板和算法檢測屬于圖像檢測模塊，是軟件系統最重要的部分，關系到檢測的精度和準確率。針對電機換向器有很多種型號，每種型號零件的檢測指標不同，在檢測之前，我們先對每一種型號的換向器都進行模板學習，并對其進行編號，將每種型號零件的檢測指標存儲，當實時在線檢測的時候，對哪種型號的零件檢測只需在開始將該型號的模板數據讀取出來，然后就可以進行在線檢測。而且，采用創建模板法可以縮短圖像檢測的時間，更快的定位于零件的孔徑部分。創建模板和實時在線檢測的算法流程分別如圖6 和圖7 所示，檢測系統的軟件程序用戶界面如圖8 和圖9所示。

3.3 圖像檢測算法

在電機換向器的內徑、外徑和高度尺寸參數中，內徑參數的檢測精度要求最高，故要尋求好的圖像檢測算法進行檢測。孔徑的圖像檢測算法主要包括2 個方面，一個是對圖像的邊緣提取算法，另一個是孔徑尺寸的計算算法。之前已對孔徑的檢測算法做了大量研究，文獻［5］和文獻［6］分別采用SUSAN 算法和基于自適應閾值的改進SUSAN 算法對換向器零件的邊緣特征進行提取，然后運用最小二乘橢圓擬合法進行孔徑尺寸的計算。經實際檢測驗證，該套算法檢測速度快、精度高，可適用于電機換向器實時在線檢測。

4 結語

經過電機換向器綜合參數的實時在線檢測表明，本檢測系統的硬件構成是合理的，軟件測量算法是正確與有效的，整個系統的設計是成功的，若應用于大規模生產線上，將有廣泛的應用前景及產生較大的經濟效益。另外，本系統的技術路線及軟硬件系統設計正確可行，可以為其它工業產品的計算機視覺檢測提供理論基礎與實際應用借鑒。

［1］劉君華.虛擬儀器編程語言LabWindows/CVI 教程［M］.北京:電子工業出版社，2001.

［2］張毅剛.虛擬儀器軟件開發環境LabWindows/CVI6.0 指南［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［3］IMAQ vision 6.0 for LabWindows CVI user manual［M］.National Instruments，2000.

［4］張曉龍，樊啟洲，吳艷兵，等.基于DSP 的機器視覺在黃瓜生長信息檢測中的應用［J］.中國水運:學術版，2007(5):147 -149.

［5］段紅，徐曉峰.基于SUSAN 算法的孔徑幾何參數檢測方法研究［J］.傳感技術學報，2004，17(4):572 -575.

［6］徐曉峰.基于改進SUSAN 算法的電機換向器孔徑參數檢測［J］.儀表技術與傳感器，2012(10):50 -52.