高速檢測元器件外觀設備的視覺系統(tǒng)設計

孫 波 唐 動 劉林琳 石錦成 金先倫

高速檢測元器件外觀設備的視覺系統(tǒng)設計

孫 波 唐 動 劉林琳 石錦成 金先倫

（貴州航天電器股份有限公司，貴陽 550009）

基于機器視覺技術，設計了一種高速全自動元器件外觀分選設備的視覺系統(tǒng)，包括總體、硬件、軟件等。該視覺系統(tǒng)主要由若干臺高速工業(yè)相機依次排布在透明轉(zhuǎn)盤上方，檢測每只待檢測動態(tài)來料外觀，每臺相機分別檢測運動中元器件的各項不同外觀數(shù)據(jù)。設備的成功研制得益于“飛拍”這一關鍵技術，使得部分元器件的檢測效率和檢測質(zhì)量方面有了大幅度的提升。

視覺系統(tǒng)；圖像處理；飛拍技術；效率質(zhì)量提升

1 引言

元器件產(chǎn)品的生產(chǎn)，既要保證產(chǎn)量又要保證質(zhì)量，對生產(chǎn)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)人工檢測方式為“過板”篩選，每一板一次完成上百只產(chǎn)品，外形以及表面缺陷交由質(zhì)量檢驗員負責，在生產(chǎn)過程中，人的主觀因素可能給產(chǎn)品質(zhì)量管控工作帶來了一定風險。因此，急需提出一種全自動的產(chǎn)品外觀檢測設備，高效率高質(zhì)量完成檢測工作。基于機器視覺技術，提出一種對元器件外觀全自動檢測機并設計了其視覺系統(tǒng)。

機器視覺技術的硬件組成主要是相機、計算機、光源、鏡頭、光源驅(qū)動等，利用相機拍照，計算機圖像處理代替人工測量和判斷。本文設計的軟件系統(tǒng)使用了LabView軟件，該軟件是圖形化編程語言，使用簡單，易學，可廣泛應用于圖像處理、數(shù)據(jù)通訊、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)采集等領域，利用該軟件實現(xiàn)了友好的人機界面編程、圖像處理、通訊交握程序。

2 視覺系統(tǒng)的整體設計

視覺系統(tǒng)的整體設計主要由系統(tǒng)框圖以及系統(tǒng)所需要硬件組成。所有的硬件在軟件的協(xié)調(diào)下才能夠保證整個視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。首先設計系統(tǒng)整體，全自動檢測機視覺系統(tǒng)整體設計框圖見圖1。

圖1 視覺系統(tǒng)整體設計框圖

整個視覺系統(tǒng)工作原理：PLC可編程邏輯控制器檢測轉(zhuǎn)盤上的待檢測產(chǎn)品需要哪臺相機拍攝，產(chǎn)品到位后觸發(fā)需要工作的相機，計算機從相應相機獲取圖像并處理，最后將判斷結(jié)果通過IO板卡傳輸給PLC，單個相機檢測工位工作過程在100ms內(nèi)完成，四臺高速相機與分揀電磁閥并行工作，基于此原理使得飛拍技術得以實現(xiàn)[1]。設備的三維設計圖見圖2。

圖2 設備三維設計圖

3 視覺系統(tǒng)的硬件選型

飛拍即高速拍攝技術，是影響整個系列設備成敗的關鍵技術。當產(chǎn)品隨轉(zhuǎn)盤運動后，如果不采用特殊的技術，產(chǎn)品在圖像中會呈現(xiàn)不清晰甚至拖影情況，導致計算機無法正常處理圖像。計算機的配置需求較高，對每個相機傳遞回來的圖像處理速度一定要控制在數(shù)十毫秒內(nèi)完成，最后用最快捷的通訊方式將測試結(jié)果傳遞給PLC。

為滿足以上技術需求，要有針對性選型主要硬件。

本系統(tǒng)對計算機的配置提出了更高的要求，同時為了配合高速相機使用，選用了高速千兆四口網(wǎng)卡，滿足四臺相機大數(shù)據(jù)量高速通訊。

工業(yè)相機的選型是項目成敗的關鍵，相機必須要求穩(wěn)定、高幀率，才能滿足飛拍技術的需要，根據(jù)需求選用德國工業(yè)相機中高幀率相機。工業(yè)鏡頭根據(jù)產(chǎn)品待測量尺寸選擇，為保證圖像解析度、圖片質(zhì)量以及高精度，使用了遠心鏡頭，各個工位的光源根據(jù)具體應用情況，產(chǎn)品外觀尺寸測量選用白色平行背光源，產(chǎn)品表面缺陷選用白色環(huán)形光源[2]。

4 視覺系統(tǒng)的軟件設計

4.1 視覺系統(tǒng)的軟件整體設計

所設計的軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺是虛擬儀器專用編程語言LabView，廣泛應用于試驗、研究、設計、應用等方面。根據(jù)用戶需要，進行人機界面軟件設計、圖像處理軟件設計、IO板卡通訊軟件設計等。

4.2 人機界面的軟件設計

人機界面是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部門。在本文所設計的人機界面中，包括自動測試頁和設置監(jiān)控頁面。自動測試頁面人機內(nèi)容包括了每個相機圖像、關鍵的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、指示燈等，讓操作人員監(jiān)測設備計算機工作情況以及各相機狀態(tài)；設置監(jiān)控頁面中，主要功能是參數(shù)設置與設備狀態(tài)監(jiān)控，簡單易懂，操作方便，讓相關人員經(jīng)過簡單培訓后能夠快速上手。

4.3 圖像處理的軟件設計

圖像處理是軟件設計的關鍵，保證處理速度，更需要穩(wěn)定可靠的圖像處理，如果某個工站圖像處理程序耗時長，沒及時處理完當前圖像，下一幅圖像又出現(xiàn)，設備將無法正常運行，導致報錯故障，所以必須最大程度縮短所有圖像的處理時間。

四臺相機的圖像處理需求各不相同，具體圖像處理算法也不同。但是基本有著類似的圖像預處理環(huán)節(jié)，圖像預處理環(huán)節(jié)流程圖見圖3。

圖3 圖像預處理環(huán)節(jié)

圖4 2號工站相機圖像處理流程圖

可以測量、缺陷分析經(jīng)過預處理的圖像，根據(jù)每個工站檢測的內(nèi)容不同，后續(xù)圖像處理的過程也不相同，以2號工站相機為例，該工站需要測量產(chǎn)品的長、寬以及兩個切面夾角，經(jīng)過預處理后2號工站相機的圖像處理流程圖見圖4。

本節(jié)以2號工站相機圖像處理為例，預處理后圖像處理，由于每只產(chǎn)品的位置不固定，所以必須要重新建立動態(tài)坐標系完成產(chǎn)品的再定位，然后依次測量相關內(nèi)容，最后將測試的數(shù)據(jù)以及測試的結(jié)果輸出，并標注在人機界面2號相機位置處的顯示控件上。其他工站相機根據(jù)各自的情況，各自預處理圖像的再處理[3]。

4.4 通訊模塊的軟件設計

通訊模塊的軟件設計，主要針對PC端與PLC端的通訊設計，整個流程簡述為PLC通過IO方式外部觸發(fā)各個工業(yè)相機拍照，相機被觸發(fā)后拍照，PC獲取了拍照完成信號后，通過軟件獲取相機圖片并處理和分析數(shù)據(jù)，然后通過IO板卡的IO點將處理結(jié)果傳送至PLC并得到結(jié)果，綜合四臺相機判斷結(jié)果，在分揀區(qū)域分揀良品與不良品[4]。單臺相機的通訊工作流程圖見圖5。

圖5 單臺相機的通訊工作流程圖

5 試驗

完成視覺系統(tǒng)設計后，在多臺全自動檢測機中測試，每臺設備的各個工位處理時間低于50ms，保守估計每秒鐘可完成至少5～10顆料的檢測工作。相對于人工操作而言，人工產(chǎn)出約10000只/h產(chǎn)品，而設備檢測理論上可以將產(chǎn)能翻一番，并且可以24h工作，另外人工檢測是一個篩選板同時篩選上百只料，而設備相當于四個人同時在一顆一顆產(chǎn)品檢測，不僅效率有大幅提升，檢測的細致程度也有所提高。

6 結(jié)束語

機器視覺技術在提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率和提高產(chǎn)品質(zhì)量方面為軍民用元器件生產(chǎn)做出大量貢獻。本文設計的一種全自動檢測元器件外觀設備的視覺系統(tǒng)，經(jīng)過理論設計、實際裝配、調(diào)試，實現(xiàn)了產(chǎn)品高速檢測功能，以及對每個產(chǎn)品的外觀關鍵參數(shù)全面檢測。不久將來，將會廣泛應用于元器件生產(chǎn)企業(yè)的高速檢測等領域。

1 陳樹學，劉萱．LabVIEW寶典[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011

2 楊樂平，李海濤，趙勇．LabView程序設計與應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2001

3 王磊，陶梅．精通LabVIEW8.0[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010

4 張宏群，倉彬彬．基于LabVIEW的氣象監(jiān)測系統(tǒng)[J]．虛擬儀器與應用，2010(24)：152～154

Vision System Design of A Device for High-speed Detecting Appearances of Components

Sun Bo Tang Dong Liu Linlin Shi Jincheng Jin Xianlun

(Guizhou Space Appliance Co., Ltd., Guiyang 550009)

Based on the machine vision, a vision system for high-speed and full automatic sorting components device is designed from overall, hardware, and software designs. The vision system consists of four high-speed indutrial cameras arranged in order above the transparent turntable and they can detect the appearances of every dynamic product. Every camera detects different external dimension of dynamic products. Successful device development is based on the technology of the high-speed photograph, which greatly improves the detection efficiency and quality of some components.

vision system；image processing；high-speed photograph technology；efficiency and quality improvement

智能制造綜合標準化與新模式應用項目（工信部聯(lián)裝[2016]213號-01）。

孫波（1987），工程師，機電一體化專業(yè)；研究方向：機器視覺與機器人控制技術。

2018-09-18