基于機器視覺的外星輪基準(zhǔn)面自動檢測系統(tǒng)

李學(xué)軍，胡曉東，董京衢

(長春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022)

被譽為“工業(yè)之眼”的視覺檢測技術(shù)是測試與工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。機器視覺通過相機等光學(xué)裝置作為非接觸式的傳感器，自動采集和處理真實物體的圖像以獲得所需信息用于自動檢測或控制裝置[1]。基于視覺的檢測系統(tǒng)具有非接觸、速度快、精度高等優(yōu)點，是實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備精密控制、生產(chǎn)過程的自動化和智能化的有效途徑[2]，是實現(xiàn)計算機集成制造為代表的現(xiàn)代工業(yè)的核心技術(shù)之一[3]，在電子、汽車制造、機器人與工廠自動化、食品、電力等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用和巨大的潛力。“汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃”指出汽車行業(yè)是我國經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性競爭產(chǎn)業(yè)，也是“中國制造2025”的必爭產(chǎn)業(yè)。汽車零部件自動檢測裝置是汽車產(chǎn)業(yè)設(shè)備升級改造和生產(chǎn)流水線上的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。外星輪是汽車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)等角速萬向節(jié)中的關(guān)鍵零部件，用于汽車上任何一對軸線相交且相對位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動力傳遞。現(xiàn)有技術(shù)中，外星輪參數(shù)檢測主要有三坐標(biāo)測量法[4]和專用量具檢測法[5]。國內(nèi)使用較多的是德國蔡司公司生產(chǎn)的三坐標(biāo)儀，具有測量和數(shù)據(jù)存儲功能，但檢測節(jié)拍慢，對檢測環(huán)境要求嚴(yán)苛，只適用于產(chǎn)品抽檢和實驗室檢測，而且該檢測儀價格較高。德國GKN汽車公司研制出汽車VL內(nèi)星輪分組儀為專用量具，其檢測精度較高，但自動化程度較低，需人工操作，易產(chǎn)生操作誤差。隨著國內(nèi)生產(chǎn)需求，外星輪檢測裝置的研制得到學(xué)者重視。如長銳汽車有限公司研制出測量外星輪相隔兩滾道中心夾角120°分度誤差和節(jié)圓直徑誤差兩種新型專用量具，都需要人工操作，且測量精度受人為因素影響較大。隨著機器視覺在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于機器視覺技術(shù)在星輪定位或檢測中也得到關(guān)注[6]。在自動檢測線上，外星輪碼放是否正確直接影響后續(xù)的自動測量結(jié)果，基準(zhǔn)面的準(zhǔn)確、快速識別是決定外星輪能否實現(xiàn)自動測量和測量速度的關(guān)鍵因素。借助于機器視覺檢測的普及性和優(yōu)勢，基于機器視覺技術(shù)的外星輪基準(zhǔn)面自動檢測系統(tǒng)，開發(fā)星輪凹槽檢測與處理算法，并具有自動校正的功能，解決已有檢測技術(shù)和設(shè)備存在的人力成本高、效率低、易產(chǎn)生操作誤差等問題。

1 系統(tǒng)組成及工作過程

星輪基準(zhǔn)面是判別星輪擺放是否正確的參考，星輪正確擺放時，在星輪下方有一環(huán)形凹槽，正確識別出環(huán)形凹槽的是否在下方，如果不在下方則啟動校正機械手抓取星輪并翻轉(zhuǎn)。設(shè)計的基準(zhǔn)面自動檢測系統(tǒng)由自動傳送裝置、機器視覺圖像采集模塊、抓取翻轉(zhuǎn)模塊、電氣控制裝置等構(gòu)成。自動傳送裝置由絲杠滑臺、托盤、步進電機及驅(qū)動電路、工件檢測光電傳感器、光電位置開關(guān)、磁性傳感器構(gòu)成，完成工件的傳輸與定位功能。機器視覺圖像采集模塊由光電位置開關(guān)、OpenMV4 H7 Cam智能攝像頭、視覺光源3個部件構(gòu)成。傳送機構(gòu)將工件傳送至圖像識別工位時觸發(fā)光電位置開關(guān)，光電位置開關(guān)發(fā)送信號至PLC，PLC啟動OpenMV智能攝像頭開始圖像識別與處理，完成基準(zhǔn)面圖像采集、圖像處理、基準(zhǔn)面自動識別功能。抓取翻轉(zhuǎn)模塊由無桿氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、氣源處理器、夾具等構(gòu)成，完成工件的抓取與反轉(zhuǎn)。以PLC為核心設(shè)計電氣控制系統(tǒng)，完成運動控制與人機交互。

其工作過程為：在系統(tǒng)上電之后，PLC啟動步進電機從而啟動滑臺絲杠，將工件傳送至凹槽檢測工位后觸發(fā)工位傳感器，工位傳感器將工件到達凹槽檢測工位的信號傳至OpenMV模塊，OpenMV模塊觸發(fā)采集圖像，經(jīng)圖像預(yù)處理、基準(zhǔn)面識別給出處理結(jié)果送到PLC。若需要翻轉(zhuǎn)PLC輸出口送控制信號給，PLC則會發(fā)出反轉(zhuǎn)信號至反轉(zhuǎn)氣缸動作，從而完成對工件的反轉(zhuǎn)動作。待反轉(zhuǎn)完成后或此工件無需反轉(zhuǎn)時，拉升氣缸會將工件提升，最終由位移氣缸將工件送至出料單元，經(jīng)步進電機配合傳送帶將工件傳送至出料口。

圖1 系統(tǒng)運動流程圖

2 圖像采集與處理

針對外星輪拋光面的反光及外部環(huán)境光照易對采集到的圖像帶來高斯和脈沖等干擾，在相機前端加濾光片，削弱環(huán)境雜光的影響。結(jié)合邊緣檢測、霍夫變換、和直線擬合等方法對外星輪基準(zhǔn)面圖像特征進行提取、擬合和檢測的圖像處理方法。外星輪基準(zhǔn)面檢測方法流程如圖2所示。

圖2 外星輪基準(zhǔn)面檢測方法流程圖

基準(zhǔn)面圖像識別與處理步驟如下：

(1)圖像預(yù)處理

圖像采集系統(tǒng)實時獲取外星輪基準(zhǔn)面圖像處理數(shù)據(jù)，并上傳至上位機系統(tǒng)，進行采樣，獲得外星輪某一狀態(tài)的3～5幀圖像，采用直方圖均衡化等增強方法提高圖像對比度，增強圖像細(xì)節(jié)，從而降低外星輪拋光面及外部環(huán)境光照對圖像質(zhì)量的影響。

(2)外星輪邊緣檢測

由于邊緣檢測對噪聲比較敏感，首先，使用高斯濾波和中值濾波進行去噪處理，采用Prewitt邊緣檢測算子，完成外星輪基準(zhǔn)面邊緣信息的檢測；然后，根據(jù)外星輪內(nèi)部凹槽的圖像特點，對所有邊緣信息進行篩選，盡可能剔除與外星輪內(nèi)部凹槽無關(guān)的邊緣信息，保留可能為外星輪凹槽的邊緣信息；最后，實現(xiàn)對凹槽信息的提取。邊緣檢測實驗結(jié)果如圖3所示。

(a)外星輪“正向”擺放原圖

(b)外星輪“正向”擺放邊緣檢測圖像

(c)外星輪“反向”擺放原圖

(d)外星輪“反”擺放邊緣檢測圖像

(3)外星輪凹槽位置確定

外星輪凹槽位置確定采用霍夫變換方法。霍夫變換是一種特征檢測方法，利用點與線的對偶性，將圖像空間的線條變?yōu)閰?shù)空間的聚集點，從而檢測給定圖像是否存在給定性質(zhì)的曲線。根據(jù)得到的外星輪凹槽邊緣信息的特點，利用霍夫變換檢測直線信息，并通過設(shè)定直線的斜率作為篩選閾值，進行直線擬合，高亮最長直線，得到最有可能的外星輪凹槽上、下邊沿信息。外星輪凹槽位置確定實驗結(jié)果如圖4所示，紅色加粗直線所處位置即為凹槽下邊沿。

(a)外星輪“正向”擺放高亮直線

(b)外星輪“反向”擺放高亮直線

(4)外星輪運動狀態(tài)判斷

當(dāng)外星輪處于“正向”擺放狀態(tài)時，內(nèi)部凹槽與外星輪底部距離較小，處于整個基準(zhǔn)面的中下部位置。因此，提出以外星輪基準(zhǔn)面的縱向中心位置作為參考位置，以外星輪內(nèi)部凹槽下邊沿信息作為特征位置進行比較，若特征位置處于參考位置下方，則判斷此時外星輪處于“正向”擺放，并發(fā)放“擺放正確”指令0至PLC，工件不需要翻轉(zhuǎn)，繼續(xù)下一個環(huán)節(jié)；反之，判斷此時外星輪處于“反向”擺放，并發(fā)放“擺放錯誤”指令1至PLC，由PLC控制翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進行翻轉(zhuǎn)運動。

3 系統(tǒng)搭建及實驗驗證

星輪基準(zhǔn)面自動識別系統(tǒng)采用FX3GA-24MT-CM PLC為控制單元，PLC的I/O口連接步進電機驅(qū)動器、電磁閥、機器視覺模塊、光電位置開關(guān)、磁性開關(guān)、控制按鍵等外接設(shè)備。該系統(tǒng)有14個輸入，5個輸出，PLC I/O 表如表1所示。

表1 星輪基準(zhǔn)面識別與校正系統(tǒng)PLC I/O分配表

根據(jù)I/O分配表設(shè)計控制系統(tǒng)接線圖并搭建試驗系統(tǒng)，接線圖和系統(tǒng)實物圖如圖5所示。按下啟動按鈕，系統(tǒng)開始工作，光電位置開關(guān)1檢測到星輪將信號發(fā)送至PLC，PLC控制步進驅(qū)動器，滑臺開始運

(a)系統(tǒng)接線圖

(b)實驗系統(tǒng)實物圖

動。工件運動到檢測區(qū)域，光電位置開關(guān)2觸發(fā)將信號發(fā)送至PLC，PLC啟動圖像處理模塊并將處理結(jié)果回傳，若星輪處于“反放”狀態(tài)，則PLC啟動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，通過控制電磁閥1、2和3實現(xiàn)拉升氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸以及夾具的運動控制。磁性開關(guān)1、2、3和4用于保證氣缸各自運動結(jié)束時，將信號傳至PLC，從而執(zhí)行下一步動作。翻轉(zhuǎn)動作完成后，工件繼續(xù)運動，到達滑臺末端時觸發(fā)磁性開關(guān)5，PLC控制傳送機構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、圖像采集與處理模塊進行復(fù)位，磁性開關(guān)6觸發(fā)后，系統(tǒng)關(guān)閉，星輪基準(zhǔn)面識別與校正試驗完成。

星輪檢測與校正裝置系統(tǒng)試驗，首先測試步進電機、直線導(dǎo)軌絲杠滑臺、光電位置開關(guān)、磁性開關(guān)、OpenMV攝像機、視覺光源、拉升氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸是否正常工作，確保各部件工作過程無誤后，按圖1流程測試系統(tǒng)。

現(xiàn)取星輪進行100次實驗，其中，“正放”、“反放”各50次，實驗結(jié)果如表2所示。檢測一個星輪的時間為0.581 s，具有較快的檢測速度與較高的檢測精度，能夠滿足實驗預(yù)期的檢測目標(biāo)。

表2 實驗結(jié)果

由表2可知，該星輪基準(zhǔn)面識別校正系統(tǒng)在50次實驗中，校正準(zhǔn)確率為100%，檢測時間為0.58 s，具有檢測速度快、精度高的優(yōu)點，滿足工程實際的需求。

4 結(jié)語

以O(shè)penMV為視覺采集模塊、FX3GA-24MT-CM PLC為控制單元設(shè)計星輪基準(zhǔn)面自動識別系統(tǒng)。提出結(jié)合邊緣檢測、霍夫變換、和直線擬合等方法，對外星輪基準(zhǔn)面圖像特征進行提取、擬合和檢測的圖像處理方法。通過實驗驗證本文方法識別率達100%，檢測時間0.58 s，滿足實際工程的需要。