基于機器視覺的流控元件氣密性檢測設備的研發*

施 敏，鄒建華，盧偉健，伍建樺

（廣東順德西安交通大學研究院，廣東 佛山 528000）

0 引言

流控元件是各類成套裝置中的重要組成部分，主要用于工藝管道介質（物料、水、蒸汽、空氣和油品等）的切斷、節流、調壓和改變流向等［1］。其質量的優劣直接影響這些裝置的正常生產、安全運轉和環境污染。元件出廠前必須通過氣密性實驗。流控元件氣密性的試驗是指對元件施加工作壓力以上的壓力介質，其允許介質泄漏的極限量。

國內外專利文獻中閥門的壓力檢漏方法主要有氣泡法、皂泡法、特殊示蹤物質法、水壓法、超聲波法、氦氣檢測法、壓降法、閥門內漏溫度法［2］。其中最有效的是氦氣檢測法，檢測準確率高，但是價格昂貴，最常用且成本最低的方法是氣泡法。然而傳統的氣泡法檢查一般依賴人眼，但長時間的目視，不但對工人是嚴重的負擔且容易出錯，更重要的是人工成本高，效率低。隨著勞動力成本不可逆轉地大幅度提高，所有的公司都面臨著用工成本不斷攀升的境況［3］。另一方面由于檢測元件外形不規則、元件漏點位置隨機無規律、形成氣泡最小直徑低于0.1 mm等客觀條件，檢測人員很難及時發現氣泡，造成誤檢，識別精度很難達到預期。目前流控元件制造廠中還沒有可靠穩定運行的視覺檢測設備，因此采用信息化、自動化、智能化手段推動裝備制造業的升級改造十分必要。

在此背景下，針對流控元件氣密性的問題，本文繼承了工業現場傳統氣泡法的測試思路，將傳統的檢測設備進行升級改造，引進機器視覺代替人眼檢測，基于C＃、OpenCV設計出專用的自動化檢測設備。

1 設計要求及思路

1.1 總體設計要求及遵循原則

總體設計要求及遵循原則如下：（1）系統設計目標是針對多個元件同時檢測，上下料機構應便于以人工操作的方式完成待測元件的上下料動作，提升整體檢測效率［4］；（2）流控元件良品標準是在4.15 MPa氣壓下1 min內無氣體泄漏，檢測氣動管路設計標準應高于此檢測要求；（3）圖像采集系統包括面陣相機、圖像采集卡、工業控制計算機，設計相機安裝、校準的標準化流程，便于規模應用；（4）檢測系統運轉過程中將產生大量缺陷數據，以圖片形式存儲在磁盤系統中，為了獲得高速寫入及查詢缺陷數據，系統配套獨立數據存儲單元，便于生產管理及業務回溯［5］；（5）系統強電、弱電總控臺是集走線、報警顯示、生產狀態監控于一體的用戶操控界面；（6）聯動報警機構在出現不良品的狀態下以聲光報警的形式提示用戶進行人工干預。

1.2 設計思路

本設備選取流控元件中某款空調用截止閥及管路件產品為檢測對象，結合工業相機以及計算機數據處理手段，實現流控元件氣密性自動檢測設備的設計。其工作流程如圖1 所示，利用氣缸將待測元件完全浸入水中，并充入規定壓力的空氣，如果流控元件氣密性不合格，元件內的空氣將產生泄漏，會在水中產生氣泡，通過提取水中是否產生由下至上運動的氣泡這一信息，達到檢測元件氣密性的目的［6］。連續圖像抓取獲得氣泡上升過程中形態實時變化情況，如果場景內沒有運動目標，則相片連續幀的變化很微弱，如果存在運動目標，則連續的幀與幀之間會有明顯的變化，當采集到氣泡向上運動的時候，相鄰幀之間在灰度上會有差別，求取兩幀圖像灰度差的絕對值，則靜止的物體在差值圖像上表現出來全是0，而氣泡的輪廓處由于存在灰度變化為非0，當絕對值超過一定閾值時，即可判斷為運動目標，從而實現氣泡的檢測功能［7］。系統采用多工位同時檢測，保證了檢測的高效率；檢測數據采用計算機來處理，加快了數據的處理速度，為檢測結果的后續處理提供了可靠依據。

圖1 流控元件氣密性視覺檢測設備工作流程

2 機械結構設計

流控元件氣密性視覺檢測系統機械結構包括多工位上下料結構、高壓及低壓氣源控制系統、電控進排水系統等，主要由氣缸、氣泵（或接入其他氣源）、鋁型材機架、元件夾具、透明水池以及反光鏡、光源、攝像頭等幾部分組成［8］，其機械結構如圖2 所示，該系統的樣機實物如圖3 所示。其設計特點如下：（1）為盡可能提升檢測效率，流控元件檢測工位設計14 個工位，配置雙攝像頭采集圖像，檢測速度為14 個／min；（2）檢測元件和攝像頭位置采用上下錯層擺放，節約空間的同時，盡可能排除雜物對成像的干擾［9］，攝像頭可通過云臺底座360°調節，反光鏡也可以通過旋鈕支架進行0°～90°調節，做到成像最優；（3）透明水池采用10 mm 透明亞克力，配上電磁閥、進出水管實現電控進排水功能；（4）參考被測元件的尺寸和質量要求，升降氣缸選用單活塞桿、活塞雙向作用，可調緩沖氣缸，活塞運動速度范圍為50 ～800 mm／s，缸內徑為50 mm，行程范圍為0 ～300 mm，工作壓力為0.15 ～1 MPa，理論作用力推力為785 N，拉力為705 N；（5）根據被測元件要求選用氣泵或合適的氣源。本設備中流控元件承壓要求為4.15 MPa，60 s內無泄漏，氣缸氣源為0.5 MPa。

圖2 流控元件氣密性視覺檢測設備機械結構示意圖

圖3 流控元件氣密性視覺檢測設備樣機實物

3 檢測系統設計

流控元件氣密性視覺檢測設備視覺檢測系統由硬件和軟件部分組成。硬件包含光源、工業相機、工控機等；軟件包含控制系統、圖像處理系統和顯示輸出部分等組成。

3.1 工業相機及光源

結合工廠生產要求及現場場地條件要求，單個相機需在0.5 m距離內拍攝到至少7 個檢測元件且能拍到直徑約為0.1 mm 氣泡。綜合考慮選用面陣相機，型號：OPT-CM200-GM-04，分辨率1624 pixel ×1240 pixel，芯片類型CMOS幀曝光，快門曝光時間：26 μs ～1 s，像元尺寸4.8 μm×4.8 μm；經過反復實驗，當光源設置在水中時，圖像成像效果最佳，因此選用24 V防護等級IPX3的光源，放置在水槽底部，前后各1 個，可通過數字控制器調節亮度［10］。

3.2 檢測系統

本設備的視覺檢測系統是基于C＃軟件的控制界面設計［11］，流控元件氣密性視覺檢測系統主界面如圖4 所示。14個待檢元件及壓力表狀態在主界面實時顯示，當系統檢測到有泄漏氣泡，檢測結果直接在主界面上輸出，對應元件下的指示燈會變為紅色，同時后臺會自動保存氣泡照片至氣泡特征庫［12］，工作人員單擊查看記錄可以查詢照片存檔，并標記不良品泄漏位置方便后續返修。

圖4 檢流測控系元統件主氣界密面性視覺

3.3 圖像處理系統

流控元件氣密性視覺檢測設備的工作環境較復雜，水中自身所含氣體、被測件出水、入水過程夾帶的氣體都會形成氣泡，所以必須對圖像進行預處理，以抑制圖像中的噪聲。高斯濾波是一種線性平滑濾波［13］，適用于消除高斯噪聲，廣泛應用于圖像處理的減噪過程。通俗地講，高斯濾波就是對整幅圖像進行加權平均的過程，每一個像素點的值，都由其本身和鄰域內的其他像素值經過加權平均后得到。圖像預處理后再通過兩幀差分法判別氣泡［14］，其原理如圖5 所示。如果水中沒有氣泡，則連續幀的變化很微弱，如果出現氣泡，則連續的幀和幀之間會有明顯的變化。由于水中的氣泡在運動，氣泡在不同圖像幀中的位置不同。該類算法對時間上連續的兩幀圖像進行差分運算，不同幀對應的像素點相減，判斷灰度差的絕對值，當絕對值超過一定閾值時，即可判斷為運動目標，從而實現氣泡的視覺檢測功能［15］。

圖5 兩幀差分法原理示意圖

相機及圖像預處理主要參數設置界面如圖6 所示。用戶可切換相機1 和相機2；可設置曝光時間；可根據被檢測元件的大小自定義檢測區域范圍即圖中矩形方框；可設置圖像預處理二值化類型、閾值等重要參數［10］。

圖6 相機及圖像預處理主要參數設置界面

4 測試驗證與結果分析

利用上述設備在流控元件生產廠車間進行實驗驗證，檢測過程捕捉到的部分流控元件泄漏產生的氣泡圖像如圖7 所示。可以看出，氣泡在形態上無規律有大有小、形狀各不相同，氣泡出現位置隨機無規律，最小直徑低于0.1 mm，這些都給檢測增加了難度。但也發現氣泡的一些規律，它在圖像中呈白色透明狀態，由下至上運動，當出現缺焊漏焊往往會出現比較大的泄漏，形成連續的氣泡，圖像會呈現出線狀或者塊狀，當出現密封不嚴或者焊接夾渣，會產生微小泄漏，間隔數十秒產生一個氣泡，離散的氣泡呈現獨立的點狀。從采集的圖像上看，通過高斯濾波過濾后的圖像有效去除了噪聲的干擾，人眼很難觀察到的氣泡也能被捕捉到。實驗結果表明本機器視覺檢測方法有效，機器視覺可以檢測出人眼忽略的氣泡，準確性也得到了有效提升，另外14個元件同時檢測，效率上也有明顯的提升。事實證明，通過機器視覺代替傳統人眼檢測的方法可行。目前該設備已在工業現場運行一段時間，機器還存在很多優化的空間，氣泡本身存在很多不確定性，后續需要通過大量測試實驗獲得更多的氣泡數據樣本，來提高算法的準確性，同時也需考慮擴展更多工位同時檢測，進一步提高設備檢測效率。

圖7 流控元件泄漏產生的氣泡圖像

5 結束語

流控元件氣密性視覺檢測設備的研發基于傳統流控元件氣密性檢測方法，將被測元件置于水中，充入一定壓力的空氣介質后觀察被測件周圍是否產生氣泡，以此作為是否泄漏的標準的測試思路。不僅在結構設計上創新升級，兼容14 個元件同時檢測，還將傳統機械和機器視覺技術相融合，代替人眼檢測，解決了檢測結果受檢測人員主觀因素影響，同時還提高了檢測效率，檢測結果的可靠性也得到有效的保證［16］。該系統主要有以下幾個特點：（1）設備繼承傳統檢測方法，融入視覺檢測技術，操作界面簡潔，使用更貼近工人。（2）14 工位同時檢測的結構設計，提高了檢測效率。（3）運用高斯濾波、邊緣檢測、二值化等圖像算法，大大降低了噪聲干擾，保證檢測結果的準確性。（4）數據儲存功能可方便工作人員標記出被測件的泄漏位置，便于返修。（5）傳統設備改造升級，提高企業自動化水平。