圖像處理技術(shù)在零件表面破損檢測(cè)中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

表面破損檢測(cè)問(wèn)題的提出

準(zhǔn)確、快速地探測(cè)零件表面缺陷，直接關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量，若不及時(shí)剔除不合格產(chǎn)品，將會(huì)帶來(lái)質(zhì)量隱患。但在以批量生產(chǎn)方式為特徵的汽車、摩托車、內(nèi)燃機(jī)等行業(yè)，識(shí)別和檢測(cè)重要零件關(guān)鍵部位的表面缺陷迄今還是以人工目測(cè)為主。由于考慮到工藝執(zhí)行過(guò)程中的復(fù)雜性(尤其在采用了先進(jìn)的分離大小頭的連桿漲斷工藝后)，還必須提出規(guī)范的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。如，對(duì)連桿大小頭結(jié)合面可能存在的破損，就有如下具體規(guī)定：破口面積小于3mm2；破口任何一方向的線性長(zhǎng)度小于2.5mm。只要符合其中一個(gè)條件，就將判定為不合格而被剔除。

根據(jù)零件的特點(diǎn)，破口可能出現(xiàn)的區(qū)域在結(jié)合面（線）的外側(cè)，其范圍呈“八”字形。在此情況下，依靠人工目測(cè)、估算的方式，不但效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且無(wú)法準(zhǔn)確執(zhí)行上述標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。另一方面，即使采用其它常規(guī)測(cè)量方法，也難以達(dá)到上述目的。

圖像處理技術(shù)用于表面缺陷檢測(cè)的原理

圖像處理技術(shù)又稱“機(jī)器視覺”，乃是將被測(cè)對(duì)象的圖像作為信息的載體，從中提取有用的信息來(lái)達(dá)到測(cè)量的目的。它具有非接觸、高速度、測(cè)量范圍大、獲得的信息豐富等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)CCD（Charge Coupled Device）攝像頭與光學(xué)系統(tǒng)、處理系統(tǒng)的組合，可實(shí)現(xiàn)不同的檢測(cè)要求。對(duì)于上述工件表面缺陷的識(shí)別可采取圖1所示的反射方式。

如圖所示，本系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)方形LED漫反射光源照亮待檢測(cè)的破口區(qū)域，光線照射到對(duì)象表面后，反射到攝像頭內(nèi)的光電耦合CCD組件上轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電量信號(hào)。其中CCD組件可理解為一個(gè)由感光像素組成的點(diǎn)陣，CCD的每一個(gè)像素都一一對(duì)應(yīng)了被測(cè)對(duì)象的二維圖像特徵，即通過(guò)對(duì)“像素點(diǎn)成像結(jié)果”的分析可以間接分析對(duì)象的圖像特徵，比如通過(guò)對(duì)二值化圖像中的成像像素個(gè)數(shù)的計(jì)算，可以得到相應(yīng)對(duì)象的長(zhǎng)度值和面積值。圖像處理系統(tǒng)根據(jù)電量信號(hào)將得到的圖像進(jìn)行二值化處理后，把二值圖像作為對(duì)象進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算分析。

本圖像處理系統(tǒng)在實(shí)際使用中，對(duì)于灰度的二值化閾值和光源的設(shè)定采用比對(duì)的方法實(shí)現(xiàn)。比對(duì)的具體方法：用已知的樣件作為標(biāo)定（比對(duì)）的參照物，把已知的參照物測(cè)量值除以參照物對(duì)應(yīng)的像素值，即可得到像素與實(shí)際值之間的對(duì)應(yīng)比例值。通過(guò)調(diào)整光源亮度以及系統(tǒng)的二值化閾值，對(duì)灰度的二值化閾值進(jìn)行優(yōu)化，保證系統(tǒng)對(duì)對(duì)象邊界具有相對(duì)較高的分辨率，即優(yōu)化后的二值化閾值和光源可以使邊界的變化產(chǎn)生盡量大的像素值變化。

作為一種新穎而又實(shí)用的傳感技術(shù)，圖像檢測(cè)單元近年已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，一些知名的廠商，如日本的松下公司、德國(guó)的西門子公司等都推出了品種規(guī)格齊全的系列化產(chǎn)品，包括光源、攝像頭、圖像處理器等，這對(duì)圖像檢測(cè)技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了很有利的條件。與此同時(shí)，所頒布的相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不但規(guī)范了生產(chǎn)，而且為用戶在不同情形下選用合適的檢測(cè)單元及更快、更好地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特徵（工件、被測(cè)部位），參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將能方便地選取合適的圖像檢測(cè)單元。以連桿為例，由于結(jié)合面的破口缺損面積不可能大于15×15 m m2，故從相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中取“視野”為20×21.4 m m2這一檔較合適。而相對(duì)每一檔的視野和景深，用戶又可選擇不同焦距的攝像機(jī)，如8、16、25和50等多種型號(hào)，每一種焦距又對(duì)應(yīng)表徵透鏡至被測(cè)表面距離al和表徵透鏡至CCD感光面距離ba等兩項(xiàng)參數(shù)。根據(jù)被測(cè)工件的情形，選焦距f=25mm的攝像頭，此時(shí)上述兩項(xiàng)參數(shù)分別為137mm和9mm。本例采用的是松下公司的小型圖像檢測(cè)單元，其中的核心部件CCD感光片的像素為512×480，在視野確定的情形下，據(jù)此就能求出所選檢測(cè)單元的測(cè)量分辨率：

X向分辨率：
21.4/512=0.0417mm

Y向分辨率：
20.0/480=0.0417mm

面積分辨率：
0.0417×0.0417=0.00174mm2

圖1所示的反射型圖像測(cè)量，光源有組合在攝像頭之中和分體布置等兩種形式，而光源自身又有熒光燈、鹵素?zé)?、激光和LED光源等多種。根據(jù)本例的具體情況，采用了分體布置的LED光源方案，這種型式易于調(diào)整。

圖1 反射型圖像測(cè)量原理

專用檢測(cè)設(shè)備的組成、設(shè)計(jì)特點(diǎn)和運(yùn)行過(guò)程

系統(tǒng)的組成

測(cè)量系統(tǒng)方案的形成，一方面根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，如前所述，結(jié)合面上的破口缺損分布范圍呈“八”字形，這表明為完成一次檢查，需通過(guò)三個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量；另一方面，工藝、生產(chǎn)部門又提出實(shí)行全數(shù)檢驗(yàn)的要求。因此，決定采用半自動(dòng)方案，即除工件裝卸為人工外，整個(gè)測(cè)量過(guò)程均為自動(dòng)，以適應(yīng)較快的工作節(jié)奏。

圖2a

圖2b

圖2a，測(cè)量系統(tǒng)主要由攝像頭、LED光源、圖像處理單元、可編程控制器（PLC）、顯示器和機(jī)械部分等組成，其中，攝像頭用于取像；LED光源提供穩(wěn)定的、長(zhǎng)效的光源，保證取像質(zhì)量；可編程控制器（PLC）對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的功能執(zhí)行予以控制；圖像處理單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，并提供信號(hào)輸出；顯示器顯示取像情況和數(shù)據(jù)分析結(jié)果；機(jī)械部分支承和實(shí)施測(cè)量過(guò)程中的動(dòng)作。

測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程和特點(diǎn)

檢測(cè)裝置為一臺(tái)式儀器，結(jié)構(gòu)很緊湊。從圖3的兩個(gè)示意圖可看出，攝像頭3固定在擺臂4的一端，其另一端通過(guò)樞軸支承在支架7上。安裝在機(jī)架9一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)5，借助同步齒形帶6和樞軸上的同步輪可帶動(dòng)擺臂4回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍為±150，由布置在機(jī)架兩側(cè)的二個(gè)接近傳感器8輔助定位。另外一對(duì)光電傳感器安放在工件1的入口處兩側(cè)，用于確保實(shí)施測(cè)量前工件在夾具上的準(zhǔn)確定位，并接通光源。

圖3 專用檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

連桿結(jié)合面破口缺損的測(cè)量實(shí)例

攝像頭，即擺臂的原始狀態(tài)在偏右的位置（在圖2b中的A）。在擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，攝像頭順序從右、中、左三個(gè)夾角互為150的位置，即A-B-C處分別采樣。同時(shí)，圖2a框圖中的圖像處理單元通過(guò)RS232接口，把攝像頭在每個(gè)位置連續(xù)三次采樣的數(shù)值結(jié)果，傳輸?shù)娇删幊炭刂破鱌LC進(jìn)行比較。如果上述連續(xù)三次的測(cè)得結(jié)果都相同，則這個(gè)數(shù)值被確認(rèn)為可靠值，隨后就存入PLC的堆棧，用于最終對(duì)三個(gè)方位檢測(cè)結(jié)果比較，并找出其中的最大值。

如果攝像頭在每個(gè)位置連續(xù)三次的檢測(cè)結(jié)果不相同，則需再執(zhí)行一回連續(xù)三次的采樣，并對(duì)結(jié)果做比較。若反復(fù)五個(gè)循環(huán)（15次采樣）都無(wú)法得到可靠值，則整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位，擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶其上所裝的攝像頭又回到右邊的初始位置。與此同時(shí)，裝置發(fā)出“系統(tǒng)故障”的信號(hào)。

作為一種表面缺陷測(cè)量，上述檢測(cè)系統(tǒng)具有圖像的直觀顯示與測(cè)量結(jié)果的分析判斷相結(jié)合的特點(diǎn)。對(duì)于連桿結(jié)合面破口缺損的面積檢測(cè)，通過(guò)圖像處理中的優(yōu)化算法將破口影像獨(dú)立出來(lái)，其中破口缺損部分的影像二值化為黑色，其它部分的影像為白色。然后，通過(guò)對(duì)黑色像素點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算和單位轉(zhuǎn)換，就能得到破口缺損部分的面積大小，進(jìn)而作出合格與否的判斷。至于對(duì)破口最大線性長(zhǎng)度的檢測(cè)，乃是利用“邊界掃描法”通過(guò)沿X方向和Y方向的掃描，找到破口的邊界，然后根據(jù)對(duì)兩組平行線所圍成的矩形、即包絡(luò)破口邊界的那個(gè)矩形的對(duì)角線的計(jì)算，來(lái)確定破口缺損部分的最大線性長(zhǎng)度。

每完成一次檢測(cè)，在顯示器上將呈現(xiàn)的測(cè)量結(jié)果包括：面積CA01、X方向長(zhǎng)度CA02、Y方向長(zhǎng)度CA03和最大線性長(zhǎng)度CA04等4項(xiàng)。然后，根據(jù)事先設(shè)定的評(píng)定指標(biāo)，對(duì)結(jié)合面破口缺損的狀態(tài)作出判斷。為方便操作人員在批量生產(chǎn)條件下的使用，機(jī)體正面的上部有綠色（合格）指示燈或紅色（不合格）指示燈，以更簡(jiǎn)捷的方式表明被檢工件的狀態(tài)。