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

表面破損檢測問題的提出

準(zhǔn)確、快速地探測零件表面缺陷，直接關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量，若不及時剔除不合格產(chǎn)品，將會帶來質(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)燃機等行業(yè)，識別和檢測重要零件關(guān)鍵部位的表面缺陷迄今還是以人工目測為主。由于考慮到工藝執(zhí)行過程中的復(fù)雜性(尤其在采用了先進的分離大小頭的連桿漲斷工藝后)，還必須提出規(guī)范的評定標(biāo)準(zhǔn)。如，對連桿大小頭結(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度小于2.5mm。只要符合其中一個條件，就將判定為不合格而被剔除。

根據(jù)零件的特點，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、估算的方式，不但效率低，勞動強度大，且無法準(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)測量方法，也難以達到上述目的。

圖像處理技術(shù)用于表面缺陷檢測的原理

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

如圖所示，本系統(tǒng)通過一個方形LED漫反射光源照亮待檢測的破口區(qū)域，光線照射到對象表面后，反射到攝像頭內(nèi)的光電耦合CCD組件上轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電量信號。其中CCD組件可理解為一個由感光像素組成的點陣，CCD的每一個像素都一一對應(yīng)了被測對象的二維圖像特徵，即通過對“像素點成像結(jié)果”的分析可以間接分析對象的圖像特徵，比如通過對二值化圖像中的成像像素個數(shù)的計算，可以得到相應(yīng)對象的長度值和面積值。圖像處理系統(tǒng)根據(jù)電量信號將得到的圖像進行二值化處理后，把二值圖像作為對象進行進一步的計算分析。

本圖像處理系統(tǒng)在實際使用中，對于灰度的二值化閾值和光源的設(shè)定采用比對的方法實現(xiàn)。比對的具體方法：用已知的樣件作為標(biāo)定（比對）的參照物，把已知的參照物測量值除以參照物對應(yīng)的像素值，即可得到像素與實際值之間的對應(yīng)比例值。通過調(diào)整光源亮度以及系統(tǒng)的二值化閾值，對灰度的二值化閾值進行優(yōu)化，保證系統(tǒng)對對象邊界具有相對較高的分辨率，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用的傳感技術(shù)，圖像檢測單元近年已實現(xiàn)產(chǎn)品化，一些知名的廠商，如日本的松下公司、德國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，這對圖像檢測技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了很有利的條件。與此同時，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單元及更快、更好地進行系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。

根據(jù)被測對象的特徵（工件、被測部位），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。而相對每一檔的視野和景深，用戶又可選擇不同焦距的攝像機，如8、16、25和50等多種型號，每一種焦距又對應(yīng)表徵透鏡至被測表面距離al和表徵透鏡至CCD感光面距離ba等兩項參數(shù)。根據(jù)被測工件的情形，選焦距f=25mm的攝像頭，此時上述兩項參數(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單元的測量分辨率：

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)簟⒓す夂蚅ED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 反射型圖像測量原理

專用檢測設(shè)備的組成、設(shè)計特點和運行過程

系統(tǒng)的組成

測量系統(tǒng)方案的形成，一方面根據(jù)被測對象的特點，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，需通過三個方向進行測量；另一方面，工藝、生產(chǎn)部門又提出實行全數(shù)檢驗的要求。因此，決定采用半自動方案，即除工件裝卸為人工外，整個測量過程均為自動，以適應(yīng)較快的工作節(jié)奏。

圖2a

圖2b

圖2a，測量系統(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、長效的光源，保證取像質(zhì)量；可編程控制器（PLC）對測量系統(tǒng)的功能執(zhí)行予以控制；圖像處理單元對數(shù)據(jù)進行處理、分析，并提供信號輸出；顯示器顯示取像情況和數(shù)據(jù)分析結(jié)果；機械部分支承和實施測量過程中的動作。

測量系統(tǒng)的運行過程和特點

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

圖3 專用檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

連桿結(jié)合面破口缺損的測量實例

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)動機構(gòu)的帶動下，攝像頭順序從右、中、左三個夾角互為150的位置，即A-B-C處分別采樣。同時，圖2a框圖中的圖像處理單元通過RS232接口，把攝像頭在每個位置連續(xù)三次采樣的數(shù)值結(jié)果，傳輸?shù)娇删幊炭刂破鱌LC進行比較。如果上述連續(xù)三次的測得結(jié)果都相同，則這個數(shù)值被確認(rèn)為可靠值，隨后就存入PLC的堆棧，用于最終對三個方位檢測結(jié)果比較，并找出其中的最大值。

如果攝像頭在每個位置連續(xù)三次的檢測結(jié)果不相同，則需再執(zhí)行一回連續(xù)三次的采樣，并對結(jié)果做比較。若反復(fù)五個循環(huán)（15次采樣）都無法得到可靠值，則整個檢測系統(tǒng)將自動進行復(fù)位，擺臂驅(qū)動機構(gòu)帶其上所裝的攝像頭又回到右邊的初始位置。與此同時，裝置發(fā)出“系統(tǒng)故障”的信號。

作為一種表面缺陷測量，上述檢測系統(tǒng)具有圖像的直觀顯示與測量結(jié)果的分析判斷相結(jié)合的特點。對于連桿結(jié)合面破口缺損的面積檢測，通過圖像處理中的優(yōu)化算法將破口影像獨立出來，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，通過對黑色像素點的統(tǒng)計計算和單位轉(zhuǎn)換，就能得到破口缺損部分的面積大小，進而作出合格與否的判斷。至于對破口最大線性長度的檢測，乃是利用“邊界掃描法”通過沿X方向和Y方向的掃描，找到破口的邊界，然后根據(jù)對兩組平行線所圍成的矩形、即包絡(luò)破口邊界的那個矩形的對角線的計算，來確定破口缺損部分的最大線性長度。

每完成一次檢測，在顯示器上將呈現(xiàn)的測量結(jié)果包括：面積CA01、X方向長度CA02、Y方向長度CA03和最大線性長度CA04等4項。然后，根據(jù)事先設(shè)定的評定指標(biāo)，對結(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，以更簡捷的方式表明被檢工件的狀態(tài)。