視覺檢測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用

摘 要：視覺檢測(cè)技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)視覺研究基礎(chǔ)上的一門新興檢測(cè)技術(shù)，基于視覺傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，效率高，組成簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的在線，非接觸檢測(cè)及監(jiān)控。本文介紹了該技術(shù)在煙草行業(yè)包裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：視覺檢測(cè)技術(shù) ; 視覺傳感器 ; 包裝生產(chǎn)線 ; 模式識(shí)別 ; 煙草行業(yè);

1 引言

　　機(jī)器視覺技術(shù)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支，在近三十年中有迅猛的發(fā)展。由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，易于同設(shè)計(jì)信息及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，機(jī)器視覺系統(tǒng)被廣泛用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。

　　機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺;另外，在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用機(jī)器視覺系統(tǒng)檢查產(chǎn)品質(zhì)量顯然要比人工方式速度快，精度高，而且可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)自動(dòng)化程度。另外，機(jī)器視覺系統(tǒng)便于信息集成，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)。

　　煙草行業(yè)包裝生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度很高，機(jī)器包裝好的煙盒以每分鐘500盒/分鐘的速度經(jīng)傳送帶輸出。目前，絕大多數(shù)生產(chǎn)線還是采用人工篩選包裝不合格的產(chǎn)品。如果用視覺識(shí)別系統(tǒng)取代人工進(jìn)行在線檢測(cè), 不僅可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且將減少次品和提高生產(chǎn)效率。但是，機(jī)器視覺系統(tǒng)也有它的局限性，因此，對(duì)于不同的檢測(cè)對(duì)象要具體分析，采取不同的檢測(cè)方案。

2 視覺檢測(cè)系統(tǒng)分析

　　.1） 基本原理

　　機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)通常采用CCD（Charge Coupled Device）照相機(jī)攝取檢測(cè)圖像，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像特征值，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別，坐標(biāo)計(jì)算，灰度分布圖等多種功能。機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)能夠根據(jù)其檢測(cè)結(jié)果快速地顯示圖象，輸出數(shù)據(jù)，發(fā)布指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以配合其完成位置調(diào)整，好壞篩選，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等自動(dòng)化流程。與人工視覺相比較，機(jī)器視覺的最大優(yōu)點(diǎn)是精確，快速，可靠，以及信息數(shù)字化。

　　機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理、輸出顯示。

　　圖像獲取設(shè)備包括光源、攝像機(jī)等，其中關(guān)鍵部件CCD是由分布于其上的各個(gè)像元的光敏二極管的線性陣列或矩形陣列構(gòu)成，通過順序輸出每個(gè)二極管的電壓脈沖，實(shí)現(xiàn)將圖像光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的目的。輸出的電壓脈沖序列可以直接以RS-170制式輸入標(biāo)準(zhǔn)電視顯示器，或者輸入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，進(jìn)行數(shù)值化處理。CCD是現(xiàn)在最常用的機(jī)器視覺傳感器。

　　圖像處理設(shè)備包括相應(yīng)的軟件和硬件系統(tǒng)。

　　輸出設(shè)備與過程相連，包括監(jiān)視界面，過程控制器和報(bào)警裝置等。攝像數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)和故障圖像的分析和比較，若發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品，則通過NG信號(hào)告警，并由PLC自動(dòng)將其排除出生產(chǎn)線。機(jī)器視覺檢測(cè)的結(jié)果可以作為計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量CAQ （Computer Aided Quality）系統(tǒng)的信息來源，也可以和其它控制系統(tǒng)集成。

　　.2） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　煙盒包裝生產(chǎn)線視覺檢測(cè)系統(tǒng)采用歐姆龍公司的F150視覺傳感器。其主要性能指標(biāo)是，像素為512×480，可以紀(jì)錄16個(gè)不同物件的標(biāo)準(zhǔn)畫面，存儲(chǔ)23個(gè)畫面不合格物件圖像，即可以確定23種不合格的情況，便于在生產(chǎn)中做出比較和回饋。圖像處理采用二值化方法。數(shù)據(jù)及圖像的存儲(chǔ)通過RS232口與PC機(jī)相連。攝影機(jī)和照明裝置為F150-SL20/50型，其中攝影機(jī)部分為1/3寸CCD個(gè)體攝像元件，帶智能照明，脈沖發(fā)光，即頻閃，電子快門有1/100，1/500，1/2000，1/10000秒的多種選擇。檢測(cè)范圍為50mm×50mm，設(shè)定距離16.5mm-26.5mm。

　　視覺檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1[6]所示：

圖中的主要部件功能如下：

　　在系統(tǒng)中起核心作用的是控制器，其基于二值化和灰度理論，可以處理CCD鏡頭以像素為單位轉(zhuǎn)換而來的電信號(hào)，并提供多種測(cè)量模式，輸入輸出和通信手段。控制器通過專用信號(hào)線與攝像機(jī)及智能照明裝置相連，后者內(nèi)含CCD器件，可配合多種標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。特別要說明的是本系統(tǒng)采用智能照明，可進(jìn)行八段光亮設(shè)定，可以穩(wěn)定的攝取適合檢查的圖像。使用者可通過手持書寫器，在顯示器上選擇測(cè)量模式，檢查區(qū)域及設(shè)定檢查條件。最后在控制器中產(chǎn)生特定信號(hào)，由PLC接收，控制電磁閥產(chǎn)生剔除動(dòng)作，完成取像，檢測(cè)，剔除等一整套動(dòng)作。

3 系統(tǒng)仿真

　　針對(duì)視覺檢測(cè)系統(tǒng)中的幾個(gè)重要問題，我們進(jìn)行了專門的研究和仿真。

　　1） 待檢測(cè)物件顏色與照明光源及外光源之間的關(guān)系，是否有特殊的要求?

　　2） 包裝生產(chǎn)線上要求對(duì)香煙盒的外包裝進(jìn)行局部缺陷檢測(cè)，比如：外觀破損，邊緣測(cè)定，印刷位置，封口情況等。一個(gè)攝像頭是否可以同時(shí)檢測(cè)兩到三個(gè)面?

　　3）視覺檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)物件的精度是否可達(dá)到期望的要求?

　　物件圖像的視頻端口外接通用數(shù)碼錄影機(jī)，由USB端口傳入PC機(jī)，再用專用軟件在顯示器展示出來。操作步驟如下：

　　1） 錄標(biāo)準(zhǔn)畫像。將待測(cè)物件放入攝像頭的測(cè)試范圍，并作為標(biāo)準(zhǔn)畫像記錄。記錄時(shí)，要邊看畫像邊根據(jù)菜單進(jìn)行照明及快門設(shè)定。本例中快門速度為10000/s，照明為初始默認(rèn)值。如圖2所示

　　2） 檢查項(xiàng)目和領(lǐng)域設(shè)定。畫面上會(huì)顯示幾種類型的應(yīng)用實(shí)例,選擇其中的某幾項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目。接著設(shè)定檢查領(lǐng)域，進(jìn)行各種形狀的設(shè)定，能設(shè)定最大16個(gè)領(lǐng)域。在本例中，分別進(jìn)行了灰度搜索，邊緣灰度位置，平均密度的設(shè)定。如圖3所示

　　3） 位置修正。檢測(cè)時(shí)，物件的位置不穩(wěn)定時(shí)，需要進(jìn)行位置修正。作為位置修正標(biāo)準(zhǔn)的領(lǐng)域及修正方法可自動(dòng)進(jìn)行設(shè)定。這一點(diǎn)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)線，非常實(shí)用。本例中對(duì)其中的某個(gè)檢查的項(xiàng)目進(jìn)行了位置修正，使之更符合生產(chǎn)實(shí)際。

　　4） 確認(rèn)，檢測(cè)。其中前一幅圖像為合格物件，即OK，如圖4所示。后一副圖像為不合格物件，即NG，如圖5所示。

4 結(jié)論

　　本文介紹了一種應(yīng)用于煙草工業(yè)包裝生產(chǎn)線進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的新型技術(shù)手段，即利用機(jī)器視覺系統(tǒng)方便，快捷，有效地實(shí)現(xiàn)物件檢測(cè)。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，我們注意到特定的光源色對(duì)不同的物件顏色區(qū)分有很大差異，一般要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。比如，采用紅色LED光源的CCD攝像頭時(shí)，它對(duì)紅與黃顏色的區(qū)分就不理想，這種情況下可以采用綠色的光源。除此之外，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)攝像頭最好用燈罩型裝置屏蔽外來雜光源。

　　另外，由于一個(gè)攝像頭檢測(cè)物件的多個(gè)面時(shí)，鏡頭與物件不垂直，而是與物件的兩個(gè)待測(cè)面或三個(gè)待測(cè)面呈一定的角度，因此，需要考慮這種形變帶來的誤差。在生產(chǎn)線上，當(dāng)物件移動(dòng)位置不穩(wěn)定時(shí)，可以用位置補(bǔ)償來修正檢測(cè)范圍。另外，當(dāng)煙盒外包裝需檢測(cè)部位與背景在灰度上近似時(shí)，采用本次仿真實(shí)驗(yàn)選用的攝像頭，對(duì)煙盒開口精度1毫米并不能達(dá)到。

　　對(duì)香煙包裝生產(chǎn)線來說，檢測(cè)系統(tǒng)輔助裝置的設(shè)計(jì)和安裝十分關(guān)鍵，即要在生產(chǎn)線上使煙盒需要檢測(cè)的各個(gè)面都處于傳感器的視覺范圍之內(nèi)，完成全包裝檢測(cè)。

　　本次仿真試驗(yàn)中，采用的是歐姆龍公司中端的F150視覺檢測(cè)系統(tǒng)，而對(duì)于最新推出的F160系統(tǒng)，則可以滿足更高端的指標(biāo)要求，尤其是對(duì)待測(cè)物件從比較型檢測(cè)轉(zhuǎn)變到測(cè)量型檢測(cè)，但同時(shí)成本會(huì)有一定的提高。結(jié)合不同檢測(cè)系統(tǒng)的成本及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，可以比較靈活的采用不同的系統(tǒng)。

　　試驗(yàn)仿真結(jié)果表明，視覺檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)煙草生產(chǎn)線煙盒外包裝的檢測(cè)可以達(dá)到預(yù)期的效果。

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