（控制理论与控制工程专业论文）基于机器视觉的晶振外壳缺陷在线抽检系统的研究.pdf

浙江童业大学硕士学位论文 基千机器视觉的晶振外壳缺陷在线抽检系统的研究 摘要 机器视觉技术以其速度快、精度高的特点被广泛应用于机械加 工、包装、电子等各个行鼗。本论文针对晶振外轰缺陷酶在线擒检系 统，结合机器视觉技术开展研究工作，开发了套基于机器视觉技术 的晶振夕 壳缺陷的在线抽裣系统。该系统良光学、机械、电子、图像 处理为基础，结合备种辅助器件协调工作，可与晶振外壳全自动冲雁 机床配合，对冲篷出的晶振外壳进行夜线擒检，根据晶羰外壳的表面 品质，间接判断冲压模具磨损状态，溺模具出现严重磨损状况时，可 及时控制冲压机床停车，以防止出现大量废品。 本论文的主要研究工作包括： 1 、设计了一套检测晶振外壳缺骗的装置，该装置的设计内容主 要包括三个方瑶：( 1 ) 采集设备的选撵( 工业像枧、图像采集卡等) ； ( 2 ) 光源类型和照明方式的设计；( 3 ) 机械装置的设计。 2 、设计了晶振外壳缺陷在线擒检测系统的控制部分，这部分完 成的功能主要有控制运动、把外围状态传送给主机、接收主机检测结 采并控裁执行杌梅戆动终。 3 、阐述了数字图像处理技术，并结合本系统所采集的图像特点， 磅究了菇菝努壳缺陷检测( 颈西和肉底瑟) 的蚕像处理流稷。 浙江置业大学硕士学位论文 4 、刹爰v c + + 开发了一襄鑫振豁麦缺隆检测鹣软磐。该软锌憨整 体规划采用模块化的思想，把整个软件根据功能分为：主程序模块、 图豫采集模块、甏像筵瑾模块寒逶讯模块。 5 、在晶振外壳缺陷在线抽检系统样机上实施了一系列实验，并 对实验数据送行了蕤理与分辛厅。最爱，讨论了照翳方式、光源强弱、 目标移动等因素对系统检测效果的影响。 关键词：机器视觉，在线抽检，晶振外壳，图像处理，自动控制 i l 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h eo n l i n ed e t e c t i o ns y s t e m o fs 嚣e l 羚嚣f e c 譬so fc 致v s 零a 毛s c l 毛纛a 至o r b a s e do nm a c l i i n ev i s i o n a b s t r a c t m a c h i n ev i s i o nt e c h n i q u ei su s e dt om a c h i n i n g ；p a c k a g i n g ，e l e c t r o n a n do t h e rf i e l d sc h a r a c t e r i z e db yh i 吐s p e e da n dh i 曲a c c u r a c y 。i nt h i s t h e s i s ，t h eo n - l i n ed e t e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nm a c h i n ev i s i o n s y s t e mr e l a t e st oo p t i c s ，m e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c sa n di m a g ep r o c e s s i n g i t c a nd e t e c tt h ed e f e c t i v es h e l lo fc r y s t a lo s c i l l a t o rw i mo t h e ra u x i l i a r y e q u i p m e n t s 。t h e s i sm a i n l ya i m s a tr e s e a r c ho nf o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 、a na p p a r a t u sf o rs h e l lo fc r y s t a lo s c i l l a t o rd e t e c t i o ni sd e s i g n e d t h ea p p a r a t u si n c l u d et h r e ep a r t s ，f i r s t ，a c q u i s i t i o ne q u i p m e n ts e l e c t i o n ( i n d u s t r yc a m e r a ，i m a g ea c q u i s i t i o n c a r da n ds oo n ) ；s e c o n d ， i l l u m i n a t i o na p p a r a t u si sd e s i g n e d ；t h i r d ，f i x a t i o nm a c h i n ei sd e s i g n e d 。 2 、c o n t r o l a p p a r a t u si sd e s i g n e d f u n c t i o no fc o n t r o ls y s t e m i n c l u d e sc o n t r o l l i n gm o v e m e n t ，c o m m u n i c a t i n gw i t h h o s ta n ds e n do u t e r 1 1 1 浙江置业大学硕士举位论文 s t a t et ot h eh o s ta n d c o n t r o l l i n go p e r a t o r 。 3 、t e c h n i q u e s o fd i g i t a l i m a g ep r o c e s s a r e i n t r o d u c e d ，a n d c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi m a g e sa c q u i r e db yt h es y s t e m ，p u t s f o r w a r dt h ep r o c e d u r eo fi m a g ep r o c e s so fd e t e c t i n gs h e l lo fc r y s t a l o s c i l l a t o r 。 4 、s h e l lo fc r y s t a lo s c i l l a t o rd e t e c t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e dw i t h v c + + t h es o f t w a r ei sl a y o u ta c c o r d i n gt om o d u l et h i n k i n g s o f t w a r e t h n c t i o ni n c l u d em a i n m o d u l e ，i m a g ea c q u i r i n gm o d u l e ，i m a g e p r o c e s s i n gm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e 5 、m a n ye x p e r i m e n t sa r ed o n eo nt h eo n - l i n ed e t e c t i o ns y s t e m ，d a t a o ft h ee x p e r i m e n t si sa n a l y z e d f i n a l l yd i s c u s st h ec r i t i c a le f f e c ta s p e c t s o f m a c h i n e - v i s i o ns y s t e m ，s u c ha si l l u m i n a t i o n ，l i g h tb r i g h t n e s s ，o b j e c t m o v e m e n ta n ds oo n k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ，s h e l lo f c r y s t a lo s c i l l a t o r ， o n - l i n ed e t e c t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，a u t o - c o n t r o l 1 v 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑蓬声明：所掇变的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果，也不含为获得浙泷工业太学或箕它教育机橱的学位证书衙使用过韵材料。 对本文的研究做出重要擞献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法簿责任。 作者签名：蔼a日藏舭僻s 月增目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校裔荚保留、使耀学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大 学霹班将零攀经论文懿众帮或露努蠹容编入毒关数据痒迸 亍捻索，可 冀采用影驽l 、缩印竣喜薯 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 奉学经论文藩手 1 、保密d ，在年解密席适用本授权书。 2 、不保密白 ( 请在鞋上提巍方疆内努“4 ”) 作者签名 导师签名： 伊吁3 日删年占月据日 汁峭慨p 一月兹鼙 浙江工_ 业大学硕士学位论文 1 1 本论文的研究背景 第一章绪论 晶髂强荡器( c r y s t a lo s c i l l a t o r ，螽文篱称为晶振) 其露频率稳定发高、钵积小、 精度高的优点，广泛应用于各种模拟和数字电路中作为熬准时钟源，其品质的好 坏直接影响到硬件电路系统能否按照特定要求正常工作，丽晶振外巍的冲压品质 努登在一定程度上影桶箍强豹覆鬟。 晶振外瘫采用冲床连续冲压成形，冲床工作过程为自动上料，自动冲压的众 自动过程，可在无人管理情况下造续工作数小时。晶振外壳的冲压黯质主要由冲 瓣瀵吴寒搽涯，若狰嚣模其损坏，在无久整横情况下，洚瘴绥连续律潼，翊将造 成大量废品。为此需要在冲压生产线上配置个晶振外巍品质自动抽检系统，豳 于该系统主隳是通过抽梭外壳来间接判断模熬的状况，工作频率不需很高，做剁 数分镑撞梭次，发瑗再零弱控露捧痣箨盘z 箨。 瞄1 。1 晶振雒蠢 在现代制造业中，如汽车零部件生产流水线、药品擞产流水线等来说，也存 在类似的赡题。传统意义上的许多检测技术融不能满足现代制造业豹要求，嚣爨 磅究薪豹产晶检测按术。在己经黟f 究的多静技术中，机器视觉检测艘术具有速发 快、精度商、自动化稷度高等优点，z 日, e h 很z 好的满足现代制造业的需求，在实际中 晟示出广阉的应用前景。相对于传统检测技术，机器视徽技术在检测领域中的主 器有班下凡个突出优点：( 1 ) 检浏速度抉；( 2 ) 精度高；( 3 ) 菲接触；( 4 ) 抗干挠黯 力强；( 5 ) 宓时性好。 由于晶搌外壳生产速度极快，晨又是大批霪生产，因此，基予枧爨视觉黪瀑 摄乡 壳缺陷在线抽捡系统难班实瑷每个产品豹缺陷检测。基于机器橇觉的晶弦外 浙江工业大学硕士学位论文 蠢缺陷在线抽检系统，是在晶振外壳生产流水线上的抽样检测系统。奉系统把鼹 缀舞壳的袋样定位机构、图像处瑗软件与获陷检溺祝稳镑调组合奁一起，将整个 检测装置设计成实时采样调整和自动化图像采集系统。根据晶振外壳生产线的嫩 产速度，可以适当调整产品的采梯机构以改变采样周期，同时相应调整图像采袋 装置熬采集速度瑷及矮期鹜像处璇速度。由予对产品震豢要求酌不闲，瓤两孳| 超 产品缺陷的检测标准不同，可以捅应调整软件检测功能中产品缺陷的定义范围， 以达到各种不同的质量疆求。本论文研究的系统，与产赫的自动化流水线加工设 备配套，将及霹发臻产磊缺结驭搿最大限度减少经济损失，著使整个系统实瑰麓 度自动化。此类系统也可作为微小型电子元器件或其他微型冲压产鼎的生产流水 线的配套设餐以提高产品整体的技术水平和竞争力，它还可直接作为一种高技术 耱鑫裁懿二薪产品，在激烈靛市场竞争率获褥黛存懿空间。 基于机器视觉技术所具有的诸多优点，本课题采用机器视觉技术窦现晶振外 壳的检测。 1 2 机器视觉技术及其发展现状 1 2 1 枧嚣援觉的摄念 随着现代工业技术的飞速发展以及自动化程度的持续提高，工她生产中不断 涉及到各秘器样的检查、测量和零 睾识男4 任务，例如，魄予装配线鲍元俘叁动愆 经、饮料瓶蘸的印刷虞警检查、汽车零配件尺寸检查等。目前，这种需要高度智 能的工作一般仍是大量依靠人工完成，经常可以在一些现代化流水线的后面看到 数以百计的梭测工人农进行产品梭测工作。入王检测一方嚣绘工厂壤翔巨大的入 工成本和管理成本，另一方恧由予入的主瓣认知差异，仍不能保证检验结果的统 一和正确。某些场合，如微小尺寸的精确快邈测量，形状匹配，颜色辨识等，用 人眼则根本无法进行遴续稳定地谈剐，其它物理量传感器也难有用戴之建，这啦， 入们开始考虑把诗算梳的抉速往、可靠往、缩采豹可重复佳与入类褫觉的高度错 熊化和抽象能力相结合，从而产生了机器视觉的概念l l 】。 机器视激是一门研究应用计算枧模拟生物宏观视觉功戆的科学萃曩技术，邋俗 熄说，就楚瘸祝器代替入疆来辙测曩和判辑。机器视觉的特点是自动化、客聪、 非接触和高精度，与般意义上的图像处理系统相比，机器视觉强调的是精度和 速度，以及正业现场环境下的可嚣性。 1 2 2 机器视觉的特点 机器视觉是一项综台技术，其中包括数字图像处理、机械工程、自动控制、 2 浙江工业大学硕士学位论文 电光源照明、光学成像、传感器、模拟与数譬视频，计算枧软硬 牛，人枫接口露。 这些技术农枫器视觉中是并弼关系，稳互协调应用才能拘成一个成功的杌器禚觉 应用系统。有不少学科的研究目标与机器视擞相近或者相关，这些学科中包括图 像处理、模式识剐或强像识戳、燃像理解等。由手历史发展或领域零身的特点， 这些学科蠢某种程度豹籀互重叠。但是，瓤器视觉与其镌学科又有麓一定的嚣掰， 其特点是： ( 1 ) 实用性 撬器褫觉能够逶波工韭生产巾恶劣静环境，有合理鹣性能价格院，有逶髑的 工业接口，能够由普通工人来操作，有较高的容错能力，有较高的焱全性，不会 破坏工业产品，荠且菊较强的通用性和可移檬性。 ( 2 ) 综合性 机器视觉是一项综合技术，包括机械工程技术、自动控制技术、数字图像处 理技术、计算机软硬件技术等，这些技术相强协调才能构成完整的机器视觉系统。 ( 3 ) 实辩往 机器视觉要求高速度和高精度，能够在擞产流水线上实时检测产品，并及时 将检测结果反馈到生产设备，从丽控制产品的进程和质嫩，减少不必要的损失。 ( 4 ) 灵溪住 视觉系统能够进行各种不同的测量，当需要改变生产过程时，对机器视激来 说“工具曼换”仅仅怒软件的变换丽不是更抉昂贵的硬件。当生产线重组后，机 嚣撬觉系统只幕透露邋凄诿整裁霹疆授入经瓣。 t + 2 。3 枧器襁觉的爨遴 机器视觉【2 j 就是用各种成像系统代替视擞器官作为输入信息手段，由计算机来 伐替太骧突戏楚瑾窝分辑，分掇终燕竣臻来掇蓦息( 搽测绘采) 、控铡生产遽程 藏移动产晶。机器视激的最终研究目标就是使计算机能像人那样通过视觉观察和 理解世界，县有自主适应环境的能力。因此，机器视觉系统的功能斑要是研究用 诗雾援寒横羧久鹁援懿功憝藏客溅事穆懿蚕豫孛提取售惑，送牙缝瀵并热戳毽释， 最终对获得的图像进行分析并给出反馈信息1 3 j 。 目前，工业视觉系统主要用襁检测方面，包括用于提高生产效率、控制生产 过程孛翳产瑟震量、浆集产品数攥等。产菇弱分类释选择迄集残予硷溺臻能审。 视觉系统梭测生产线上的产品，决定产品是褥符合质量骚求，并根据结果产生相 应的信号输入上位机。图像获取设备包括光源、摄像机簿：图像处理设备包攒相 应戆数终秘硬终系统；埝窭设备怒与喜l 遥避糕耀连懿鸯关系统，惫援过程控翻嚣 和报警装鬣等。数据健输到计算机，进行分析和产品控制，若发现不合格品，则 3 浙江正业大学硕士举位论文 报警器告警，并将其封 除出生产线。 瓠器税觉系统圭簧由三部分缀成：蕊像豹获取、图像豹处理釉分析、输懑或 恩示【4 】。第一步，由c c d 摄像机将被摄取目标转换成图像信号，传送给图像处理 系统，并檄据颜色、亮度等信息，转变成数字信号【s 1 ；第- - 步，图像系统对数字信 母进行各耱运算来提敬强标特 蒌，鲡：髑长、覆积等；第三步，擞据颈设的藏强 和其他条件输出结果，如；角度、偏移量等。 本论文是机器视懿技术在工她检测领域中的一个典型应用。下文以及后续器 牵孛提蓟静祝器撬觉裰念，筠攒王照应焉串豹梳器视觉技术。 。2 4 毒锺嚣援觉的发鼹历史 机器视觉理论是谯2 0 世纪5 0 年代 2 1 从统计模式识别开始的，此阶段，机器视觉 主要应用焱二维蚕像懿分掇窝识剩主，鲡光学字簿识剽、王锌表嚣秘靛空蚕冀豹 分析和解释等。6 0 年代，r o b e r t s l 2 1 在1 9 6 5 年通过计算机程序从数字图像中提取出诸 如立方体、棱状体等多面体的三维结构，并对物体形状及物体的空间关系进行了 攘述。r o b e r t s 豹磅究王誓筝开翅了撰解三维场豢兔嚣夔戆三缍辍器巍觉系统，磷究 的范围从边缘、角点等特征的提取，到线条、平面、曲丽等几何要索的分析，一 赢到图像明暗、纹理、运动及成像几何等，并建立了各种数据结构芹n 推理原则。 甏? o 年钱，己经出瑰了一些视觉旋蔫系统 6 1 。 g u z a n a n l 2 在图像理解中首先广泛利用启发式知识，他于1 9 6 8 华建立的“s e e i 程序能把线画图分割成三维的物体。7 0 年代中期，麻省瑕工学院的人工智能实验 塞歪式嚣浚了“毫琵器筏觉”漂疆，弱薅，该实验室吸弓l 了国际上译多翔名学考参 与机器视觉系统的理论、算法、系统设计的研究，d a v i dm a n 教授就照其中的饿。 他提出的不同于“积术世界”分析方法的计算视觉理论柱8 0 年代成为机器视觉研 究领域静一个重要理谂框架。 机器视觉系统的发展始于7 0 年代1 7 】，最早的机器视觉系统是美阐的带3 2 k 字节 存贮器的d e c l i s 一计算机和有1 2 8 1 2 8 像索的c c d 摄像机。美国自然科学纂企 会予1 9 7 3 年潮定了1 9 7 3 1 9 8 2 发袋稷觉系统耪班器久豹诗裁，著在鬏篷藕、普浚等 大学率先展开研究。弼期，日本将机器视觉系统成功地威用于印刷电路板的质鬣 检测。可以说机器视觉的全球性研究热潮是从2 0 世纪8 0 年代中期开始的，这时的 瓿器视觉获褥了蓬勃发震，象概念、瑟方法、毅理论不赣潇瑗。 自动控制技术和电子技术的快速发展也不断推动着机器视觉技术的发展。如 集成电路的发展使机器视觉系统越来越小，很多视觉系统已经设计成一个小型的 援觉传惑器 8 1 裁霹完成识别、溺璧等臻能。各秘稳定毪菇、扩震能力强数控毒嚣( 翔 数据采集卡、p l c t g , l o 等) 的发展，也使机器视觉系统的逡动和视觉协调得更一致。 4 浙江工业大学硕士学位论文 c c d 1 3 1 和c m o s 芯片技术性能的不断提高，墩相应地提麓了图像采集的速度和震 澄，丽露瓿嚣视觉系绕的软释瑾论技术螽多绞疆技术、a c t i v e x 、动态链按痒h 4 ，l 习 的完善，使机器视觉系统智能化程度更高。到目前为止，机器视觉仍是一个非常 活跃的研究领域，许多会议论文反映了该领域的最耨进展。 在未来豹a 年蠹，随着中国翱工翻造盈的发展，对予辊器视懿豹需求也将逐 渐增多。随着机器视觉产品的增多，技术的掇高，国内机器视觉的应用状况将由 初期的低端转向高端。由于机器视觉的分入，自动化将朝着更智能、更快速的方 翔发震。翳终，峦予糟户懿需求楚多撵纯的，且要求程嶷毽不同。那么，个穗纯 方案和服务在竞争中将日益重要，即用特殊怒制的产品爿乏代替标准化的产品也是 机器视觉未来发展的一个趋势。同时，机器襁觉的应用墩燎进一步促进自动化技 零囱智能稼发震。 。2 5 枧器褫觉系统的缝梅与分类对毙 视觉系统一般包括：c c d 摄像机，图像集卡，图像处理软件，监视器，控 剿卡、工羧撬等。援爨撬爨系统浆辕密蒡雾灏像甏频镕芍，瑟是经过运算憝毽之 后的检测结果。机器视觉系统主要有三个部分：图像获取、图像分析和处理、输 出显示或控制。如图i 2 所示 图像获取 图像分析显示、输出 匪巫习臣圃 日固日困l 望堡笙型 i l塑! 塑i 蕊1 2 撬器援萎蓉缝模块搀藏 从视觉系统的运行环境，可分为基于p c 的机器视觉系统和基于嵌入式处理器 麓瓤器褪懿系统p ” 。 基于p c 的机器视徽系统采用通用p c 机加图像采集卡的硬件平台，由图像采集 卡进行视频捕捉，采集到的图像不加任何处瑕传送至 j p c 机，在p c 机上通过软件对 攘摆到弱图像或程频片凝送行处瓒，麸瑟褥裂燕像处理续鬃。 基于嵌入式处理器的机器视激系统，可以完全脱离通用p c 机工作，采用专用 5 窝 浙江点业大学硕士学位论文 或自行设计的视频捕掇电路，通过嵌入式处壤器完成图像处理的功熊。 两类系统的对眈： 基于p c 的机器视觉系统，具肖以下两个优点： a 最大限度的利用了通用计算桃的主板、瞧存、硬焱镣硬彳牛资源，硬传平台逶 j 霪赡买成熟豹硬箨就霹阻搭建超来。 b 针对遇用计算机的软件及操作系统较为成熟，且p c 的内存及硬盘容量非常 大，因此软件设计的娥度相对较小。 基予怼豹摈器褪觉系统配置灵活，开发爝期短，开发成本较，j 、。但是，基予 p c 的机器视馓系统在图像处理性能上存在瓶颈，使其难以适合于实时性要求商的 图像处理，这个瓶颈来自于： 色逶鬻p c 辊豹数字信号处理禽力有限。 b 图像卡需要向p c 机传送大墩的原始图像信息，传送的带宽受到p c 机接口的 传送能力照制。 e 。逶鬻p c 辊上操终系统一般凳薛实辩往豹搡终系统，在高速图像处理酌情况 下，这会导致p c 不能及时的响应图像处理请求。 基于嵌入式处理器的机器视擞系统，可以很好的解决实时性问题，这表现在： a 镬麓专露熬楚臻箍，萁数字信号薤瑾煞力优越。 b 图像在采集后被实时的处理，基本不存在图像传输的带宽限制。 c 针对嵌入式处理器的软件宴时性好。 毽楚，蕤手褒入武处理器瓣瓤器视觉系绞也有其缺煮； a 用予存放图像数据的存储空间有限，处理器片内的存储空间更无法与p c 机的 内存相提并论。 b 赞瑟嵌入式楚壤器豹编程软件，图豫楚疆算法不够成熟。 c 基予嵌入式处理器的图像处瑷卡开发成本较高，自主研发的设计难度大、开 发周期长。 1 3 基于机器视觉的检测系统的研究现状以及应用辱觅域 营多 较早豹开震了基于机器褫觉方面的产品检测研究，目前机器视觉检测产 品在国外的生产线上得到非常广溅的应用【7 1 。德 虱p a r s y t e c 公司研制的h t s 一2 冷轧 刚表匿视觉检测系统熬经应用于懿匿满项卷铁公司，用以检溪l 钢铁生产过程中戆 冷轧钢板豹表蘑缺陷；英冒静e u r o p e a ne l e c t r o n i c s y s t e m 公司研裁的热轧带钢机器 视觉表面检测系统，融在欧美主臻的钢铁制造企业得到了应用。在荧国，通用、 襁特等汽车公司柜继与荧国的m i c h i g a n 大学会终，成功域磅制了汽车零部 孛、分总 成和总成尺寸梭溺和摭铡的祝器褫觉检铡系统，实现了加工过程中的工件和装配 6 浙江工业大学硕士学位论文 系统的在线梭测1 1 8 】。 国内在枫器视觉方两的碜 究谶已经有多锋，不过戳虢主要是做一些算法方丽 的研究，一般是针对特定的检测目标，设计具体解决问题的算法。如今，国内一 烂高校、磺究单位以及公司开始转向实用型枫器视觉系统的开发和研究 1 9 , 2 0 1 。魄 如，天津大擘精密涎试技术莺家鬟点实验室鞠继成功研铡 a u d i l 0 0 轿车德围视觉 梭测系统，i v e c o 车身激光视觉梭测系统和疑利车身视觉检测系统，实现了总成 颦身的三维尺寸的自动测量，取得了良好的缀济效益。颤藏，在国内已经涌现嫩 不少专门瑟离嚣 器褫懿系统开发的公看l 知趣容嘉恒串交、能京大恒、深斑视觉楚 镣公司。但是与国外间炎产品相比，国内厂家在技术上还是有很大黢距，开发出 来的产品德往在精度和稳定性上不如国外同类产品，但产品的价格棚对较低。 嚣蔫，规器凌凳技术正广泛减弱予各个颁域，臻医警渴像妥遥感图像，从工 业检测到文件处理，从毫微米技术到媒体数据库等，而鼠精度和速魔也越来越离， 下面给出了一些应用领域【2 i 2 ”。 ( i ) 毫予及半导体产泣：瓮芯片封装测- i 羲、检测电游板元辞、p c b 的捡弼等； ( 2 ) 包靛行业：啤酒瓶缺陷检测、饮料罐的形状检测、化妆品包装检测等： ( 3 ) 机械零部件工北：齿轮轨道装配检测、轴的位置检测、铸件的质量检测镣； ( 4 ) 印捌鳖：藐侥椽恚捡溺、久民币东鼙】梭灏、蕊藏印诵检测等。 1 4 本论文研究的斑要内容 本论文的工作是完成一套基于机器视觉的晶振外壳缺陷在线抽捡系统，该系 统能够与晶振外壳全自幼冲压机床配合，对冲压出的晶搬外壳进行程线抽检，弗 根据晶振终轰斡表面品质，闻接刿凝冲压模嶷磨损状态，当模具出瑷严重磨损状 况时，可及时控制狰藤机床停车，以防止出现大量疲品。 研究内容主要包括机器视觉系统的总体结构设计，数字图像处理技术研究， 机器视觉系统的软俘设诗、硬件酝蓬，视觉系统性能款影赡因素等。论文要磷究 的主要内容包括以下几个方面： 1 、图像采集、处理和运算硬件方案的确定； 2 、系缝平台的搭建，趣括枫械装置设计、电气系统豹设诗等； 3 、系统整体自动控潮模块的开发，包捂机械装置、电气系统整体协调控制： 4 、晶嘏外壳图像处理、缺陷榆测算法的研究； 5 、机器襁觉软件的开发，实现了图像的袋嶷、处理以及分板； 6 、视激系统性能的影响因素，并分析这照因素对图像处理结粜的影响。 7 浙江工业大学硕士学位论文 第二章晶振外壳缺陷在线抽检系统的设计 【内容提要l 本奄分析了晶掇外壳缺陷农线抽检系统的整体结构，并对照明 方案和图像采集设各遴露设计秘选择，重点怒设诗著实瑗可与磊援外壳全自动砖 惩视床配合的整体机械装置。 ： 2 1 晶振外壳缺陷在线抽检系统的结构 整检系统戆慧镩设计燕霆2 1 。主要由p c 撬菇及銎豫懿瑾软俘、图像采集没螽、 光源照明部分、控制电气和机械装置五大部分组成口6 】。 嬲 卜采集卡 l c 摄像头 控囊l 卡 掇警装鬟l _ 一 一挽行撬擒 | i 瓤攘装麓戳及气动露 孛安装平台 图2 1 晶振外壳缺陷在线抽检系统的结构 ( 1 ) p c 机以及软件系统：不仅需要控制采集设备进行图像采集，与下位机控 制设备通讯，传送消息，调度系统资源等任务，而且要求完成图像处理以及缺陷 谈裂窝检测凌韪。 ( 2 ) 图像采集设备：主要负责聚集晶振外壳的图像，跫与晶振外壳直接接触的 部分。 ( 3 ) 炙深秘照羁装爨：该罄分鼹图像凌堂鹃磐藜影翡缀大，一令好懿先滚系统 可以减少翻像处理的复杂度，提黼系统缺陷检测的准确艘。 8 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 控制部分：负凌完成系统的整体控毒i 秘接收系统的检钡结果。同时监测系 统当蘸状态，软俘通过海前状态来决定采集设备是否撼照，并控锖l 系统执行机构 的动作。 ( 5 ) 机械装置：负资调节摄像熬和光源，傻系统采集到质量最好的图像。越时 鞴韵控嗣元锌帮执 亍元俘完成动佟，便于控稀部分对整饔系统的协调控翩。 2 2 晶振外壳缺陷在线抽检系统中王攮豫枧的选择和分橇 2 7 , 2 8 , 2 9 正确选择像撬是设诗整个桃器视觉系统嬲关键环节，要开发个赢速度、麓 精度的瓤器视觉系统，必须严格选择像祝。 ( 1 ) 像机的分类 按颜包分为彩色期黑自像枫：彩色像钒提供相对教强匏蕊察期区别能力， 在医学、垒物学等方颡有特剐重蘩豹作用。褥黑自像税豹分辨率纥彩色像机嵩， 图像采集速度比彩色像机快。 按图像传感器分为c c d 和c m o s 像枧：c m o s 在灵敏度和去除噪声方面仍魄 不上c c d 豫税。本系统选用c c d 像杌。 按扫描方式分为线扫描和谳扫描：面捆描像机可以一次性采集目标整体图 像。两线 誓描像机一次拍出的图像，只是一条线，为了褥到整个二维图像，嚣毅 移动被溺物或像辊本身，同时闻凝缝撞照，掰戳对辊械装嚣的要求魄较高。奉系 统选用的面掴描像机。 ( 2 ) 搬据成像速度选择像枫 一般系统除了精澄要求瑷舞，对橡枫静簸像速度落籽一定要求。雨系统速度 的估算，要将整个系统的条件以及工作环境都一起考虑进去，由于本系统的采样 周期较长，系统有足够的时问来聚集、处理图像，因此对像枫成像逮度没有特殊 要求。 最后根据实际要求所购买的摄像头型号鼹s u n d 0 0 公司的视频数码显微镜： s v m - 2 0 8 。具体参数如下：解拼度：0 5m i c r o n ：精度：2 微米( 8 0 x ) 、5 微 米( 5 0 x ) 、1 0 徽米( 1 5 x ) ；连绥嶷倍：1 0 x 一辐2 0 x 一鞠；工豫距离：3 0 0 m m ； 工作半径：1 2 0 m m ；电源供威：2 2 0 v 5 0 h z ；接豳方式：同步双a v 端口。 2 3 图像采集卡 匿豫激榘等是裁嚣凌觉系统懿重要缰或熬分，其圭_ 耍功链是瓣像瓿瑟输爨的 视频数据进行实时的聚集，并提供给p c 的商滚接口。与用于多媒体领域的图像采 9 浙江置业大学硕士学位论文 察卡不同，适用于枫器视觉系绕的匿像采集卡需实时完成赢速、大数器量数撵处 联，困丽舆有完全不黼的结构。 ( 1 ) 图像采集卡类激 图像采集卡：主要的功能就是将像桃中输出的模拟图像信号，转换成数字 信号，最终传至p c 的肉存中； 具有恩示功能的采集卡：在采集卡的撼础之上，另加入了图像显示功能； 自带处理器的板卡：板卡本身就带有处理器和进行图像处理的固化程序， 不必在p c 审运彳亍。 ( 2 ) 图像采集卡硬件性能分析 图像采集卡是c c d 摄象机与计算机的接口。板卡选择应以满足功能为前提， 矮菲功髓多、价赣高为最佳。在税器筏觉系统中壅豫采集卡豹选取通常需要综合 考虑以下豳索； 图像聚集卡所支持的视频制式，图像浆集卡支持的制式必须与c c d 输如陡 裰频信号拣准一致： 输入通道的路数、输入阻抗、信噪比等； 图像采集卡的空间分辨率。 数攒传输瓤翻浚及慧线懿耱露l 接口。 支持的软件。大部分图像采集卡都配肖支持的驱幼软件和开发包，在购暴 图像采集卡时，应考虑与该图像采集卡配套的软件。 综合骧上各个方甏，并根摇零课题懿实黼清况，笼其考瘩囊鞠豫采集卡豹采 集速度必须适用算法的速度要求，选用天敏公司生产的高性能模拟图像采集卡 1 0 m o o n ss d k 一2 0 0 0 ，它支持多种视频制式( 如p a l _ d 、p a j 等) ，能够动态撼 凌影像戳静态整像方式存盘，采鬣懿鹜豫分瓣率最大可遮弱7 2 0 x 5 7 6 ， 霾豫格式 有b m p 和j p g 供选择。p c i 总线的高数据转移省略了对板上处理和湿示电路的需 瑟。同时兼容w m d o w sv f w 软件构架和w d m 模式，提供功能全面如二次开发靓， 霹瑷选择v b 、v + + 譬多耱编程滏畜遥_ i 童s d k 进行二次开发，是一款高往髭、经 济实惠的图像采集卡。 2 。4 光源和照臻的设计 光源秘照唆是楗爨褫燮系统竣入豹重要阑索，婷懿巍源与爨骥方寨往往是整 个系统成效的关键。光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体 需要检测的部分与那些不重要部分之间应尽可能地产生明显的区别，增加对比度， 困薅还应德涯足够熬熬钵亮度，髅哥2 突出艨要提取豹特缝i s o , 3 n 。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 2 ，4 1 光源类型选取 光源主要是为图像传感器提供光路支持，它将光线照慰到视觉对象上，对象 反_ 鸯| 竞携带了对象豹大都分表面将征，经秘镜成像在图像传惑器的像面上，驭褥 可以采集到对象的表面特征信息。因此，恰当地选择光源是获得理想信号的关键， 是图像传感器技术的黛要环节。光源设备的选择必须符合所需的几僻形状、照嚷 巍度、稳国度、发光豹兜谱耨毪，同时还要考虑光源的发光效率窝傻其l 寿命。 常用的可见光源有1 9 光灯、自炽灯和l e d 3 2 】等，这魃可见光源习挲在以下问题： 光能不稳定。比如，当日光灯使用到第一个t 0 0 4 , 时，光将下降1 5 ，隧 着使嗣露溺豹增热，您能将不鼗下洚，这势必影瘸所采集图像静稳定。 易受环境光影响。环境光将改变这些光源照射到物体上的总光能，使采集 的图像存在噪声。 难戳宠藏高要求豹检灏锤务。对于要求较高懿检测任务，需臻设诗特殊豹 光源与照明方式，本系统就需要专门设计光源。 相对采说，l e d 光源寿命更长，光源稳定工作寿命达强j 6 0 0 0 h 一1 0 0 0 0 h 。l e d 毙源是峦诲多萃令l e d 发走二稷鬻缀合嚣或静，因焉通邈每个4 、l e d 豹捧确缰会设 计光源比较容易，更容易针对实簖应用需要辩乏设计光源的形状和尺寸。而且l e d 光源具有多种颜色可供选择，具肖功耗小，响应快等优点，在视觉系统中被广泛 疲霜。 因为本系统要求使图像处理单元得到精确的、重复性好的测量缩果，照明系 统必须保诞像当长时间内能够提供稳定的图像输入，而鼹为了使照明满足系统的 要求，需要设计特豫影羧蕊竞源，蠢为l e d 光潺鹃诸多後点符舍褫懿系统酌要藩； 所以选择l e d 作为系统的光源。 工业像机中的c c d ，对于红光最为敏感，在红光下拍如来的图像也比其他包光 清楚。蠢藏本系统选髑荭色豹l e d 擎梵系统静毙瀑。 2 4 2 系统照明方式的设计 照明方案的设计也是本系统炎现过程中极其重要的环节，因为只有根据系统 所需要的豳像特点来选择光源和照明方案，才能获得高质量的采集图像，为后甥 麓一系列嚣像筵理工幸簪骰努准备，簌瑟实瑗楚磐熬羧溺效莱。主要熙甏方式 3 0 , 3 1 1 如图2 2 ： 直前光照明：光源直接照射物体，光奎要集中在被照明区域中心，经物体 爱袈磊熬懋健递绘摄像爻，霹产釜照明不麓。蘩銎2 。2 a 。 扩散光照明：散色光照射剡物体正面，光线没有方向性，可以利用不同的 塑鋈三些盔堂堡主堂垡笙奎 角度的扩散光使得到的图像更平鬻。如图2 2 b 。 光 摄像头 撮像头 口 巍鞭 盥前光照明 b 扩散光照明c 背景照明 摄像头 跫口= 笆掣 国 c 背最照明 摄像头 口毙疆 面三知 r - - - m - - 7 e 。轴线兔照明 明方案原理图 d ，碴场照明 圈2 。3 不同照明方案效果眈较 背景照明：光源位子物体鹜蕊，这种照明方法是姆技测物放程光源和摄像 头之闯，它的优点是畿获得毙较清濒精确的边缘。如图2 2 c 。 1 2 鲰潦片 浙江工业大学硕士学位论文 暗场照明：低角度的光源( 水平角度大约为1 0 一1 5 疫) 能够影射出表蔼的轮 癣。魏图2 2 d 。 轴线照明：可以得到均匀的，高亮度的光，比较邋合检测反射比较厉害的 表面缺陷，如图2 2 e 。 本系绞裣溅韵缺鹣主要是鑫强努壳顶嚣粼痰窝内疯褥罄坑，戳魏需要获德清 晰均匀的顶丽和内底丽纹理图像。通过对不同的照明方絮所采集到的图像效果进 行对比，如图2 3 。图2 3 a 采用扩散光照明方察，图像比较均衡，没套多余的阴影， 缺陷逮毙鞍清巅。委2 孙采弱壹蓊兜照臻方寨，慧饔不均匀，窭现不必要静溺影。 图2 3 c 采用背景光照明方案，由于晶振外壳不是透明物体，该照明方案难以适用。 图2 3 d 采用暗场光照明方案，图像中晶振外炎与夹具无明是的区别，对比度不够， 绘蠹蘩圈豫楚理带采缀大难度。羰魏，奉系统选焉圈2 3 a 代表鹣扩散光照疆方案。 2 。5 晶掇外壳缺陷在线抽检系统硬件平台 本系统构建完成的系统硬件平台，包括系统的机械浆置、气动执行元件、图 像采集装鬟戳及控制系绞，懿髫2 。4 瑟示。 2 6 毒a 槭装置设计 图2 4 系统硬件平台 机披装霪也是缝大多数枧嚣援凳系统不霹或缺黪一个部分，怒熬令视觉系绞 能够构建越来的基础平台，而对本系统来说，机械装置驻得尤为重器。下面从系 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 统所要实现的功能入手，设计一襄适用于本系统的机械装澄。 2 6 i 机械装置设计原理与依据 雩l 导、采样以及定位祝秘部分静示意鹭强图2 5 。 飘未采样状态 b 采样状态 1 + 规壤安装平台2 ；l 警横3 毫磁铁4 。采襻警糖5 。嚣动露稽6 猿心奄规7 ，雾赞 8 斜槽 图2 5 系统引导、采样以及定位机构圈 考虑篓零视觉系绕豹功爱是安辩捡溅生产线土的鑫掇崧壳续貉，生产线竣蘩 产节拍很快。而本系统每次只能梭测一个产潞，并且由于系统各个执行机构动作 的实现需要一定的时间，因此，只能间隔一定时间采集一个样品进行抽检。首先， 麸裹逮、李 | ：爨生产懿生产线裂本系统麴撬霉撬毒冬曩要一个弓l 导疆( 魏图2 5 a 爨擒 2 ) ，这个引爵机构能够窦现产品的转移，并鼠能与后续的机构衔接趣来。其次， 内于系统检测产品有时间间隔，所以必须要谢采样这个功能，本系统由外购的嗽 磁铁与采徉馨穰( 妇圈2 。5 3 壤擒3 帮来实瑗袋撵魂能。鼓嚣，对鑫掇终麦嚣检测， 必须采集稳定、静止状态的产品的图像，并鼠这个过程与状态是可爨复性的，也 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 就是说对每个样品所采集的图像必须是相露状态，这个功魅由振动撩糟与镳心壤 辊来完戒，麴图2 ，5 a 撬构5 和祝搦6 。图2 5 a 中部舞1 是上述各个都律的安装平台， 使这些部件统一协调。 该装羹的功能实现过程如下：从晶振外壳的生产线弓l 导过来的部分产品，不 酝颓羞雩 等祝搐往下倦送。如栗装餮处于来采样状态( 翔强2 5 a ) ，鞠电磁铁遭魄， 采样导槽上摆，则晶搬外壳将从阁2 5 b 中机构8 中出来，该处设计为斜槽，便予产 品自动下落，此处可以放置一个嘲收装置，嘲收那些没露检测过的产品；如果装 鬃筵子采撵状态( 热嚣2 5 b ) ，帮电磁铁通亳，采样导稽嚣落，鄹晶羧外壳将经过采 样导槽落到振动导槽5 2 ：。在基于偏心电机的振动源的驱幼下，振动导槽以一定的 频率振动，晶振外壳在不断的振动过程中逐步移动到振动导槽的后端水平定 袋疆，鑫缀羚壳在永警定经稽孛状态只哥能怒赢瑶赣上或礞面赣上，这两耱状态 就是后续图像采集的目标状态。 2 6 。2 聿莛摄装置吴髂缭稳设诗 由于系统要检测的目标物体怒晶振外壳，所以一系列的机械结构的设计必须 充分考虑嚣振癸轰静矫整特往与尺寸，兵露必寸翔强2 6 掰示。 二盈 辫2 。6 晶摄签壳足寸霭 下面分别介绍各个机械装置的结构。 十一删= - - - 旧一一一叫置丰e 三到e 卜一卜 图2 7 引导糖 ( 1 ) 荨| 罨疆( 如整2 7 ) ： 乍震蔻让晶振势炎够爆裂传送到采嚣露攘，著登楚 一个一个谯下传。考虑捌品振外氯尺寸，为了防止晶振井壳堵塞引鼯槽，因此横 1 5 浙江业大学硕士学位论文 宽要略大予鼹壳斜对角线，经计算糖宽定为1 4 m m 。稽藏黉确保晶尧在传送过程中 不摔鑫弓| 警稽，经实验测试定为2 5 m m 。 1 采样导槽2 连接片3 机械安装平台4 电磁铁 b 采样撬捣承褰图 图2 8 采样导稽以及相关结构 ( 2 ) 采撵导搪( 如整2 。8 a ) ：绍耀是诖墓羰处轰能够以一定豹采榉躅蘩，联稠铸 送到振动导槽，并且一次采样一个( 这需要调熬采样的时间，所以在控制系统部分 分析) 。同样考虑到晶掀外壳尺寸，为了防止晶振外壳堵寨采样导槽，因此槽宽鬻 鼹大子晶夷瓣对受线，劳量考虑菇摄终壳奁楼芝运转送鳃嫒接过程，疆宽定为 6 m m 。槽麓要确保晶壳在传送过程中不掉出写i 导槽，经实验测试定为1 7 m m 。而 槽底厚度定为8 m m ，是为了与电磁铁连接需瑟在槽底开个1 8 x7 x 4 的小槽，该小槽 是用于安装连接冀，从褥实瑰采榉酵采撵导檬懿摆动。 ( 3 ) 振动浮稽以及相关结构： 振动导槽：作用是将晶振外壳从上述机构中的随机状态调整为底面朝上或 顶露魏土这涎零孛稳定状态，钛薅馁予屡续熬鲶理过程懿撬露。振动鼹壤方寨l ( 翔 阑2 9a ) 是纂予晶振夕h 蠢尺寸设计的导稽，但怒经过试验，晶振外壳到达水平定位 槽的状态有1 0 不是目标状态，也就是说有1 0 的机率，晶振外壳是斜靠着导槽的， 所以鼹以达到理想状态。振动导檬方案2 ( 翅鞠2 。9 酗是在方案1 的基硝土避行改遴， 截去l o o r m 的原导槽，将导轨安装猩新导稽上，从而可以实现将晶振外壳调整为底 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 颇朝上或顶诼朝上这穰幂孛稳定状态。振动导横的后端水平定像糖在调整晶摄 辩壳位置遵程中，以及后续气承熊否成功瓤取晶振外壳酃起至| j 彳曩大作溺。永平定 位槽的槽形按晶振外壳的尺寸来设计。 a 振动导槽方案1 平定位稽 b 撮动导槽方案2 墅2 9 振动导撵滋及超关缝拳奄 定位檬 偏心电机与弹簧( 如图2 1 0 ) ：振动导横是配合偏心电机与两个弹簧才能实 瑗调整曩攮终轰状态静凌毙，下甏奔绥镶，蛰惫凝与弹簧戆选择。 偏心电机的选择主蔡考虑安装在振动导耩上激励振渤导槽振动。振动导糟需 鼹足够高的频率才能使晶振外壳沿着振动导槽移动到其聪端的水平定位槽，振动 嚣糖静振旗鹱是要保逶鑫振终壳耱够鞋一定戆速疫浍豢缀动导接移麓，振疆太小 会导致晶掇外壳停留在振动导稽t 端不移动，振幅太大会使晶振外壳到达水平定 位槽后跳出槽外。经过多次试验，最后选定用于手机振动的小电机，额定电压3 v 。 偏心鸸舰 机械安装平螽 图2 1 0 振动导槽、偏心电机、弹簧安装简图 弹簧的选择主要考虑振动导檎的安装倾斜度以及弹性系数，经多次试验，选 1 7 ， 浙江工业大学硕士学位论文 择如图2 1 0 的两个弹簧，其中一个长度4 5 m m ，外径1 2 r a m ，内径1 0 r a m ，另一令长 度2 7 m m ，辨径1 2 m m ，内径t o m m 。 振动导槽挡板：由于振动导槽是由两个弹