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论文题目：小件陶瓷管自动检测系统的研制 专业：机械电子工程 研究生：周国玲( 签名) 指导教师：马宏伟( 签名) 摘要 陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、密度小等优良性能，应用前景十分广阔。 然而，陶瓷的断裂韧性一般很低，是典型的脆性材料，即使是微小的缺陷，也容易造成 应力集中而破坏，在外表面尤其如此。由于小口径、薄壁陶瓷管的特殊成型过程，使得 各陶瓷管的强度差异也很大，成批生产时质量不易准确控制，因此研究小件陶瓷管自动 检测系统具有重要意义。 本文结合计算机技术、机电一体化技术、机器视觉技术，设计开发了一套自动检测 系统。系统采用机器视觉技术对陶瓷管进行缺陷的检测。系统包括：机械装置、图像采 集卡、光源、c c d 摄像机以及系统软件等几部分。其中机械装置主要由自动供料机构、 自动检测机构和分选机构组成，通过三台步进电动机带动。该系统的工作原理是：自动 供料机构将陶瓷管送到自动检测机构，由检测机构触发c c d 开始采集图像，并对所采集 到的图像经过图像预处理、图像分割、特征提取后进行正品和次品的分类，如果是次品 就报警，系统将分类信号传给分选机构进行分选。 系统软件采用模块化的编程思想，主要包括图像采集模块、图像处理模块、串口通 信模块。其中图像采集模块利用v f w 库编写图像采集程序，该方法不依赖于图像采集卡， 编程简单，采集速度快；图像处理模块采用m a t l a b 和v c 混合编程；串口通信利用m s c o m m 控件进行开发。 本文开发的小件陶瓷管自动检测系统结构简单，操作方便，对实现小件陶瓷管的自 动检测奠定了良好的基础。 关键词：小件陶瓷管；缺陷；机器视觉：自动检测系统 研究类型：应用研究 s u b j e c t：d e v e l o p m e n t o fs m a l lc e r a m i ct u b e sa u t o m a t i c d e t e c t i n gs y s t e m s p e c i a l t y n a m e i n s t r u c t o r ：m e c h a t r o n c s ：z h o ug u o l i n g ( s i g n a t u r e ) ：m ah o n g w e i ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t c e r a m i c sm a t e r i a lh a sav e r yw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c tb e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c eo nh i g ht e m p e r a t u r e r e s i s t a n t ，c o r r o s i o n - r e s i s t a n t ，a b r a s i o n - r e s i s t a n ta n ds m a l l d e n s i t y c e r a m i c ，h o w e v e r , i sat y p i c a lo fb r i t t l em a t e r i a ld u et oi t sl o w e rf r a c t u r et o u g h n e s s d e f e c t i o n ，e v e rm i n o rd e f e c t i o n i nc e r a m i c s ，c o u l de a s i l yc a u s es t r e s sc o n c e n t r a t i o n ， e s p e c i a l l yo no u t s i d es u r f a c e ，t od e s t r o yc e r a m i c s b e c a u s eo f t h es p e c i a lm o d e l i n gp r o c e s so f s m a l l ：b o r e ，t h i n w a l lc e r a m i ct u b e ，t h ei n t e n s i t yo fe v e r yc e r a m i ct u b ei sd i f f e r e n ta n dt h e q u a l i t yo fc e r a m i ct u b e i nb a t c hp r o d u c t i o ni sd i f f i c u l tt oc o n t r o l ，t h u s ，i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c et od e v e l o pt h ea u t o m a t i cd e t e c t i n gs y s t e mf o rt h ec e r a m i ct u b e b a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m e c h a t r o n i c st e c h n o l o g y , m a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g y , t h e a u t o m a t i cd e t e c t i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h em a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g y h a sb e e nu s e dt od e t e c td e f e c t si nc e r a m i ct u b et h r o u g ht h ea u t o m a t i cd e t e c t i n gs y s t e m ，w h i c h i sc o m p o s e do fm e c h a n i s m ，i m a g ec o l l e c t i n gc a r d ，i l l u m i n a n t ，c c dc a m e r aa n ds y s t e m s o f t w a r ee t c t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h es y s t e md r i v e nb yt h r e es t e pm o t o r sh a sb e e n m a i n l yc o m p o s e do f a u t o m a t i cf e e d i n gd e v i c e s ，a u t o m a t i cd e t e c t i n gd e v i c e sa n dc l a s s i f i c a t i o n d e v i c e s t h es y s t e mp r i n c i p l ei s ：t h ec e r a m i ct u b ei sd e l i v e r e dt oa u t o m a t i cd e t e c t i n gd e v i c e s b ya u t o m a t i cf e e d i n gd e v i c e s ，t h ec c dc a m e r at r i g g e r e db yd e t e c t i n gd e v i c e sb e g a nt oc o l l e c t t h ei m a g e so fc e r a m i ct u b e ，t h e nt h ec e r a m i ct u b e sh a v eb e e nd i v i d e di n t oq u a l i t yp r o d u c t s a n ds u b s t a n d a r dp r o d u c t sa c c o r d i n gt ot h ec o l l e c t e di m a g e sw h i c hh a v eb e e np r e p r o c e s s e d ， s e g m e n t e d ，f e a t u r ee x t r a c t e da n ds o r t e d i fi t h a sb e e nas u b s t a n d a r dp r o d u c ta l a r m ，t h e s y s t e mw o u l ds e n das i g n a lt oc o n t r o lt h ec l a s s i f i c a t i o nd e v i c e st ow o r k a d o p t i n gm o d u l a r i z e dp r o g r a m m i n gt h o u g h t , t h es y s t e ms o f t w a r eh a sb e e ni n c l u d e di n i m a g e sc o l l e c t i n gm o d u l e ，i m a g e sp r o c e s s i n gm o d u l ea n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n m o d u l e t h e v f ww a r e h o u s ei su s e dt oc o m p i l ea n dc o m p o s et h ei m a g ec o l l e c t i n gp r o c e d u r ei ni m a g e s c o l l e c t i n gm o d u l e ，t h i sm e t h o d ，n o td e p e n d e n t o nt h ei m a g ec a r d ，i s s i m p l ei np r o g r a m m i n g a n dq u i c ki nc o l l e c t i n g ，m a t l a ba n dv ch a v eb e e ni n t e g r a t e di n t ot h ei m a g ep r o c e s s i n g m o d u l ep r o g r a m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a mh a sb e e nd e v e l o p e do nt h eb a s eo f m s c o m mc o n t r o l l e r t h ea u t o m a t i cd e t e c t i n gs y s t e mf o rs m a l lc e r a m i ct u b e ，w i t hs i m p l es t r u c t u r ea n de a s et o o p e r a t e ，m a d eag o o df o u n d a t i o nt or e a l i z et h es m a l lc e r a m i ct u b ea u t o m a t i c a l l yd e t e c t i n g k e y w o r d s ：s m a l lc e r a m i ct u b e d e f e c tm a c h i n ev i s i o n a u t o m a t i cd e t e c t i n gs y s t e m t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 娄拜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 司l 主1 玲日期：刁午) 一 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者躲1 日i 赫指导教师躲岛宏 7 o 刁年乒月功日 1 绪论 1 绪论 l 1 机器视觉技术概述 随着科学技术的飞速发展，各种测控系统的组成越来越复杂，对许多参数的检测精 度及可靠性要求也越来越高：一方面要求测试系统具有更高的检测速度、可靠性和自动 化水平，以便尽量减少人力和提高工作效率；另一方面要求检测系统具有更大的灵活性 和适应性，并向多功能化、智能化方向发展“1 。正是在这样的时代背景下，以数码影像 测量技术、工业图像处理技术、计算机视觉和自动识别技术为基础的新型工业计量与检 验技术脱颖而出。数码影像测量与数码影像检测是数字图像技术人工智能结合的产物， 也是数码时代在工业测量领域的自然体现。另外，随着高清晰度c c d 、数字图像和模式 识别技术的快速发展，使得自动完成测量和判别工作也成为可能，基于机器视觉的光学 自动检测系统由此应运而生“。 机器视觉即采用机器代替人眼来做测量和判断，可以简单称之为机器眼。机器视觉 是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术。其首要目标是用图像创 建或恢复现实世界模型，然后认知现实世界。机器视觉系统获取的场景图像一般是灰度 图像，即三维场景在二维平面上的投影伽。机器视觉系统的工作过程是通过机器视觉产 品，即图像摄取装置把图像抓取到，然后将该图像传送至处理单元，通过数字化处理， 根据像素分布和亮度、颜色等信息，来进行尺寸、形状、颜色等的判别。进而根据判别 的结果来控制现场的设备动作。 一个精密设计的机器视觉系统具有良好的设计要求和很好的价值效率。它的优点有 以下几点： ( 1 ) 精确性：一个精心设计的机器视觉系统可以将零件的测量精度达到千分之一或者 更多。因为这种测量是非接触式的，对观测与被观测者都不会产生任何损伤，从而提高 了系统的可靠性： ( 2 ) 一致性：因为机器视觉系统没有人操作的疲劳度，并且操作的可变性是能估计的。 另外，多个系统可以被设定为一个产品的相同输出； ( 3 ) 使用性：随着计算机处理价格的飞快下降，机器视觉系统的成本逐渐经济合算了。 一个一万美元的机器视觉系统可以很容易的代替三个操作员，这三个操作员每年的工资 为2 万美元或者更多。另外，机器视觉操作和维修的费用很低； “) 灵活性：机器视觉系统可以使用于多种场合。当要求变化时，软件可以很容易的 修正来满足新的要求m ； 由于机器视觉系统具有以上优点，并且可以获取大量信息和进行自动处理，也易于 西安科技大擘硕士学住论文 同信息控制系统集成。因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用 于工况监视、成品检验和质量控制等领域，代替传统的人工检测方法，可以极大提高产 品质量，提高生产效率。 1 2 机器视觉现状及发展趋势 机器视觉自起步发展到现在，已经有1 5 年的发展历史。应该说机器视觉作为一种 应用系统，其功能特点是随着工业自动化的发展而逐步完善和发展的。目前全球整个视 觉市场总量大概在6 0 - 7 0 亿美元，是按照每年8 8 的增长速度增长的。而在中国，这个 数字目前看来似乎有些庞大，但是随着、加工制造业的发展中国对机器视觉的需求将 承上升趋势。 在机器视觉赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但制造 业的需求是决定性的。制造业的发展，带来了对机器视觉需求的提升，逐渐朝着开放性 的方向发展，这一趋势也预示着机器视觉将与自动化更进一步的融合。 需求决定产品，只有满足需求的产品才有生存的空间，这是不变的规律，机器视觉 也是如此。未来，中国机器视觉发展主要表现为以下一些特性： ( t ) 随着产业化的发展对机器视觉的需求将呈上升趋势 机器视觉发展空间较大的部分在半导体和电子行业，而根据我国相关数据显示，全 球集成电路产业复苏迹象明显。与此同时，全球经济衰退使我国集成电路产业获取了市 场优势、成本优势、人才回流等优势。 ( 2 ) 统一开放的标准是机器视觉发展的原动力 目前国内有近数家机器视觉产品厂商，与国外机器视觉产品比，国内产品最大的差 距并不单纯是技术上，而且还包括品牌和知识产权上。另一现状是目前国内的机器视觉 产品主要以代理国外品牌为主，以次来逐渐朝着自主研发产品的路线靠近，起步较晚。 未来，机器视觉产品的好坏不能够通过单一因素来衡量，应该逐渐按照国际的统一标准 判定，随着中国自动化的逐步开放，将带领与其相关的产品技术逐渐开放。因此，依靠 封闭的技术难以促进整个行业的发展，只有形成统一而开放的标准才能让更多的厂商在 相同的平台上开发产品，这也是促进中国机器视觉超过计划水平发展的原动力。 ( 3 ) 基于嵌入式的产品将取代板卡式产品 从产品本身看，机器视觉会越来越趋于依靠p c 技术，并且与数据采集等其他控制 和测量的集成会更紧密。且基于嵌入式的产品将逐渐取代板卡式产品，这是一个不断增 长的趋势。主要原因是随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式操作系统绝大 部分是以c 语言为基础的，因此使用c 高级语言进行嵌入式系统开发是一项带有基础性 的工作，是用高级语言的优点是可以提高工作效率，缩短开发周期，更主要的是开发出 的产品可靠性高、可维护性好、便于不断完善和升级代换等。因此，嵌入式产品将会取 2 1 绪论 代板卡式产品。 “) 标准化、一体化解决方案也将是机器视觉的必经之路 另外，由于机器视觉是自动化的一部分，没有自动化就不会有机器视觉，机器视觉 软硬件产品正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用户还是硬件 供应商都将机器视觉产品作为生产线上信息收集的工具，这要求机器视觉产品大量采用 “标准化技术”，直观的说就是要随着自动化的开放而逐渐开放，可以根据用户的需求 进行二次开发。当今，自动化企业正在倡导软硬件一体化解决方案，机器视觉的厂商在 未来5 6 年内也应该不单纯是只提供的供应商，而是逐渐向一体化解决方案的系统集成 商迈进。 在未来的几年内，随着中国加工制造业的发展，对于机器视觉的需求也逐渐增多； 随着机器视觉产品的增多，技术的提高，国内机器视觉的应用状况将由初期的低端转向 高端。由于机器视觉的介入，自动化将朝着更智能、更快速的方向发展。另外，由于用 户的需求是多样化的，且要求程度也不相同。那么，个性化方案和服务在竞争中日益重 要，即用特殊定制的产品来代替标准化的产品也是机器视觉未来发展的一个取向。 机器视觉的应用也将进一步促进自动化技术向智能化方向发展”。 1 3 陶瓷材料的检测现状 陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、密度小等优良性能，应用前景十分广阔。 然而，陶瓷的断裂韧性一般很低，是典型的脆性材料，即使是微小的缺陷，也容易在该 处造成应力集中而破坏，在外表面的缺陷尤其如此。由于陶瓷材料制造工艺复杂，工序 多，即使在同样的工艺条件下，各零件的强度差异也很大，成批生产时质量不易准确控 制，如果能够用无损评价( n d e ) 和断裂力学相结合的方法，研究微观组织和理想的力学 性能的关系，充分发挥材料的潜力，用无损检测技术( n i ) t ) ，将在陶瓷制造初期时就剔 除废品，可避免无价值的加工所造成的损失，和制造工艺结合，优化工艺，这样，不但 可以挽回经济损失，避免构件失效，提高产品寿命，而且还缩短了材料开发制造周期， 在陶瓷材料制造领域中，具有很大的意义。目前对陶瓷材料的无损评价的手段可分为两 大类，一类是直接对成品进行检测，试图发现更小的缺陷；而另一手段则是对瓷坯进行 检测，试图检出初生缺陷。根据检测目标位置的不同，又可分为表面及近表面缺陷的检 测和内部缺陷的检测m 。 用于陶瓷无损检测的方法除表面浸透检测外，主要有：x 射线层析成像、红外热成 像、超声a 扫描及c 扫描、声发射、微焦点x 射线、超声显微镜以及热波成像技术等。 近年来，这些方法已在自动化技术、探测器技术、信息处理和资料存储等方面取得很大 的进展。下面简要介绍几种近年来取得较大发展的几种陶瓷缺陷检测方法。 3 西安科技大孝硕士学位论文 1 3 1 红外热成像法 红外热成像作为陶瓷制品无损检测的一种工具，无疑具有很多有别于其他检测工具 的优点，其检测的实质就是测量物体表面的微小温差。当物体受到热激发时，热量将在 其内部进行传递。当物体内部存在缺陷时，就会改变物体表面的热传导特性，热传导特 性的改变将会导致热分布发生变化，从而使物体表面的温度发生差异。用红外热像仪检 测出物体表面的这种温度差异，即可判断被测试样中是否存在缺陷以及缺陷存在的情 况。 红外无损检测是在非接触、可远距离操作条件下进行，它具有以下优点；( 1 ) 灵敏度 高，速度快；( 2 ) 检测仪器结构较简单；( 3 ) 使用安全，信号处理速度高，可建立自动检测 系统；“) 受工件表面粗燥度影响小；( 5 ) 检测用途广泛。它的缺点是：受产品表面及背景 辐射的影响；灵敏度受缺陷大小和深度的影响；不能非常精确地测定缺陷的大小、形状 和位置：温度记录曲线的解释困难，并且需要有专业操作人员m 。 1 3 2 超声检测 在陶瓷材料的无损检测中，超声检测是应用最广泛的技术，它不仅能检测分层、气 孔、裂缝和夹杂等缺陷，而且在判别密度差异、弹性模量、厚度等特性和几何形状的变 化方面也具有一定的能力。激光超声陶瓷无损评价，克服了传统耦合法难以适应在线检 测及高温、高湿条件下的陶瓷检测的缺点，具有非接触性、宽带、定量、多波型( 能同 时激发纵波、横波、表面波) 、时空分辨率高等优点，使其既适于陶瓷制作过程监测， 又能对成品进行质量评价激光扫描声显微镜( slam ) 应用于重要部位陶瓷材料检 测，如航空、航天构件。它对面型、体积缺陷有很好的检测能力，而且对内部裂纹及表 面空穴的检测也有较好的效果，但是构件的表面状况对检测可靠性有很大的影响。 陶瓷的超声c 扫描是检测陶瓷内部缺陷位置、大小和分布状态的有效方法，能检测 气孔、裂纹、夹杂和孔隙率等，特别是可以清晰地显示出所有的夹杂物，包括对x 射线 不敏感的非铁夹杂物，可根据成像图形测定缺陷的大小。超声波扫描检测精度高，但需 要耦合剂和与部件两面接触，其优点是能检测多层层叠整个深度内的裂纹和不连续性。 常规c 扫描受到陶瓷材料气孔率的限制，在陶瓷检测中，一般使用高频来检测小缺陷。 扫描声显微镜( sa m ) 比常规c 扫描应用更为广泛，它的工作频率可达20 200 m hz ，此时对表面及亚表面的检测可分辨率可达1 2i m sa m 的特点如下：( 1 ) 横向分辨率高，纵向分辨率低，适用于测量与声速垂直的面状缺陷；( 2 ) 可测曲面样品； ( 3 ) 灵敏度与检测深度有关；( 4 ) 对表面光洁程度需求较高；( 5 ) 水中声速和陶瓷中声速差异 使焦点变形大。信号处理技术应用于c 扫描成像会更明显改善成像效果，如信号平均、 滤波技术、合成孔径聚焦、时间渡越衍射、频谱分析等都能改善散射或衰减造成的影响 4 l 绪论 8 1 1 3 3 热波检测和热波成像技术 热波现象是当一束聚焦的、强度调节的激光束和电子柱射到固体表面时在材料内部 发生的过程。当激光束或电子柱在某一频率进行强度调节时，热量的吸收和产生的温升 就都是交变的；在材料内部温度的变化由于热传导过程引起热位滞后，这样我们可以预 期材料内部温度的时空分布，而且它一定会以波动的形式存在，这就是热波。这种热波 能传播的距离被称为“热扩散长度”。在热扩散长度中，如果材料有不均匀性，特别是 有热性质的不均匀性，热波就将被这种不均匀性发射、折射和扩散。这样，我们就可以 根据热波的幅度和相位来检测材料的光学性质和热学性质以及与之相关的某些物理性 质的变化；如果这些性质有不均匀的分布，则通过逐点进行测量就可以得到有一定对比 度的熟波图像。而且，热波图像的对比度主要来源于样品热性质的不均匀性，由此形成 了一种用于测量敏感材料的热性质的差异的测试技术习热波检测和热波成像技术。另 外，由于我们不可能在材料内部去直接测量热波的幅度和相位，所以在实际的热波检测 中，所测量的是一些由于热波过程所引起的，发生在材料表面或其外部的次级效应脚 1 4 本课题研究的主要内容 本课题以白色半透明状的功率型线绕电阻器用陶瓷管为研究对象，我们称为小件陶 瓷管，其主要材质是3 0 9 6 9 0 a 1 2 0 ( 尺寸见图1 i 所示) ，该陶瓷管具有优良的绝缘性、 不燃、不锈、熟传导率好等特点，广泛应用于电工电子领域。k l 坐l - 一 然而，在生产过程中陶瓷管的质量很难控制，常常会产生裂 纹，划痕等缺陷。为了保证产品的正常使用，应该对陶瓷管 进行质量检测。 图1 i 陶瓷管尺寸 目前国内许多企业对于陶瓷管表面缺陷的检测仍然处于浸透检测的水平，这种检测 方法称为液体浸透探伤法，具体过程是：在检测时将陶瓷管先在品红溶液中浸泡后，由 检测人员在高亮度光源照射下用肉眼检查零件，如果发现品红溶液形成的缺陷痕迹则判 断为不合格产品。但是这种方法检测效率低、工作强度大，并且长时间的工作对工作人 员的视觉损伤很大，另外，在检测过程中由于人为误差使得检测往往不准确。机器视觉 能够快速、准确的检测陶瓷管的缺陷，所以利用机器视觉的方法在实现产品的自动分选、 提高生产率、降低生产成本、减少劳动强度等具有很重要的意义。 本课题研究的具体内容有以下几点： ( 1 ) 系统方案设计 根据陶瓷管的结构和缺陷特征，通过分析目前国内外对陶瓷材料的检测方法，最终 5 西安科技大学硕士擘住论文 采用了机器视觉的方法，提出了系统总体设计方案。 ( 2 ) 机械结构设计以及系统动力源的选取 根据检测需要，设计机械结构并且选择动力源，为实现自动化检测提供了检测平台。 ( 3 ) 系统软件设计 系统软件包括两部分：下位机软件和上位机软件。其中下位机软件主要用来控制步 进电动机的( 包括步进电动机的运行时间，停顿时问等) ，用汇编语言编写。上位机系 统软件是在v c + + 6 0 平台下开发的，采用模块化的编程思想。主要包括陶瓷管图像的采 集模块、图像处理模块和串口通信模块。 6 2 小件陶瓷管自动检测系统的搭建 2 小件陶瓷管自动检测系统的构建 2 1 小件陶瓷管自动检测系统的设计要求 小件陶瓷管自动检测系统的目的是自动检测陶瓷管的缺陷，并且进行分选。又因为 所研究的陶瓷管的物理特性和其特殊成形过程，所以很难采用全自动的检测方法，所以 本课题提出了半自动化的检测方法。具体的设计要求有以下几点： ( 1 ) 研究的系统具有很好的稳定性，以保证陶瓷管在运送过程中，不会受挤压而造成 损伤，并且，要求机械装置的运行速度不易过快，以免陶瓷管脱离检测机构。 ( 2 ) 采用图像采集和图像处理方法必须快速、准确，以满足整个系统的运行要求。 2 2 小件陶瓷管自动检测系统的整体设计 小件陶瓷管自动检测系统主要包括机械装置( 自动供料机构、自动检测机构和分选 机构) 、p c 机、光源，图像采集卡、c c d 以及系统软件部分，系统结构示意图和工作过 程框图分别见图2 1 和图2 2 所示。 图2 1 小件陶瓷管自动检测系统结构框图 7 西安科技大学硕士学位论文 图2 2 小件陶瓷管自动检测系统工作过程框图 该系统的工作过程：自动供料机构将陶瓷管送到自动检测机构，由自动检测机构触 发c c d 开始采集图像，每次采集四幅图像存到内存，当每采集到一幅时，系统自动对所 采集到的图像进行处理，然后进行正品和次品的分类，如果是次品就报警，系统将分类 信号传给分选机构进行分选。 。 2 2 1 照明装置的设计 在目前的机器视觉应用系统中，好的光源与照明方案往往是整个系统成败的关键， 起着非常重要的作用，并不是简单的照亮物体而已。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。同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变化不应该影响成像的 质量。因为本文研究对象是半透明的陶瓷管，为了消除外界的干扰，采用了半封闭的光 照系统。该系统包括光源和照明室两部分。 ( 1 ) 光源 在机器视觉应用系统中一般使用透射光和反射光。对于反射光情况应充分考虑光源 和光学镜头的相对位置、物体表面的纹理，物体的几何形状等要素。光源设备的选择必 须符合所需的几何形状，照明亮度、均匀度、发光的光谱特性也必须符合实际的要求， 同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。表2 1 列出了主要几种光源的相关特性。 表2 1 各种光源对比 通过以上各种光源的对比，以及根据陶瓷管自身的特点，选用了红色l e d 灯作为系 8 2 小件陶瓷管自动检测系统的搭建 统的光源。 ( 2 ) 照明室的设计 为了去除环境光源的干扰，采用半封闭式的照明室，以提供一个封闭且亮度均匀的 图像采集环境。同时应尽量使照明室内避免发生均匀的漫反射，并且将镜头相对的那面 背景取为黑色，这样就能提高陶瓷管与背景的对比度，更好得凸现陶瓷管的缺陷。 本文设计一根红色l e d 光源安置于照明室顶部，照明室结构如图2 3 所示： 光源安装处 摄象机镜头 图2 3 照明室结构 拍摄照片时，尽量使陶瓷管位于镜头的正前方，这样就能够保证光源照在陶瓷管表 面的光比较均匀。 2 2 2 摄像机 摄像机相当于人的眼睛，在机器视觉系统中起很重要的作用。目前摄像机有两种： c c d 和c m o s 。c c d 和c m o s 的光电转换示意图如图2 4 所示。 c c i ) 放大 a d ， 由罩鱼蕞 号 铆o s 芯片可以在像素上同时完成这两个步骤 图2 ；4c c d 和c m o s 的光电转换示意图 由上面的结构看到，c c d 的电路更改更方便。而由于c m o s 的过分集成，电路更改就 不方便，但可靠性高，与c c d 相比c m o s 功耗小、噪声大、灵敏度差，速度快，价格便 宜，但是c c d 在图像的质量上更有优势，并且c c d 摄像机以其小巧、可靠、清晰度高等 特点在商用与工业领域都得到了广泛地使用。在本课题中所研究的陶瓷管是半透明材 9 西安科技大学硕士学位论文 质，所以要求采集到的图像质量很高。所以选用c c d 摄像机。 c c d 摄像机按照其使用的c c d 器件可以分为线阵式和面阵式两大类。c c d 摄像机 可分为彩色摄像机和黑白摄像机。选择摄像机的依据主要是焦距的大小、快门时间长短、 场频以及输入输出接口等。焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大， 所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不是很清楚。焦距数值大，视场角小，观察范 围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得很清楚。由于焦距和视场角 是对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择摄像机焦距时，应 该充分考虑是观测细节重要还是一个大的范围重要。 快门时间是指摄像机获得一幅图像的曝光时间，一般为1 5 0 s ，1 1 2 5 s ，1 2 5 0 s ， 1 5 0 0 s ，1 1 0 0 0 s ，1 2 0 0 0 s ，1 6 0 0 0 s ，1 1 0 0 0 0 0 s 等呻1 。 在系统中选用了沙视宝黑白摄像机，需要拍摄运动中的陶瓷管图像，要求摄像机的 曝光时间应当尽量短，否则陶瓷管运动图像将出现拖尾模糊现象。 2 2 3 图像采集卡 图像采集卡是控制摄像机拍照，完成图像采集与数字化，协调整个系统的重要设备。 它一般具有以下功能模块。 ( 1 ) 图像信号的接收与a d 转换模块，负责图像信号的放大与数字化。有用于彩色 或黑自图像的采集卡，彩色输入信号可分为复合信号或r g b 分量信号。同时，不同的 采集卡有不同的采集精度，一般有8 b i t 和1 0 b i t 两种。 ( 2 ) 摄像机控制输入输出接口，主要负责协调摄像机进行同步或实现异步重置拍照、 定时拍照等。 ( 3 ) 总线接口，负责通过p c 机内部总线高速输出数字数据，一般是p c i 接口，传 输速率可高达1 3 0 枷o p s ，完全能胜任高精度图像的实时传输，且占用较少的c p u 时间。 系统中采用天敏2 0 0 0 s d k 视频监视卡来进行陶瓷管图像的采集。 2 2 4 图像处理 在小件陶瓷管自动检测系统中，图像处理是检测分类很重要的一部分内容，选择好 的图像处理方法是至关重要的，陶瓷管的图像处理主要包括：图像的预处理、图像分割， 以及特征提取与分类等。 ( 1 ) 图像预处理：预处理的目的是去除噪声，加强有用的信息，并对输入测量仪器或 其他因素所造成的退化现象进行复原。在陶瓷管缺陷检测系统中由于成像系统存在非线 形畸变、图像运动造成的模糊以及几何畸变等等，同时存在由于电子成像系统传感器及 信号传输过程中产生的噪声干扰。因此首先要对图像进行预处理，主要采用了中值滤波 平滑处理和剃度图像增强处理。 1 0 2 小件陶瓷管自动检测系统的搭建 ( 2 ) 图像分割：图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有 图像中物体的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。陶瓷管表 面存在裂纹的区域由于光发生漫反射而使其灰度值低于其它区域，图像分割的目的是凸 现裂纹，在这里我们采用了数学形态学分割方法。 ( 3 ) 特征提取以及分类：特征提取是形状特征提取等图像分析的重要基础，根据边缘 提取的结果得到图像的形状特征，这是进行下一步判别的依据。经过陶瓷管图像的特征 提取就可以进行分类操作。 2 3 机械装置设计方案 机械装置是自动检测系统的基础和核心部分。根据检测任务合理的设计机械结构和 选择动力源，使得机械装置结构简单，运行平稳。 ( 1 ) 机械结构设计方案 小件陶瓷管自动检测系统机械装置包括自动供料机构、自动检测机构以及分选机构 等。主要实现以下几个功能： 输送陶瓷管到要求的位置； 对陶瓷管进行分类( 正品或次品) ； 根据被检对象陶瓷管的几何特性和物理特性，确定了机械装置的结构，自动供料机 构采用了料仓式的回转供料机构，自动检测机构主要是把供料机构供送的陶瓷管送到 c c d 镜头前，该部分主要设计了两个运动：竖直方向的移动和转动。其中实现竖直方向 运动的机构，选用了丝杠螺母结构，将旋转运动转换为直线运动。 ( 2 ) 动力源选择 根据自己的使用情况选择不同种类的驱动系统，如直流电机( 无刷、有刷) 、交流 电机( 三相、单相) ( 同步、异步) 、步进、伺服等等。在系统中，选用了步进电动机作 为动力源。 步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移( 或线位移) 的电磁装置，是一种 特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状 态，当有脉冲输入时步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定 的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同 步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转 角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持 原有位置处于定位状态。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机 和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相 励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 西安科技大学硕士学位论文 2 4 系统软件的设计方案 系统软件包括两部分：步进电动机运动控制程序和上位机系统软件。步进电动机运 动控制程序是由汇编语言编写的，直接写到下位机即单片机里。 上位机系统软件采用v c + + 6 0 平台进行编程，主要包括三大部分：陶瓷管图像的采 集模块、图像处理模块以及串口通信模块。陶瓷管图像采集模块主要工作有连接图像采 集卡、建立图像采集窗口、进行图像采集，该模块利用vfw 技术来完成。陶瓷管图像 处理模块主要采用v c 和m a t l a b 混合编程的方法。串口控制模块主要是根据图像处理模 块的结果，发送对对机械装置进行运动控制等。 2 5 本章小结 本章根据设计任务，提出了小件陶瓷管自动检测系统的整体方案，并且确定了系统 中需要的各个部分的实现方案，包括光照系统、图像采集卡、摄像机、机械装置、动力 源以及系统软件。 3 小件陶瓷管自动检测系统机械装置设计 3 小件陶瓷管自动检测系统机械装置设计 3 1 小件陶瓷管自动检测系统机械装置的整体设计 小件陶瓷管自动检测系统机械装置主要实现陶瓷管的输送和分选功能。该装置包括 自动供料机构、自动检测机构以及分选机构。该机械装置结构见图3 i 所示。 图3 1 小件陶瓷管机械装置 1 转盘，2 一照明室，3 o c d 摄像机，4 转轴，5 一电动机3 ， 6 一丝杠螺母机构，7 一电动机2 ，8 一电动机i ，9 分选板，l o 料仓 小件陶瓷管机械装置的工作过程：步进电动机8 直接带动转盘1 旋转，将陶瓷管送 到转轴4 上，步进电动机8 暂停，这时丝杠在步进电动机7 的带动下，将旋转运动转化 为螺母的直线运动，螺母上的电动机5 带动转轴旋转，从而使得陶瓷管随着转轴一起转 动，当转轴旋转一周时，电动机7 反转，使得螺母向下移动到起始位置，这时电动机8 又带动转盘转动。这样往复运动，直到将所有陶瓷管检测完。 系统的三个运动作如下规定： ( 1 ) 转盘1 的转动：转盘l 的转动方向为从上往下看逆时针为正，每次转动的角位移 为3 0 度； ( 2 ) 转轴4 的移动：螺母沿着竖直方向移动，规定向上为正，行程为1 5 叫； ( 3 ) 转轴4 的转动：与转盘运动方向相同为正，反之为负，转轴转动范围为3 6 0 度。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 3 1 1 自动供料机构 因为小件陶瓷管易碎、不允许碰撞，所以采用了料仓式的自动供料机构，由料仓和 转盘组成，如图3 2 所示。其中转盘由步进电动机1 直接带动，实现小件陶瓷管的半自 动化供送。 ( 1 ) 料仓的设计与计算 料仓主要起导向及滑道作用，用来完成陶瓷管的取料、分离任务。在设计料仓时主 要考虑如下一些问题。 图3 2 自动供料机构 1 料仓2 转盘3 - 陶瓷管 料仓垂直放置，料仓的内径宽度是根据陶瓷管形态来确定的，在料仓中的陶瓷管靠 自重下滑，这时要合理考虑料仓与陶瓷管之间间隙e 的大小。如图3 3 所示，陶瓷管外 径为d ，高为h ，对角线长为c ，料仓内径为b ，则有： b = d + e式( 3 - 1 ) 由于间隙e 的存在，移动中的陶瓷管有倾斜的可能( 如图3 3 中虚线所示) 。当c 大于等于b 时，倾斜后的陶瓷管有被卡住的可能；当c p ，陶瓷管就不 会继续倾斜移动。 根据图3 3 中的几何关系可知： 。口：业：皇兰! c d 2 + h 2 即口= d 2 + h 2 c o s 口一d式( 3 - 2 ) 极限情况下，口= p 时， 1 4 3 小件陶瓷管自动检测系统机械装置设计 。一；五了可。户d ；呈：! ：一d 。 4 1 + 留p 式中f 滑动摩擦因数，一般取0 1 o 5 确 7 慧l 。一 工 一一一 - 一 匕 b广 d 式( 3 3 ) 图3 3 料仓内径宽度计算 根据以上分析和计算式，计算得到料仓与陶瓷管之间的间隙以及料仓的内径分别为 6 2 2 5 删n ，1 5 2 2 5 m m 。 所以，不难看出，摩擦因数越大，e 值越小，即料仓内壁越粗糙陶瓷管就越容易倾 斜，因此在设计的时候尽量降低料仓内壁表面粗燥度。另外，在设计中也可以利用下式 直接求的e 的值。 p 。= p m + j l + 曲 式( 3 - 4 ) 式中e m 一按h 9 h 8 或h l l h l o 配合公差选取： a h 一陶瓷管直径公差： b 一料仓内壁制造精度。 ( 2 ) 转盘的设计 转盘其实就是一个送料器，它的作用就是在规定的时间内将陶瓷管完好无损的送到 自动检测机构。转盘上有1 2 个孔，用来输送陶瓷管，当转盘转动时，料仓将陶瓷管送 到转盘上的孔内，所以根据料仓的设计原理，转盘上孔径d 1 等于料仓内径b 。这样在运 送陶瓷管的过程中，就不会出现陶瓷管倾斜不稳或卡住等现像。 3 1 2 自动检测机构 自动检测机构( 如图3 4 所示) 包括两部分：电动机2 带动的丝杠螺母结构和电动 机3 带动的转轴部分。该机构的主要运动原理是，电动机2 直接带动丝杠转动，将丝杠 1 5 西安科技大学硕士学位论文 的旋转运动转化为螺母的直线运动，从而使得转轴4 在竖直方向上移动，当转轴4 上升 到规定的行程时，电动机3 带动转轴转动，随后，螺母又下降到初始位置。 ( 1 ) 丝杠螺母机构的设计计算 因为丝杠螺母机构具有传动精度高，运动灵活、平稳等特点，本文采用该机构实现 将旋转运动转换为直线运动，丝杠螺母运动形式见图3 5 所示，丝杠固定使得螺母作直 线运动。 丝杠螺母机构主要用来传导，所以其主要的失效形式是由于磨损而产生的过大间隙 或变形引起的精度下降，所以在设计的过程中以螺纹耐磨性计算和丝杠的丹口度计算确定 螺旋传动的主要尺寸的。下面主要计算几个重要的尺寸，其他尺寸根据整个机械装置布 局要求设计。 5 图3 5 丝杠螺母运动形式 图3 4 自动检测机构 l 转轴2 一电动机3 3 螺母 4 一丝杠5 一电动机2 因为该系统运动速度要求低，所以丝杠螺母传动的许用比压查机械设计手册第3 卷得：【p 】- - - 7 5 1 3 n m m 2 ，取 p = 1 2 n m m 2 。 按耐磨性计算