（机械工程专业论文）壹元币表面质量检查技术研究.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n s t u d y o fs u r f a c ed e c t i o nt e c h n o l o g yo fo n e 一弋 y u a nc o i n b yg o u j i u b i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rx i el i y a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y 2 0 0 9 脚l iiii 肼肼0 肌7 肼1舢7 舢1舢y 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：6 二 思0 学位论文作者签名：勾欠找 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学工程硕士学位论文目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第1 章绪言。 i 1 1 课题背景l 1 2 设计要求2 1 2 i 检测功能2 1 2 2 检测性能指标2 1 3 质量检查采用的相关技术3 1 3 1 纹理分析：3 1 3 2h o u g h 变换：4 1 3 3 边缘检测：4 第2 章设计方案。 6 2 1 系统工作原理和组成。6 2 1 1 表面检测系统工作原理6 2 1 2 厚度检测系统工作原理7 2 2 主要检测性能评估9 2 2 1 好品定义9 2 2 2 缺陷品定义1 0 2 2 3 规格检测。1 2 2 2 4 缺陷检测1 3 2 2 5 厚度检测1 6 2 3 光学分系统设计1 6 2 4 电气分系统设计。1 6 2 5 结构分系统设计1 6 2 6 软件分系统设计1 7 第3 章系统主要部件选择 3 1 光源18 3 2 相机2 l 3 3 镜头2 2 3 4 图像采集设备2 3 3 5 编码器与位置传感器2 3 3 6 气动喷嘴2 4 3 7 计算机系统2 5 第4 章关键技术 4 1 图像处理流程2 6 4 2 主要算法2 6 4 3 高速图像处理。2 7 4 4 有效照明2 7 4 5 精确成像2 8 东北大学工程硕士学位论文目录 第5 章识别系统设计结果 5 1 谱段2 9 5 2 检测时间与速度2 9 5 3 检测能力2 9 5 4 误检率2 9 5 5 漏检率3 0 5 6 接 3 0 5 7 工作环境3 0 5 8 设计结果3 0 第6 章机械传动系统及结构件的设计结果 6 1 设备外型及整体设计3 2 6 1 1 设备外型设计a 3 2 6 1 2 外型方案b 3 4 6 1 3 两外型方案对比3 6 6 2 设备传输稳定性设计3 7 6 2 1 饼重叠问题3 7 6 2 2 皮带表面平稳问题3 8 6 2 3 送料连续性问题。3 8 6 3 安全性设计3 9 6 3 1 人身安全性3 9 6 3 2 设备安全性4 0 6 3 3 花饼质量保护设计4 l 6 4 设备噪音及运行环境设计4 l 6 5 设备维护保养内容设计4 2 6 6 主体设计中的部分结构4 2 6 7 壹元币花饼自动检查技术的其他应用4 5 第七章结论 4 7 7 7 1 设备应用情况4 7 7 7 2 与国内外同类产品及白饼检查机的比较错误l 未定义书签。7 参考文献 致谢。 一n 一 5 0 0 东北大学工程硕士学位论文 摘要 摘要 本文主要论述人民币壹元硬币成品( 花饼) 表面质量自动检查技术。花饼自动检查 技术的开发和应用，有力提升了企业的自动化水平，实现了减员、增产、高效的目的。 使原来的劳动力集中工序改造为先进的自动生产线，同时利用视觉检测技术的客观性， 代替人的主观因素，可以提高出厂产品的质量。 本文首先介绍花饼产品的表面质量缺陷的分类，根据实际生产的需要，确定检查系 统的设计参数和技术指标。根据技术指标，详细讨论了自动检查机的光学系统、电气系 统、机械传动系统的设计方案。详细论述了设计方案的实施及自动检查机的应用。 花饼自动检查机采用机器视觉技术，利用相机和光源配合，采集硬币表面各种缺陷， 并由相应的识别软件进行判别，利用气动喷嘴剔除残次币。 关键词：机器视觉，质量，缺陷，壹元，硬币，自动检查机 东北大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s st h et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i ci n s p e c tm a c h i n ea b o u to n ey u a n c o i n ss u r f a c eq u a l i t y t h ee x p l o i t u r eo ft h i st e c h n o l o g yu p g r a d et h ea u t o m a t i cl e v e lo ft h e m i n t ，a n dr e a l i z et h ea i mo fd e p l e t i o no fn u m b e r s ，i n c r e a s ep r o d u c t i o n ，a n da d v a n c ee f f i c i e n c y t h ew o r ko fc o n c e n t r a t i v el a b o u rf o r c ei sc h a n g e di n t oa u t o m a t i s mp r o d u c tl i n e t h e h o m i n i n es u b j e c t i v i t yi sr e p l a c e db yt h eo b j e c t i v i t yo fm a c h i n e v i s i o n i ti m p r o v et h eq u a l i t y o fo n e y u a nc o i n s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec l a s so ft h ec o i n ss u f a c e - d e f e c ti sd i s c u s s e d a c c o r d i n ga st h e n e e do fp r o d u c e ，i tc o n f i r mt h ep a r a m e t e r sa n dt a r g e to ft h em a c h i n e t h ep r o j e c to fo p t i c a l s y s t e m ，e l e c t r i cs y s t e m ，a n dm e c h a n i c a ls y s t e m i sd i s c u s s e da c c o r d i n ga st h et a r g e t t h i s d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ea c t u a l i z eo f t h ep r o j e c ta n dt h ea p p l i a n c eo f t h em a c h i n e t h ea u t o m a t i ci n s p e c tm a c h i n ea d o p t e dt h et e c h n o l o g yo fm a c h i n e v i s i o n t h e c o m b i n a t i o no fc a m e r a sa n dl a m p h o u s ec a ng a t h e rt h ed e f e c to ft h ec o i n s ，a n dt h ed e f e c tw a s d i s t i n g u i s h e db yd i s c r i m i n a t i n gs o f t w a r e t h ed e f e c t - c o i n sw a se l i m i n a t e db yp n e u m a t i c n o z z l e k e yw o r d s ：m a c h i n e v i s i o n ，d e f e c t ，o n ey u a n , c o i n ，a u t o m a t i ci n s p e c tm a c h i n e l i 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪言 1 1 课题背景 第1 章绪言 目前我国生产中的流通硬币主要有三种，分别是一元币，5 角币和一角币。此外还 有一定数量的纪念币。由于中国人口数量多，流通硬币数量大，所以采用自动化的造币 过程是提高生产效率的必由之路。随着国力的提高，人们对代表国家形象的货币质量要 求也越来越高。 表面缺陷自动检测技术开始于2 0 世纪7 0 年代。美n c o g n e x 公司于1 9 9 6 年先后研制 成功t i s 2 0 0 0 自动检测系统和i l e a m 自学习分类器软件系纠2 1 。1 9 9 6 年上海宝钢与原航 天部二院联合研制出冷轧连铸坯表面缺陷在线检测系统 3 1 。德国p a r s y t e e 公司t 4 1 于1 9 9 7 年为韩国浦项制主要采用机器视觉技术，对产品表面进行成像和缺陷判定。自动检测技 术的一个主要分支就是图像识别技术，近年来得到了广泛发展。目前，图像识别技术有 基于阈值( 如o t s u 的类间距最优阈值法f 5 6 】、梯度直方图自适应阂值【7 】等) 和基于人工智 能( b p 神经网络分割踟、支持向积量的图像识另l t 9 1 、模糊图像识别等等方法) 。 采用硬币成品( 简称花饼) 质量检测系统代替传统的人工质量检测可以实现自动化 造币的过程，提高生产效率，还可以提高出厂产品的质量。 花饼检测是造币流程中的最后一个环节，是产品质量把关的最后一道关口。在造币 的诸多流程中，由于工艺、设备、环境、人为等因素，会产生各种缺陷，如：划伤、碰 伤、粘模、脏饼、油饼、大残缺、小残缺、黑点、腐蚀、变色、粘坑、起瘤等。以往采 用人工检测，存在一些问题： ( 1 ) 检测标准受制于经验、状态、生理等人的主观因素； ( 2 ) 劳动强度大，长期工作对人生理状况有影响； ( 3 ) 效率比较低，受制于人的识别速度； ( 4 ) 人力成本高，每条人工检测线配备4 ：g 检查人员。 花饼质量检测系统采用机器视觉技术，通过对产品实物的实时图像进行处理，可以 测量花饼的工艺尺寸，识别各种缺陷，并对不符合质量要求的花饼进行剔除。采用机器 视觉技术进行质量检查带来的好处是： ( 1 ) 检查标准客观，而且可以定量描述； ( 2 ) 提高生产效率，检测速度取决于硬件运算速度和程序优化程度，随着技术的 东北大学工程硕士学位论文第1 章绪言 发展，可以不断升级； ( 3 ) 解放劳动力，提高造币自动化程度。 本文讨论的一元硬币表面自动检查系统可以完成以下任务： ( 1 ) 检查花饼内外圆尺寸、圆度、同心度，以及花饼厚度是否符合要求。 ( 2 ) 检查花饼是否存在因工艺、设备、环境、人为等因素产生的各种缺陷。 ( 3 ) 对缺陷花饼进行自动剔除。 ( 4 ) 各种检测尺度可以根据用户需求进行调整。 ( 5 ) 各种检测数据可以存储、输出、浏览，并可生成各种报表。 ( 6 ) 操作界面为中文界面，直观易懂。 ( 7 ) 各种控制功能和参数调整由屏幕引导操作。 1 2 设计要求 根据实际情况，研究对象主要是未出厂发行的流通币，所以重点考虑残次品情况， 即根据人民银行流通币标准，正确判别不合格的残次品。主要是划痕、黑点、变色、残 缺、坏边等缺陷作为研究指标。 另外，考虑到自动检查机需要在实际生产中应用，应该具备必要的操作功能。 1 2 1 检测功能 ( 1 ) 剔除残缺、粘模、变色、划伤等不合格花饼。 ( 2 ) 检测参数及其精度在一定范围内可调，通过调整相关参数，可以适用于所有 现有流通币及流通纪念币。 ( 3 ) 模板图案可以更换。( 当产品更换年号时，需要调整模板) ( 4 ) 操作简单、方便，实现自动化生产。 ( 5 ) 人一机界面，w i n d o w s 操作系统，具备数据输入输出外部接口。 1 2 2 检测性能指标 ( 1 ) 正常运行启动时间：2 0 分钟； ( 2 ) 检测速度：普通流通币不低于1 2 0 0 枚分钟，纪念币及纪念章可根据实际情 况调整，最低不低于1 0 0 枚分钟。 一2 一 东北大学工程硕士学位论文 第1 章绪言 ( 3 ) 产品种类：硬币、纪念币、纪念章； ( 4 ) 最大检测直径：4 0 m m ； ( 5 ) 最小检测厚度：1 2 m m ； ( 6 ) 外形规格：长度：0 0 5 r a m ； 宽度：0 0 5 m m ： 直径：l o m m 中 2 0m m0 0 2 m m ； 2 0 r a m 中 3 5m m 0 0 2 m m ； ( 7 ) 外径公差：0 0 3 r a m ；厚度公差：o 0 8m i l l ；同心度公差：0 0 5 r a m ( 8 ) 粘坑、划伤检测能力 0 5m m x0 5m m ( 9 ) 残缺、黑点检测能力：o 1m m x 0 1m m $ ( 1 0 ) 被检产品误检率： 5 ( 11 ) 被检产品漏检率：严重缺陷漏检率为零，一般缺陷漏检率小于万分之二( 废 品界定标准详见中国印钞造币总公司制定的流通硬币检验规则) 。 ( 1 2 ) 噪音： 8 0d b ( 1 3 ) 各种缺陷检测参数可以由软件界面设定。 1 3 质量检查采用的相关技术 1 3 1 纹理分析 采用纹理分析的方法可以确定缺陷所在位置。对一幅采集图像进行预处理后，可以 从中提取一些能够反映缺陷纹理性质并且相对稳定的特征，作为识别缺陷的依据 1 1 。 纹理是复杂的视觉实体或者子模式的组合，有亮度、色彩、陡度、大小等特征，因而纹 理可以看作相似子影像的组合。可以用以下特征对纹理进行描述：均质性、密度、粗 糙度、规则性、直线性、方向性、频率、相位等。其中一些并非独立，例如频率不独立 于密度，而方向性只对方向性纹理有用。 应用纹理的具体方法就是进行纹理分析。图像纹理分析已被应用于各种图像处理过 程，如图像分割、图像识别等。图像分割方法已经得到广泛应用( 如：基于神经网络的 纹理分割方法 1 2 ，基于马尔可夫随机域模型的分割方法 1 3 ，基于小波变换的纹理分 割方法 1 4 ) 。纹理特征提取是纹理分析中关键的一步 1 5 。纹理分析指的是通过一定 东北大学下程硕士学位论文 第1 章绪言 的图像处理技术抽取出纹理特征，从而获得纹理的定量或定性描述的处理过程。包括两 方面的内容：检测出纹理基元和获得有关纹理基元排列分布方式的信息。其基本方法可 分为统计方法、结构方法和谱方法三大类。统计方法是指在不知道纹理基元或尚未监测 出基元的情况下进行纹理分析，主要描述纹理基元或局部模式随机和空间统计特征，如 灰度共生矩阵法、随机场模型法等。结构方法主要在已知基元的情况下进行，描述纹理 基元及其周期性排列的空间几何特征和排列规则，如形态学、图论、拓扑等方法。谱方 法是建立在多尺度分析与时、频分析基础之上的纹理分析方法，如g a b o r 检测方法 1 6 、 基于结构分析的方法 1 7 、小波变换、分形学等。灰度共生矩阵可以描述影像各像元灰 度的空间分布和结构特征，在利用影像的纹理特征改善影像的地学目标分类效果方面具 有优势。 1 3 2h o u g h 变换 h o u g h 变换是p a u lh o u g h 在1 9 6 2 年提出的一种图像边缘检测技术，它可以检测图像 空间中的任意解析曲线。h o u g h 变换以其对局部缺损的不敏感、对随机噪声的鲁棒性以 及适于并行处理等优良特性，备受图像处理、模式识别和计算机视觉领域学者的青睐。 霍夫变换若用于直线检测，是先把直角坐标系的目标点映射到极坐标系上进行累 积。即先使直角坐标系平面上任一直线上的所有点均累积到极坐标系的同一点集中去， 然后通过寻找极坐标系中点集的峰值，来发现长的直线特征。由于这种点集是通过累积 统计得到的，因而能够容忍直线的间断。h o u g h 变换的基本思想是点线对偶性，即 在图像空间中共线的点对应于参数空间里相交的线；反过来，在参数空间中相交了同一 点的所有直线在图像空间中都有共线的点与之对应。基于这种思想，h o u g h 变换把在图 像空间需要解决的问题转换到参数空间，通过在参数空间里进行简单的累加统计，完成 目标检测、基元提取等任务。 本设计中采用该技术进行划痕及裂纹所在象素位置的提取。 h o u g h 变换也可以用于圆检测，从而确定变色点位置。由于圆有3 个自由参数，需在 三维参数空问进行累积，但传统方法因计算量和内存需求量过大而不符合实际应用。可 以采用一些改进的快速算法，以满足项目要求。 1 3 3 边缘检测 通过图像处理中的边缘检测算法( 如c a n n y ，s o b e l ，r o b b e r t 等) 完成缺陷的特征 一4 一 东北大学工程硕士学位论文 第l 章绪言 边缘提取。主要是各种缺陷的数字特征提取，包括纪念币表面的变色点、划痕和裂纹。 图像中物体的边缘有方向和幅度两个特性，沿边缘走向的灰度变化平缓，而垂直于 边缘走向的灰度变化剧烈( 可能是阶梯形或斜坡形) 【l 引。 一般边缘检测算子提取出的边缘比较粗，需要进行细化处理。边缘增强算法的原理 是将图像向右平移一个像素，然后用原图像减去平移后的图像；同时将图像向上平移一 个像素，再用原图像减去平移后的图像。这两个方向的平移相减结果均反映了原图像颜 色变化率的大小。对于原图像中像素值保持不变的区域，相减的结果为零，即像素为黑； 对于图像中像素变化剧烈的区域，相减后得到较大的变化率。为能同时增强水平方向和 垂直方向的边缘，对两个方向的平移相减结果进行求和，并以此结果作为新图像像素的 值。新图像的值越大，表示原图像相邻像素之间颜色变化率越大，也即颜色变化越剧烈， 这样就形成新的边缘图像。 东北大学工程硕士学位论文 第2 章设计方案 2 1 系统工作原理和组成 检测系统采用机器视觉技术，即通过图像传感器获得实时的目标图像，再通过图像 处理技术获得缺陷信息，进行好坏品分拣。机器视觉是以图像处理理论为核心，属于人 工智能范畴的一个领域，它是以数字图像处理、模式识别、计算机技术为基础的信息处 理科学的重要分支【1 9 1 。图2 1 是系统工作原理图。 图2 1 系统工作原理框图 f i g 2 1a s c h e m a t i cd i a g r a mo fs y s t e m i cw o r k 光源是系统的基准和参考源，在照明检测目标的同时，提供系统基准信号。检测目 标被照亮后，表面信号( 包括图案、背景和缺陷) 将调制在基准信号上。调制信号通过 镜头会聚后成像在相机的焦面上，相机通过c c d 将光学图像信号转换为电子图像信号 进入图像采集单元，采集单元将图像信号处理为需要的格式后，进行各种信息提取和处 理，将正常的信号和缺陷信号标记出来，由计算机分发给显示单元、报警单元、执行单 元和数据库。 2 1 1 表面检测系统工作原理 为了节省研发经费和周期，根据项目技术指标要求，首先进行单路仿真，仿真成 功后，在成品机型上进行双路调试，最终形成一套包括正面、反面和厚度检测单元的双 路高速图像检测系统。双路检测在同一块皮带上并行进行。最终成品机型工作原理示意 图如图2 2 所示。 东北大学工程硕士学位论文 图2 2 系统工作原理示意图1 f i g 2 2f i r s ts c h e m a t i cd i a g r a mo fs y s t e m i cc o n f i g u r a t i o n i 一 传送带 剔除控制气嘴 曰矿 曰龟 粥日 口”、 il _ 一_ ： j i 相机3i 、， ll 花饼3 l j 传感p 日 “ 1i ，、 i 1 ：， i 相机4l b ii 传感器4 l _ 一 传送带 剔除控制气嘴 图2 3 系统工作原理示意图2 f i g 2 3s e c o n ds c h e m a t i cd i a g r a mo fs y s t e m i cc o n f i g u r a t i o n 为了提高检测效率，系统采用两路并行检测，如图2 3 所示。花饼由进料斗落到传 送皮带上，经过机械定位装置，使花饼紧贴靠山运行，使得运动轨迹左右受控，便于检 测。当花饼到达位置传感器时，确定花饼前后精确位置，结合传送带的速度，触发相机 快门，获得准确的实时产品图像信号。发现不符合质量标准的产品，控制气动喷嘴将废 品剔除。 2 1 2 厚度检测系统工作原理 花饼厚度测量系统首先要测量花饼厚度，可以通过被检产品的上下边缘的成像距离 一7 - - 东北大学工程硕士学位论文 来计算其实际距离( 即产品的厚度) ；同时系统中要能够实现花饼产品的准确定位，这 可以通过计算花饼产品在成像画面中的相对位置得到。图2 4 和2 5 为花饼厚度测量分 系统工作原理示意图。 寒 罂 翻 蒜 剿 隧 ll 一 三差圣曼：- ，堡垒兰苎，1i 匿= 一焦整壹。：习 棱镜 图2 4 厚度检测系统结构示意图l f i g 2 4a s c h e m a t i cd i a g r a mo fs y s t e mo fm e a s u r et h i c k n e s s 弧形l e d 光源 图2 5 厚度检测系统结构示意图2 f i g 2 5as c h e m a t i cd i a g r a mo fs y s t e mo fl a m p h o u s e 镜头、相机、棱镜均为两路共享。照明方案选择了弧形对称式照明，以增强花饼圆 型边圈成像效果。相机工作时，以一定工作频率不断采集图像，每两次图像之间存在一 定的重合象素，保证不会漏掉被检产品。 一8 一 ) 期厂l 榷 东北大学工程硕士学位论文 2 2 主要检测性能评估 整个系统是集光、机、电一体化的产品，由光学、电气、机械、软件分系统构成。 所有分系统的设计和研制均严格围绕合同中的各项功能和指标开展设计，从检测功能 上，可以把各种指标分为以下三类： ( 1 ) 规格测量 规格超差测量，内容主要包括：长度、宽度、直径、同心度测量等。系统设计的难 点在于对于三维目标的二维客观成像上。最小的测量指标为直径：0 0 7m m 。 ( 2 ) 缺陷检测 缺陷检测主要包括两部分内容：一部分为表面缺陷检测，诸如划伤、碰伤、粘模、 脏饼、油饼、大残缺、小残缺、黑点、腐蚀、变色、粘坑、起瘤等；另外一部分为规格 缺陷检测，主要包括各种残缺币、边圈划痕、边圈缺失、花饼变形等。系统设计的难点 在于各种表面缺陷的有效成像及缺陷的分割，特征提取和正确分类口o l 。如对于超低角度 的“粘坑 、“起瘤”等缺陷的有效成像，对于模具冲击形成的“对光”、“边偏 等缺陷、 对于边圈缺陷的有效成像等；系统设计的另一难点在于如何选择有效算法进行各种表面 缺陷的有效检测。 ( 3 ) 厚度测量 厚度测量包含厚度测量和厚度检测两部分内容，其内容属于规格测量范畴，但是由 于其光照方式和其它规格测量有所区别，因此单独进行设计。厚度测量的设计难点在于 同时实现双路检测，达到理想设计要求。规格测量的精度要求为o 0 8 m m 。 2 2 1 好品定义 基于模板的表面检测技术中，首先要明确定义好品特征。好品定义一般通过人眼目 视统计得到，但是对于视觉检测系统，必须能够从数字角度量化定义好品，才能为后续 的缺陷检测打下基础。 针对花饼检测项目，必须首先分析好品的分布范围，同时要把图文区域( 前景) 和 非图文区域( 背景) 分别进行统计。通过研究现场收集到的好品样本，同时结合缺陷产 品表面分布特点，得到好品的前景以及背景图案针对x 轴和y 轴进行投影的分布曲线。 下图为好品前景图案的分布曲线示意图，最下面的浮动曲线代表不同好品最大灰度和最 小灰度之间的差异。 一9 一 东北大学工程硕士学位论文 图2 6 好品x 轴投影曲线图 f i g 2 6ad e t e c t i o nc u r v el i n ec h a r to fx a x i s 图2 7 好品y 轴投影曲线图 f i g 2 7ad e t e c t i o nc t l r v el i n ec h a r to f y - a x i s 从图2 6 和2 7 可以看出，在小范围统计数据中，不同好品的差异曲线平均值已经 达到2 0 d n ，说明人眼目视定义的好品，其实际灰度之间的差异较大，分布范围比较广。 这将直接造成缺陷检测公差阈值的扩大，降低检测能力，增加漏检概率。系统中将采 用一定的手段来弥补和抑制好品的波动，包括以下方法： ( 1 ) 增强照明系统均匀性和对称性 ( 2 ) 使用白平衡方式进行补偿 ( 3 ) 软件上采用缺陷检测公差修正算法 2 2 2 缺陷品定义 缺陷品定义为不满足标准好品要求的产品。通过对人工检出的各种缺陷产品进行分 类统计，可以将花饼缺陷分为表2 1 所述类型： 东北大学工程硕士学位论文 表2 1 缺陷分类 t a b l e2 1t h es o r to ft h es u r f a c ed e f a c t 其中，不同的检测方式存在不同的技术难点，在本方案中，关键点均在于如何能够 清晰成像、客观真实反映缺陷特征。图2 8 为典型缺陷样本图像： 图文浅印表面压痕表面腐蚀 图2 9 硬币外圈的曲线拟合 f i g 2 9t h ep a i n t e dc u r v eo fc o i n sb r i n k 东北大学工程硕士学位论文 表面污渍图文变色 表面污点表面粘模 表面划痕 表面粘坑 表面划痕边圈划痕边圈压痕 续图2 8 典型缺陷样品图像 f i g 2 8i m a g e so f t y p i c a ld e f e c to f c o i n ( c o n t i n u e d ) 2 2 3 规格检测 规格检测主要包括两部分内容：一部分为规格超差测量，内容主要包括：长度误差、 宽度误差、直径误差、厚度误差、同心度误差等。另外一部分为规格缺陷检测，主要包 括各种残缺币、边圈划痕、边圈缺失、花饼变形等。 对于规格超差测量，精度要求比较高，如直径检测精度高达4 - o 0 2 m m 。按照通用 思路，像元分辨率需要设计到o 0 0 7 m m p i x e l 才能够达到o 0 2 m m 的检测精度。但是如 此高的像元分辨率对系统本身信噪比、运输带稳定性和震动量都提出了极高的要求，且 东北大学工程硕士学位论文 硬件成本将直线上升。设计方案中采用亚象元曲线拟合方式进行规格测量，在成像清晰 的情况下，采用亚象元曲线拟合方式的测量精度可以做到像元分辨率的1 8 到1 1 0 ， 曲线拟合示例见图2 9 。因此对于o 0 2 m m 的直径检测精度，像元分辨率只需在0 0 5 m m 以上便可以满足规格检测的要求，检测精度可达到0 0 1 r a m 。 规格缺陷大多是花饼的外边缘产生的残缺币、边圈划痕、边圈缺失、花饼变形等， 采用表面检测方法便可以满足检测要求。 【原始图像】【曲线拟合外圈】 【残缺币】【边圈残缺】 【边圈划痕】 【边圈变形】 图2 9 硬币外圈的曲线拟合 f i g 2 9 t h ep a i n t e dc t l r v eo fc o i n sb r i n k 采用亚象元曲线拟合方式进行规格测量时，要求图像边缘比较锐利，不能存在阴影 干扰：同时进行大量统计来验证测量精度。在算法实现过程中要保证处理时间满足要求。 2 2 4 缺陷检测 除了规格缺陷以外，现场还存在大量的其他缺陷类型，划伤、碰伤、粘模、脏饼、 油饼、大残缺、小残缺、黑点、腐蚀、变色、粘坑、起瘤等缺陷：在选择合适的光源后， 系统要求能够首先从图像上可以分辨出缺陷和背景的差异，然后利用目前成熟的缺陷检 测技术，如大面积缺陷检测方案、点缺陷检测方案、斜道检测方案、散点检测方案、能 量检测方案等，将图像异常点从图像中分离。图像异常点的判据取决于该像素灰度值与 图像灰度均值的差和该像素梯度值与图像梯度均值的差【2 1 1 。 东北大学工程硕士学位论文 缺陷检测算法基本可以采用表面检测的成熟算法。根据表面检测经验，一般缺陷检 测精度可控制在5 5 像素面积以内，部分目视明显缺陷检测能力可以达到2 2 像素。 如果系统像元分辨率选择为0 0 5 r n m p i x e l ，则对应的一般缺陷和严重缺陷检测能力 可以达到为0 2 5 m m x 0 2 5 m m 和0 1 m m x 0 1 m m ，满足检测性能指标要求。 图2 9 为缺陷币采集图像，通过定位配准、旋转、聚类b l o b 分析等流程后得到的 处理结果，其中b l o b 图像表示经过缺陷分离后，只剩下缺陷位置的灰度信息，因此可 以通过b l o b 图像和缺陷图像进行对比，来判定缺陷的检测能力。 【变色】【定位旋转结果】 b l o b 结果】 图2 9 不同缺陷币的b l o b 图像 f i g 2 9 t h ei m a g e so ft y p i c a la m i s sc o i n s 一一一一一一一 东北大学工程硕士学位论文 【花饼变形】【定位旋转结果】 b l o b 结果】 续图2 9 不同缺陷币的b l o b 图像 f i g 2 9 t h ei m a g e so ft y p i c a la m i s sc o i n s ( c o n t i n u e d ) 一1 5 一 东北大学工程硕士学位论文 2 2 5 厚度检测 厚度测量指标要求为0 0 9 r a m 精度。根据系统成像特点，能够将1 2 花饼外圈厚 度图像完整成像( 见图2 1 0 ) 。由于采用了弧形光源，整个成像表面清晰度可以得到保 证。因此可以通过大成像范围来精确求取花饼厚度数值。花饼上下表面边缘同样可以采 用亚象元曲线拟合方式进行描述。在象元分辨率为0 0 4 r a m - - - 0 0 8 r a m 范围内，厚度测 量精度均可以优于0 0 8 m m 。 2 3 光学分系统设计 图2 1 0 硬币厚度图像 f i g 2 1 0 t h ei m a g e so fc o i n st h i c k n e s s 作为机器视觉系统，系统要求在选择合适的照明系统后，首先要在图像上得到足够 的缺陷或边界信息，而后运用图像检测技术达到检测以及测量的目的。严格的检测指标 对光学系统提出了较高的要求，光学系统必须选择针对性的光学照明系统以及成像方 案。 其中影响照明效果可能因素有：光源高度、镜头相对孔径、相机积分时间、光源口 径、光源颜色、产品表面特性、平台水平度、光源照度、光源照射角度等。 针对系统设计指标要求，实际设计结果“最大视场”为5 0 r a m 。光源寿命采用了“同 步频闪技术 ，使得表面检测的光源寿命最少不短于3 年。 2 4 电气分系统设计 花饼质量检查机的电气分系统，负责花饼的精确定位、控制相机的曝光和控制剔除 缺陷品。项目组针对现有检测方案，设计了以单片机为核心的电控系统，并利用以色列 检查机上的原有传感器、编码器和气动喷嘴实现了花饼定位、相机准确曝光和剔除控制。 2 5 结构分系统设计 花饼质量检查机的结构分系统主要包括传送带结构和斜面结构两大部分。具体的结 东北大学工程硕士学位论文 构设计内容包括：4 套表面检测相机镜头、光源安装调节结构；l 套斜面双路相机镜头、 光源安装调节结构；花饼位置触发传感器安装调节结构；外部接口设备( 显示器、键盘、 鼠标) 安装调节结构；所有的结构安装和调节设备，其加工工艺均得n - y 严格保证，出 厂前均进行了严格的实验室联调，确保现场安装调试一次通过，并具有极高的精度。 2 6 软件分系统设计 r 掣量蔗1 广一一一一一一一i ；j 甭压雨衣哪l ! e 一一j ! l 竺剿一； 东北大学工程硕士学位论文 第3 章系统主要部件选择 花饼检测中，最重要的约束指标是直径o 0 2 m m ；厚度o 0 8i l l n l 的测量精度。为了 降低软件后期处理的难度，表面成像系统分辨率设计为o 0 5 m m p i x e l ，厚度检测系统成 像分辨率设计为o 0 4 m m p i x e l ，结合后期软件的亚象元曲线拟合算法，测量精度可以满 足设计指标。 象元分辨率与以下参数有关：镜头工作距离( 物距) l 、镜头焦距f 、相机的象元 尺寸w 。各参数之间约束关系为： 分辨率= l w f 。 ( 3 1 ) ( 1 ) 物距l 此参数受到如下条件的约束：镜头的最近工作距离，普通镜头大约在几十到几百毫 米之间；空间结构尺寸限制；物距过长，通光量要求增加，对光源提出较高要求。 综合考虑后，将工作距离选为l = 2 0 0 m m 。 ( 2 ) 象元尺寸w c c d 相机的像素尺寸大多在4 - 2 5 u m 。由于花饼厚度仅1 2 2 m m ，成像约3 0 5 0 个 像素即可满足要求。一般小面阵c c d 相机就远远够用。象元尺寸大小将由c c d 相机的 选型决定。 ( 3 ) 镜头焦距f 上述参数确定后，可以根据f = l w 分辨率公式计算出镜头焦距f 。 ( 4 ) 工作速度( 频率) 相机的工作频率与传送带的运动速度和单次曝光采集的幅面大小有关。最低要求为 不出现漏拍( 即信息不丢失) 。 3 1 光源 光源是系统设计的关键，是系统的参考信号，目标信号将调制在参考信号上。由于 花饼具有反光特性以及任意角度旋转特性，对光源选型提出了更多的要求。 光源选型的关注点为： ( 1 ) 重复性、稳定性、系统固有信噪比。 同一枚硬币在同一位置不同时刻的图像致性应非常好。照度场均匀性，对称性、 东北大学工程硕士学位论文 旋转不变性。只有均匀和中心对称，才能够满足产品的旋转不变性，即产品的任意旋转 角度下，其分布特征变化幅度很小。本特性对后续缺陷检测公差建立将有很大影响。不 同颜色产品适应性。由于检测产品种类很多，不同产品具有不同的颜色和亮度。光源对 于不同颜色产品适应性表现在更换检测产品类型时，只需利用软件控制相机曝光时间即 可满足检测要求。 ( 2 ) 花饼规格测量表现力。 要求该光源能够充分表现产品的边缘锐度，同时不产生边圈阴影以及边圈过饱和等 特征，这样有利于后期软件算法进行规格参数检测。花饼缺陷识别表现力。要求该光源 能够合理拉开缺陷与原始背景之间的灰度差异，对于不同的缺陷都有很好的表现能力， 将对后期缺陷检测算法打下很好的基础。其中影响光源照度场的可能因素有：光源高度、 镜头相对孔径、相机积分时间、光源口径、光源颜色、产品表面特性、平台水平度、光 源照度、光源照射角度等。经过大量实验，并分析了同轴光源、低角度光源、扩散光源、 组合光源等在上述不同影响因素下的特性，最终选择了白色同轴光源来构架系统的照明 系统。 白色同轴光源与其他光源相比，成像特性更加接近于人眼的视觉特性。可以消除花 饼表面反光特性对图像采集的影响；可以充分花饼表面花纹和缺陷特征白色光光谱范 围光；对于各种颜色的花饼以及彩色纪念币产品具有较好的颜色描述力；对于色差缺陷 或者油污缺陷表现力较好。 表3 1 光源参数 t a b l e3 1p a r a m e t e r so f t h el a m p h o u s e 光源型号l f v - 7 0 s w 输入电压 电流 功率 最大波长 工作环境 重量 2 4 v d c 0 4 7 6 am a x 2 4 v 1 1 w 4 6 5r i m 温度：0 4 0 ，湿度：2 0 8 5 4 5 5 克 图3 1 为同轴光源和低角度光源对于不同缺陷产品的成像对比，同轴光源在表现缺 陷特征方面优于低角度光源。 东北大学工程硕士学位论文 同轴