（检测技术与自动化装置专业论文）基于机器视觉的密封橡胶圈缺陷检测的研究(1).pdf

基于机器视觉的密封橡胶圈缺陷检测的研究 摘要 目前 国内密封橡胶圈的表面缺陷及尺寸检测主要靠人工检测 这会增加 巨额的人工成本和管理成本 同时检测的精度和速度也达不到生产的要求 针 对o 形密封橡胶圈的表面缺陷及尺寸的检测 本课题主要对以下几个方面进行 了研究和讨论 1 介绍了机器视觉技术和橡胶圈产品缺陷的检测技术 搭建了由p c 机 采集 卡 摄像机及照明系统组成的硬件实验平台 2 对于图像滤波 增强 分割等多种经典算法 实验分析比较了各种算法的 优劣 选择了适合本项目的中值滤波 c a n n y 边缘检测等算法 并在p c 机上验证 了整套算法的可行性 3 结合橡胶圈的检测要求 采用模板匹配 h o u g h 变换等算法 利用特征参数 快速形成模板的方法进行特征提取 特征检测 4 对检测误差进行了分析 提出减小误差的有效研究方向 为后期改进系统 设计做了准备 最后编写了简单的应用界面 关键词 机器视觉 图像处理 橡胶圈检测 边缘检测 模板匹配 r e s e a r c hf o rd e t e c t i n gt h es e a l e d r u b b e rr i n gd e f e c t s b a s e do nm a c h i n ev i s i o n a b s t r a c t a tp r e s e n t t h ed e t e c t i n go ft h es u r f a c ed e f e c ta n dt h em e a s u r e m e n to t t h e s e a l e dr u b b e rr i n gs t i l lr e l i e so na r t i f i c i a li n s p e c t i o n i tw i l li n c r e a s et h ef a c t o r y s l a b o rc o s ta n dm a n a g e m e n tc o s t w h i l et h ea c c u r a c ya n ds p e e d o fd e t e c t i o nd o e sn o t c o n s i s t e n tw i t ht h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s a sf o rt h ei n s p e c t i o no fa n0 s e a l i n g d e f e c t sa n dm e a s u r e t h ef o l l o w i n ga s p e c t sw e r es t u d i e da n d d i s c u s s e di nt h i s t h e s i s f i r s t l y m a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g y a n dr u b b e rr i n gi n s p e c t i o nt e c h n o l o g yw e r e i n t r o d u c c d a n dam b b c rr i n gv i s i o ni n s p e c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e db ya d o p t i n g p c a c q u i s i t i o nc a r d c a m e r aa n di l l u m i n a t i o ns y s t e m a n dt h ep i c t u r eo fr u b b e rn n g w a sg e t s u c c e s s f u l l y s e c o n d l y 心e rc o m p a r i n gs o m ec l a s s i ca r i t h m e t i ci nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g m e d l a l l f i l t e r t h 砌s b 0 1 dq u a n t i t yd i v i d i n ga n dc a n n ye d g e d e t e c t i o nw e r ec h o s e na st h em a m a r i t l l l n 以c h i c hh a dp r o v e dt h ee f f i c i e n c ya n df e a s i b i l i t yb y l o t so fe x p e r i m e n t s t h i r d l y t 锄p l a t em a t c h i n ga n dh o u g ht r a n s f o r mw e r ea d o p t e d t oc o m p u t et h e c h a r a c t e r i s t i co ft h er u b b e rr i n g f i n a l l y e r r o ra n a l y s i sw a s d o n e a n dt h eg u lw a sd e s i g n e ds i m p l y k e yw o r d s m a c h i n ev i s i o n i m a g ep r o c e s s i n g r u b b e rr i n gi n s p e c t i o n e d g e d e t e c t i o n t e m p l a t em a t c h i n g 插图清单 图1 1 各种o 形橡胶密封圈产品 l 图1 2 自动视觉检测系统 5 图1 3 汽车橡胶密封圈的x 射线自动检测系统 7 图1 4 视觉龙公司的智能密封圈检测设备i o i 8 图1 5 黑色o 形橡胶密封圈 8 图2 1 系统框图 1 1 图2 2 照明缺陷图 1 2 图2 3a m l3 0 0 摄像机c c d 传感器的光谱响应曲线 1 5 图2 4 橡胶圈检测光照实验平台 1 6 图2 5 照明系统俯视图 1 7 图2 6 照明系统侧面图 1 7 图2 7 背光源b l 2 8 5 0 和环光源r l l 3 6 0 及r l 5 0 6 4 1 8 图2 8 三摄像机采集设置 1 8 图2 9 摄像机a m l 3 0 0 及其与p c 机的连接 2 1 图2 1 0 嘉恒o km 1 0 b 采集卡 2 2 图2 1 1 镜头计算示意图 2 4 图2 12 实验平台 2 4 图3 一l 总体软件框图 2 6 图3 2 图像平滑对后期图像处理的影响 2 8 图3 3 均值滤波3 3 窗口及其4 邻域和8 邻域模板 2 9 图3 4 均值滤波效果图 2 9 图3 5 低通滤波器处理框图 3 0 图3 6 低通滤波效果图 3 0 图3 7 中值滤波原理图 3 1 图3 8 中值滤波效果图 3 1 图3 9 中值滤波灰度直方图 3 2 图3 1 0 自适应滤波法效果图 椒盐噪声 3 3 图3 1 1 自适应滤波法效果图 高斯噪声 3 3 图3 1 2 各种滤波处理结果的对比 3 4 图3 13 橡胶圈灰度图及其直方图示例 3 5 图3 1 4 直方图均衡化前后对比 3 6 图3 1 5 灰度线性变换前后对比 3 7 图3 16 双峰法直方图 3 8 图3 1 7 双峰法效果图对比 3 8 图3 18 阈值分割效果图 4 0 图3 19s o b e l 算子模板 4 1 图3 2 0p r e w i t t 边缘算子模板 4 2 图3 21l a p l a c i a n 算子的模板 4 2 图3 2 2c a n n y 边缘检测 4 4 图3 2 3 各种边缘检测效果图 4 4 图3 2 4 各种缺陷特征边缘检测结果 4 6 图4 1 橡胶圈缺陷检测算法流程图 4 7 图4 2 橡胶圈标记示意图 4 7 图4 3 橡胶圈上各种缺陷特征 4 8 图4 4 橡胶圈检测图 4 8 图4 5h o u g h 圆检测算法的取点图 5 0 图4 6 改进的h o u g h 变换定圆心及橡胶圈内径 5 1 图4 7 橡胶圈侧面图像处理结果 5 1 图4 8 界面设计流程图 5 7 图4 9 检测橡胶圈表面缺陷框图 5 7 图4 1 0 图像处理界面及菜单 5 8 图4 11 图像处理运行界面 一5 8 图4 1 2 检测橡胶圈半径界面 5 9 表格清单 表2 1 几种常用光源的性能比较 1 4 表2 2a m l3 0 0 性能参数 2 1 表3 1 各种滤波处理结果的时间对比 3 4 表3 2c a n n y 算子梯度 4 3 表3 3 边缘检测算子检测效果比较列表 4 4 表4 1 定标计算参数表 5 5 表4 2 实验室定标计算尺寸对应表 5 5 表4 3 测量值长度计算 5 5 表4 4 检测结果统计 5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所 知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得金世王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签字 矛j 新琴 签字日期 洲1 年千月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些态堂有关保留 使用学位论文的规定 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 允许论文被查阅或借阅 本人授权盒鹏王些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文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 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 雨j 韵黪 导师签名 签字日期 瑚0 1 年寸月门日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 签字日期 扫哆年年月f 石日 电话 邮编 致谢 衷心感谢我的导师刘春副教授 在工大三年的学习期间 从学习到生活的 方方面面对我的关心和帮助 我的每一点进步都倾注了刘老师的心血 刘老师 广博的学识 严谨的治学作风 诲人不倦的教育情怀和对事业孜孜不倦的追求 都让我肃然起敬 她的这些优良的品质值得我终身学习 在此 谨向刘老师表 示最诚挚的敬意 在本课题的研究过程中 鲁昌华教授为该课题研究提供了大量的相关资料 和部分的研究设备 并进行了指导 鲁老师平易近人 治学严谨 学识广博 胡存刚老师就平时的学习 小论文的完成等方面给出了很多好的建议 在这里 向他们表示衷心的感谢 衷心感谢电气与自动化工程学院的全体老师 他们的教诲为本文的研究提 供了理论基础 并创造了许多必要条件和学习机会 衷心感谢实验室的师兄师姐 师弟 室友 尤其是与我共同一起学习七年 的冯纪归同学 大家在整个学习过程中相互帮助 共同就研究的问题相互讨论 相互交流 共同创造了良好的学习氛围 真诚地对各位同学的关心与帮助表示 感谢 衷心感谢我的父母我的家人 是他们几十年含辛茹苦的教导 才有我今日 的成绩 我衷心的祝愿他们永远幸福安康 衷心感谢论文的评阅老师和答辩委员会老师在百忙中对本文进行评审指 点 作者 利新琴 2 0 0 9 年4 月 1 1 研究背景 第一章绪论 随着时代的发展 科技的进步 人们对工业产品的数量和质量要求越来越 高 传统意义上的检测技术与飞速发展的工业要求之间的矛盾日益突出 如工 业用密封橡胶圈的合格产品不能有凸点 毛边 气泡 凹凸不平等缺陷 如果 产品表面有缺陷或是尺寸不符合标准即为不合格产品 这些缺陷会影响橡胶圈 的密封性能 目前 我国大多数橡胶圈产品生产商都是采用目测及利用离线式 二次元或尺寸量规和环规仪等测量工具进行人工检测的方式 往往一个工厂需 要几百名工人来检测 且受力变形引起的误差大 效率低 速度慢 劳动强度 大 如国内有家橡胶圈生产商 对于外径为6 0 m m 7 0 r a m 的0 形橡胶圈 一百 个工人一天大约只能检测5 0 0 0 0 个产品左右 平均每个工人一天只能检测约5 0 0 个左右 按每天工作八小时算 一分钟最多只能检测一个 所以 开发一套橡 胶圈产品的自动检测系统非常必要 0 形密封橡胶圈产品的检测具有如下特点1 1 3 材料为橡胶 颜色有黑色 红色 绿色等各种颜色 本课题主要以黑色为研究对象 黑色橡胶圈的缺陷图 像灰度差别不明显 检测时难度较大 容易误检 橡胶圈有o 形 y 形 u 形 等等 本课题主要以o 形橡胶圈为研究对象 要求表面不允许存在凸点 气泡 凹凸不平 毛边等缺陷或脏污 表面应当光滑 清洁 表面缺陷应不超过规定 的极限 o 形圈成品的尺寸及公差应该符合j b t7 7 5 7 2 2 0 0 6 中华人民共和国机械 行业标准 机械密封用o 形橡胶圈 密封橡胶制品属弹性件 经过大压力压制 受力变形 容易产生误差 密封橡胶圈检测强调实时 在线 确保对过程实 现全面控制 提高生产效率和产品的合格率 传统意义上的许多检测技术已很 难满足现代制造业的要求 需要研究新的产品检测技术 图1 1 所示为各种o 形 密封橡胶圈产品 图1 1 各种0 形橡胶密封圈产品 在已经研究的多种技术中 机器视觉检测技术具有速度快 精度高 自动 化程度高等突出的优点 能很好的满足现代制造业的需求 在实际中显示出广 阔的应用前景 机器视觉技术相对于传统检测技术在检测领域中的优点表现在 非接触 检测速度快 精度高 实时性强 能实现全自动检测 所以 根据机器视觉技术所具有的优点 本课题使用机器视觉技术实现o 形密封橡胶 圈的检测 机器视觉技术及其发展 1 2 1 机器视觉技术的概念 随着信号处理理论和计算机技术的发展 人们试图用摄像机获取环境图 像并将其转换成数字信号 用计算机实现对视觉信息处理的全过程 这样就形 成了一门新兴的学科一一机器视觉 4 6 机器视觉是用计算机实现人的视觉功 能一一对客观世界的三维场景的感知 识别和理解 机器视觉的研究目标是使 计算机具有通过一幅或多幅图像认知周围环境信息的能力 这使计算机不仅能 模拟人眼的功能 而且更重要的是使计算机完成人眼所不能胜任的工作 从应 用上来说 机器视觉具有独特的特点 7 1 机器视觉强调实用性 要求能够适应工业生产中恶劣的环境 要有合 理的性能价格比 要有通用的工业接口 能够由普通工人来操作 有较高的容 错能力 有较高的安全性 不会破坏工业产品 还必须有较强的通用性和可移 植性 2 机器视觉更是一项综合技术 其中包括数字图像处理技术 机械工程 技术 控制技术 光源照明技术 光学成像技术 传感器技术 模拟与数字视 频技术 计算机软硬件技术 人机接口技术等 这些技术在机器视觉中是并列 关系 相互协调应用才能构成一个成功的机器视觉应用系统 3 研究机器视觉 不仅要具有研究数学理论和编制计算机软件的能力 更需要的是光 机 电一体化的综合能力 4 机器视觉强调实时性 要求高速度和高精度 因而计算机视觉和数字 图像处理理论中的许多技术目前还难以应用于机器视觉 它们的发展速度远远 超过其在工业生产中的实际应用速度 机器视觉的特点是自动化 客观 非接触和高精度 与一般意义上的图像 处理系统相比 机器视觉强调的是精度和速度 以及工业现场环境下的可靠性 机器视觉极适用于大批量生产过程中的测量 检查和辨识 如 零件装配完整 性 装配尺寸精度 零件加工精度 位置 角度测量 零件辨识 特性 字符 识别等 2 1 2 2 国内外机器视觉技术的发展 4 5 3 9 机器视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域 机器视觉理论 4 5 是在 2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别开始的 当时的主要工作集中在二维图像分析和 识别上 2 0 世纪6 0 年代 r o b e r t s 将环境限制在所谓的 积木世界 即周围的 物体都是由多面体组成的 需要识别物体可以用简单的点 直线 平面的组成 表示 r o b e r t s 19 6 5 通过计算机程序从数字图像中提取出诸如立方体 棱柱体 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描述 到7 0 年代 已经出现了一些视觉应用系统 g u z m a n19 6 9 m a c k w o r t h19 7 3 1 9 7 7 年 英 国的d a v i dm a r r 提出了不同于 积木世界 分析方法的计算机视觉理论一一m a r r 视觉理论 该理论在2 0 世纪8 0 年代成为计算机视觉研究领域中的一个十分重要 的理论框架 到了8 0 年代中期 计算机视觉获得了迅速发展 而到9 0 年代 计 算机视觉在工业环境中得到广泛应用 m o u a d d i b1 9 9 7 z h a n g1 9 9 7 t e c h1 9 9 5 机器视觉系统的发展始于7 0 年代美国 采用了3 2 k 字节存贮器d e c l i s 1 1 和有1 2 8 12 8 像素的c c d 摄像机 1 9 7 3 年 美国自然科学基金会 n f s 制定了发 展视觉系统和机器人的计划 并在斯坦福 普度等大学率先展开研究 在日本 同期也展开了研究 并成功的将计算机视觉系统用于印刷电路板的质量检测 2 0 世纪8 0 年代机器视觉系统进入发展正轨 2 0 世纪9 0 年代后高速发展 在机器视觉发展的历程中 有3 5 明显的标志点 一是机器视觉最先的应用 来自 机器人 的研制 也就是说 机器视觉首先是在机器人的研究中发展起 来的 二是2 0 世纪7 0 年代c c d 图像传感器的出现 c c d 摄像机代替硅靶摄像是 机器视觉发展历程中的一个重要转折点 三是2 0 世纪8 0 年代c p u d s p 等图像 处理硬件技术的飞速进步 为机器视觉飞速发展提供了基础条件 国内机器视觉发展真正起步是2 0 世纪8 0 年代 2 0 世纪9 0 年代进入发展期 加速发展则是近几年的事情 随着中国企业生产自动化程度的提高 近四五年 来 机器视觉在国内开始快速发展 8 中国国际机器视觉展览会在上海连续举 办三年 得到了行业的极大关注 近两年 国内机器视觉领域的厂商纷纷加大 投入 一致看好这一自动化领域的新市场 中国正在成为世界机器视觉发展最 活跃的地区之一 其中最主要的原因是中国已经成为全球的加工中心 许许多 多先进生产线已经或正在迁徙至中国 伴随这些先进生产线的迁徙 许多具有 国际先进水平的机器视觉系统也进入中国 随着企业自动化程度的不断提高和对质量更加严格的控制要求 迫切需要 机器视觉来代替人工检测 特别是新劳动法颁布后 人工成本的提高 使中国 的工业生产正从依赖廉价劳动力转向高度自动化生产 这带来了对自动化设备 的大量需求 另外 中国早期的工业设备自动化程度普遍较低 因此 需要大 量的更新换代 这些的都构成了对包括机器视觉在内的自动化设备的庞大市场 需求 机器视觉领域的厂商包括设备提供商和系统集成商 目前国内的设备提 供商多是从图像采集卡做起的 但是 在一些关键技术上 与国外还有很大的 差距 至于系统集成商 国内企业的水平也与国际上有很大的差距 以至于一 些国内的一些企业购买了机器视觉系统 还要花费昂贵的费用聘请国外的系统 集成商 未来机器视觉的发展将呈现下列趋势f 7 j 1 技术方面的趋势是数字化 实时化 智能化 图像采集与传输的数字化是机器视觉在技术方面发展的必然趋势 更多的 数字摄像机 更宽的图像数据传送带宽 更高的图像处理速度 以及更先进的 图像处理算法将会推出 将会得到更广泛的应用 这样的技术发展趋势将使机 器视觉系统向着实时性更好和智能程度更高的方向不断发展 2 智能摄像机将会占据市场主要地盘 智能摄像机具有体积小 价格低 使用安装方便 用户二次开发周期短的 优点 非常适合生产线安装使用 越来越受到用户的青睐 智能摄像机所采用 的许多部件与技术都来自i t 行业 其价格会不断降低 逐渐会为最终用户所接 受 因此 在众多的机器视觉产品中 预计智能摄像机在未来会占据主要地位 另外 机器视觉传感器会逐渐发展成为光电传感器中的重要产品 3 机器视觉的市场份额迅速扩大 一方面已经采用机器视觉产品的应用领域 对机器视觉产品的依赖性将更 强 另一方面机器视觉产品将应用到其他更广的领域 在工业 科学研究 军 事和民用四大领域的应用将进一步扩展 国内未来机器视觉发展主要有以下一些特性 9 1 随着产业化的发展对机器视觉的需求将呈现上升趋势 机器视觉发展空间较大的部分在半导体和电子行业 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 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 际化的统一标准判定 随着中国自动化的逐渐开放 将带领与其相关的产品技 术也逐渐开放 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 3 基于嵌入式的产品将取代板卡式产品 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 4 标准化 一体化解决方案也将是机器视觉的必经之路 4 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 这就要求机器 视觉产品大量采用 标准化技术 当今 自动化企业正在倡导软硬一体化解决 方案 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 自动化将朝着更智能 更快速的方向发展 23 机器视觉技术的应用及实现 机器视觉技术的应用领域非常广泛 可以分为 工业 科学研究 军事和 民用四大领域 j 工业领域是机器视觉应用中比重最大的领域 按照功能又可以分成4 类 产品质量检测 产品分类 产品包装 机器人定位 其应用行业包括 印刷 汽车工业 半导体材料生产 医疗设备 药品 食品生产 电子产品生产等等 科学研究领域包括 材料分析 生物分析 化学分析 生命科学等 军事领域包括 航天 航空 兵器 敌我目标识别 跟踪 及测绘 民用领域有 智能交通 安全防范 文字识别 身份验证等 机器视觉技术的实现是随着图像处理理论 电子技术和自动化技术的发展 一道发展起来的 一般包括采集 分析和控制三个部分 采集的目的是采集到 满足分析要求的相应质量的图像 这是机器视觉的基础 分析包括图像增强和 处理 其目的是按照机器视觉最终的功能要求 对采集到的图像进行分析处理 然后输出结果 这是机器视觉系统的核心 控制分为输入和输出控制 包括控 制机器视觉系统本身 以达到准确采集图像的目的 也包括根据图像处理与分 析的结果 输出信号 驱动相应机构 实现机器视觉系统的功能 n e r f 孵 慧 目圳 图1 2 自动视觉检测系统 机器视觉技术实现的器件一般包括 光源 光学系统 镜头 摄像机 图 像采集卡 计算机 或图像处理系统 图像处理软件 输入与输出控制 执行 机构等 见图1 2 整个实现过程可以描述为 机器视觉系统在控制命令下 首先采用c c d c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件 摄像机将被摄取目标转 换成图像信号 传送给专用的图像处理系统 根据像素分布和亮度 颜色等信 息 转变成数字信号 图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征 如 面积 长度 数量 位置等 最后根据预设的容许度和其他条件输出结果 如 尺寸 角度 偏移量 个数 合格 不合格 有 无等 最终用于实际检测 测量和控制 1 3 密封橡胶圈的检测技术的发展 1 3 1 密封橡胶圈视觉检测技术发展 广义地说 橡胶其实是塑料的一种 塑料包括橡胶 橡胶的弹性性能相 对其他塑料大些 对于塑料产品为达到所需成品要求 对其表面质量 大小尺 寸和颜色处理的要求可能会非常严格 相关的测量技术及仪器也因此倍受重视 一直以来 橡胶圈及相关产品都是采取的人工检测 现如今密封橡胶圈产品的 人工检测速度远远不能适应产品的生产速度 公司往往需要数以百计的工人来 检测 对于价格低廉的橡胶圈来说 这么多的劳动力来检测 无疑是一种巨大 的人力资源浪费 随着社会的发展 人工成本的提高及市场对工业产品质量控 制的要求的增高 这种依赖廉价劳动力 低效率的情况必然转向高度生产自动 化 推动视觉检测技术的发展 利用计算机视觉 模式识别及人工智能技术代 替人工进行产品质量检测能与自动生产线的生产速度很好配合 能避免人工检 测中由于疲劳造成的误检和漏检现象 能克服人的主观因素对于产品标准掌握 的不良影响 能有效解放劳动力 因此 密封橡胶圈产品的自动检测势在必行 目前研究的表面缺陷检测包括各个领域 1 2 1 4 j 各种研究对象 有纸面缺陷 检测 塑料薄膜表面缺陷检测 钢铁表面缺陷检测 铝箔铜箔表面缺陷检测 非织造物表面缺陷检测等 检测对象有纸张 塑料 金属 非织造物及其他 检测的典型缺陷有 孔洞 刮痕 异物 褶皱 水印 边裂 黑斑 亮斑 气泡 等等 但还目前没有一种通用的检测方法 针对橡胶密封圈产品的检测 1 5 a 6 国内北京紫方启研科技有限公司和北京 龙骞鸿讯科技有限责任公司针对汽车橡胶密封圈研制的x 射线自动检测系统 如图1 3 所示 该系统集x 射线探测 数字图像处理和机器视觉自动识别为一 体 该系统自动上料 自动检测 自动剔除不合格产品 运行时不需要人工干 预 系统指标如下 适用范围 产品杂质和内部缺陷 分辨率 2 5 l p m m 即0 2 m m 细金属丝 实测能分辨0 0 8 r a m 铜丝 检测速度 1 7 件 r a i n 1 0 2 0 件 d 时 一天工作2 1 小时 6 0 0 0 0 0 0 件 年 适用检测工件规格 小于中1o o m m 的任意直径 小于15 m m 的任意高度的橡胶密封圈 灵敏度 杂质或缺陷与 合格样品的厚度水密度差值为8 实测为4 软件功能 图像获取 存 6 储 图像浏览 全套手动图像处理 全自动机器视觉检测 系统运行功能 整个系统能够实行全自动和手动运行检测 该系统是目前全球第一个采用流水 线x 射线检测橡胶圈的系统 并得到g e 博世 通用汽车 大众等公司的认可 x 射线检测准确 却也有它致命的弱点 x 射线探伤设各昂贵 成本较高 且射 线对人体有害 需要专属房或遮蔽 不易现场量铡 盛 图i 一3 汽车橡胶密封圈的x 射线自动检测系统 德国b a s l e r v a d o 和意大利d o s s m l 研制的人工视觉检测系统 也可检测0 型环 油封 不规则件 螺帽 瓶盖等等 检测内容包括 物件的高度 平整 度 内外毛边 裂缝 针孔 刮痕等等 技术特征 产品尺寸 外径3 5 3 m m 厚度o8 l o m m 产品类型 弹性和固性材料 产品颜色 除透明外的所有颜 色 产品特征 干净 没有灰尘或者其他影响产品表面和形状的物质 否则 产品将视为次品被剔除 检测速度 从7 2 0 0 到7 2 0 0 0 件 d 时 与产品尺寸 和材料相关 国内很多公司如北京大恒图像和深圳视觉龙科技有限公司在表面缺陷方面 也都很大的发展 视觉龙公司研制的智能密封圈检测设备i o i i n t e l l i g o n to p t i c a l i n s p o o t i o a f o rs e m i n g 专为橡胶 及塑料密封零件业设计 如图1 4 所示 该设 备采用非接触的视觉测量及检测方式快速 准确的输出尺寸 表面缺陷及毛边 等不良 高效率的取代传统的检验工具 用来检验及分拣橡胶密封品 可是目 前国内的这些产品的检测核心技术仍然是购买的国外开发包 视觉龙公司就是 购买的加拿大的h e x s i g h t 软件包 北京大恒图像公司则是与德国m v t e c 公司建 立合作关系 在中国代理该公司的机器视觉软件包h a l c o n 利用该软件进行 二次开发 开发相应的图像处理和机器视觉应用软件 东冠科技 上海 有限 公司全自动橡胶件检测系统 i 则是购买并代理美国f s ia u t o m a t i o n 公司的软 件包x c p l i n e z 进行二次开发 图1 4 视觉龙公司的智能密封圈检测设备i o 1 32 密封橡胶圈视觉捡测技术问题 国内的橡胶 塑料密封圈视觉检测行业属于新兴的领域 再加之机器视觉产 品技术的普及不够 与国外同类产品相比较 国内厂家在橡胶 塑料密封圈视觉 检测技术上还是有很大差距 开发的产品往往精度和稳定性不如国外同类产品 大多都还是购买国外的软件开发包进行二次开发来设计视觉系统 开发成本高 1 4 本课题的来源及意义 本课题为自主研发课题 本课题研究检测对象为内径 线径为6 0 r a m 5 r a m 黑色0 形橡胶圈 如图1 5 所示 该工业用密封橡胶圈的合格产品不能有凸点 毛边 气泡 凹凸不平等缺陷 且尺寸必须符合标准 o 图1 5 黑色o 形橡胶密封圈 0 形橡胶 塑料密封圈在生产过程 要求精确区别各类缺陷 以便对产品做 出判断 剔除不合格品 由于工业用0 形橡胶密封圈在线生产要求检测精度高 准确性好 速度快 因此0 形橡胶 塑料密封圈生产工业流水线迫切需要在线自 动视觉检测 机器视觉技术相对于传统检测技术在检测领域中的优点有 非接 触 速度快 精度高 实时性强 现场抗干扰能力强等 完全满足0 形橡胶 塑 料密封圈缺陷检测的要求 本文根据机器视觉技术的优点 因地制宜地开发了 一套检测系统 1 5 本文的主要研究内容 针对机器视觉的密封橡胶圈缺陷检测 我们主要做了以下研究工作 1 了解机器视觉的基本概念及其应用 并对机器视觉在国内外发展现状及 密封橡胶圈缺陷检测技术的发展状况作深入了解 2 分析课题设计要求 设计检测系统的总体框架结构 并从光照系统及采 集设备的选择入手 分析各种光源的优缺点 根据被测对象的特点 确定光源 和照明装置 设计简易的采集暗室环境 根据被测对象的缺陷检测要求选择适 合的采集卡及摄像头 最终搭建一个简易的采集实验平台 3 对采集得到的橡胶圈图像进行预处理 详细探讨了各种的预处理过程算 法的优缺点 包括图像的滤波去噪 图像增强 图像分割 边缘检测等算法 通过大量的理论分析和对比实验 选择最适合本检测系统的算法 4 对图像进行特征提取 缺陷判断 误差分析 界面设计 特征提取部分 分橡胶圈正面和侧面两部分进行 分别计算出橡胶圈的内径 线径 并判断是 否符合规格 在缺陷判断部分 采用模板匹配法 对橡胶圈单侧表面缺陷进行 检测判断 误差分析部分就仪器和算法的精度 从定性和定量两方面进行分析 最后运用m a t l a b 中的g u i 图形用户界面 进行了简单的用户界面设计 5 总结全文的研究工作 并对今后进一步完善工作提出展望 以上几个方面的主要工作分别对应于本文的各个章节 由于时间有限 本 文所作的研究是整个项目的前期工作 包括采集部分照明系统的搭建 图像处 理算法的设计 以及检测算法的完成 在硬件方面 作者只在实验室现有条件 下验证了检测算法的可行性 并且在此基础上证明了理论硬件的可行性 软件 方面的算法还有待进一步改进 机械联动装置部分还需要深入研究 希望通过 本文的研究能够为下一步完善系统的组建和实际应用提供一定的借鉴作用 9 第二章密封橡胶圈视觉检测的硬件系统分析及设计 本章主要介绍o 形密封橡胶圈在线自动检测系统的总体设计框架 以及硬 件系统的设计 其中硬件设计主要为硬件设备的选择原则 包括图像采集设备 照明设备 和设备参数 工业优良检测系统设计应当满足以下技术要求 l 6 1 系统能适应公司生产的外径 线径为6 0 m m 5 m m 厚度为5 m m 左右的橡 胶 塑料密封圈 材质是橡胶 2 能检测出多种缺陷 最小缺陷为 o 1 m m 缺陷 3 实时性好 系统必须能适应o 形橡胶圈的目前生产能力 即检测效率 3 0 0 0 0 0 0 件 年 4 可扩展性 现场可以根据需要对其中个别检测项目灵活调整 或者以 后可以根据需要增加检测项目 因此要求系统针对不同要求 可调整检测功能 提高系统的灵活性 降低用户成本 5 i 0 口扩展要求 通过扩展的i 0 检测信号和控制执行结构 6 数据统计要求 实时记录 统计 显示各种检测数据 7 数据通讯要求 若有需要 可实现现场数据的远距离传输 根据以上技术要求 系统设计时需遵循以下原则 完整性原则 最大限度 的满足橡胶 塑料密封圈生产中的检测要求 可靠性原则 整个系统必须具备一 定的稳定性 经济性原则 系统实用成本低 扩展性原则 考虑生产工艺的改 进 系统要能改进升级 本课题设计了一套模拟黑色o 形橡胶 塑料密封圈缺陷检测实验系统 整个 系统涉及到光场 图像采集和图像处理系统的设计 2 1 总体设计框架 系统的总体硬件结构可以分为以下五个单元 照明单元 采集单元 图像 处理单元 机械单元和控制单元 机械单元主要完成现场设备的传动 定位 次品分类击出等 控制单元主要完成系统的参数设定 检测计算结果获取 统 计分析 及对各单元通信的综合控制 本文主要讨论前三个单元 即照明单元 采集单元和图像处理单元 设计框架见图2 1 所示 其中由暗室和环光源及背光 源构成了照明单元 摄像机 镜头以及采集卡构成了采集单元 由计算机主体 构成了图像处理单元 1 0 图2 1 系统框图 构建一套o 形橡胶 塑料密封圈缺陷在线自动检测系统 需要采集到能够符 合实验室处理要求的高质量图像 并运用图像处理 图像识别等方法对被测对 象的参数进行检测 要综合考虑照明 摄像机 采集卡等各种因素 1 采集装置应该尽量避免其他非实验光源干扰 如日光灯 自然光等 2 摄像机能够方便调节 能够满足实验室模拟实验研究的条件 3 采集到的图像通过采集卡传到计算机处理 能够检测出有缺陷的不合格 品 针对采集对象是生产线上的o 形橡胶 塑料密封圈这一特点 本论文提出照 明单元由两部分组成 即暗室和环光源及背光源 其中由暗室负责隔绝外界光 的干扰 环光源及背光源负责对橡胶圈提供光照 暗室的设计和光源的选择将 在本章的第二节中详细介绍 采集单元的设计选择 基于对项目精度和速度的考虑 设备的选择标准将 会在本章第三节中详细分析 图像处理单元属于检测算法类 算法优化和执行都在计算机上进行 分为 采集图像处理和图像特征检测两部分 分别在第三章和第四章中会详细阐述 2 2 照明系统设计 照明系统是机器视觉系统的一个重要部分 因为它直接影响输入数据的质 量和最后处理结果的精确度 由于没有通用的视觉照明设备 所以针对每个特 定的应用实例场合 要选择相应的照明装置 以达到最佳效果 本节从照明位置 照明环境 光源选择三个角度分析 结合 形橡胶 塑料 密封圈自身特点 提出适合本项目的照明设计 2 2 1 照明问题研究与分析 照明系统的选择应遵循的原则首先要使被测部分或特征清楚的与周围的背 景区分开 例如 使两者的灰度值的差别尽可能地大 尽量增强被测部分或特 征的边缘的对比度等 如果可以把待检测的物体和背景清楚的分开 那么就可 以大大地减少图像处理算法的复杂性 从而减少图像处理的运算时间也可以减 少软件开发的时间和难度 其次 要减少反射 由于本课题中黑色o 形橡胶 塑料密封圈对光的反射很弱 所以不用考虑 再者 要尽量屏蔽环境光线的影 响 减少由于光照不均匀而导致的噪声干扰 本文中研究对象主要是黑色o 形橡胶 塑料密封圈 在图像采集过程中 还 会出现由于光照不均 光照位置不当等引起的阴影及光照强度不够导致的拍摄 画面不清晰 缺陷特征不明显 以及光照不均匀引起的噪声干扰等问题 都会 使得采集的图像不利于后期的图像处理 如图2 2 中所示 图2 2 a 和图2 2 b 为由于光照位置不当及光照不均导致的严重阴影 其中图2 2 c 和图2 2 d 不 仅存在严重的阴影 而且由于光照不均 光照强度不够 使得图像的缺陷根本 就看不清 甚至有干扰的光斑噪声 图2 2 e 的效果更差 砭9o 蛋 d 凸点 e 阴影严重 图2 2 照明缺陷图 环境稳定单一有利于采集到清晰稳定的橡胶圈图像 但在实际生产线上 背景和灯光照明实时变化 这对橡胶圈的成像质量影响非常大 下面分别从照明位置 照明环境和光源类型三个方面来进一步分析口 1 照明位置 传统的照明按照光源相对于摄像机和被测物的位置可分为背向照明 前向 照明 环形照明等 背向照明 背向照明也叫逆光照明 是被测物放在光源和摄像机之间 光照使背景变 为白色而显现出物体的轮廓 其优点是能获得高对比度的图像 但是正面逆光 照明时 由于光照过强很难成像 改变背景也无效 产生这样结果是由于光照 太强而且分布不均匀所致 而太弱的光照强度又使成像不清晰 不能突出缺陷 所以要产生清晰的缺陷图像必须使光源分布均匀 且要达到一定的光照强度 另外成像效果还要受光源形状 光照面积等多方面因素的影响 前向照明 前向照明是光源和摄像机位于被测物的同侧 这种方式优点是便于安装 但是拍摄中 由于光照不均 或摄像机拍摄位置不当 会造成很明显的阴影 直接影响后期的边缘检测 适当的改进 会取得非常好的效果 环形照明 环形光源可以提供充足的无阴影的照明 对于o 形橡胶 塑料密封圈的单侧 表面检测非常有利 2 照明环境 当今流行的表面检测系统一般采用两种不同的照明方式 一种是明室照明 一种是暗室照明 明室照明 明室照明采用的一种是漫射光源照明 一种是平行光源照明 漫射光源照明利用半透明磨砂玻璃罩 乳白罩或特制的格栅 使光线形成 多方向的漫射 其光线柔和可以消除阴影减少镜面反射 使一个区域得到均匀 照明 还可以扩大照明光线的覆盖范围 平行光源是从c c d 取像常用的一种照明光源 由平行光管发射出的光束是 准平行的 等效于由无穷远处射来的光束 平行光具有良好的方向性和准直性 平行光照射到无缺陷的光滑表面时 反射光中的绝大部分为镜面反射光 镜面 反射光遵循理想光路反射 只有小部分漫反射光进入c c d 成像 从而消除了镜 面反射光的影响 在缺陷处 反射光将改变方向 使得反射光投影到c c d 上 在c c d 的像敏面上成像 平行光源照明的优点是所得图像的灰度级差别较大 对比度高 图像比较清晰 缺点是由于平行光具有良好的方向性 其辐射亮度 在各方向上是不对称的 因此对各种缺陷的显现力不同 在相同条件下 当被 测对象表面流痕方向与平行光入射方向垂直时 图像中缺陷表现最清晰 而当 被测对象表面流痕走向与入射光方向一致时 在图像中几乎看不到这种缺陷 暗室照明 暗室照明理论来源于最初的摄影胶片处理设备一一暗房 即在特殊的光线 条件下的工作室称为暗室 暗室是一个半封闭的空间 可以有效的阻挡外来光 和杂散光的干扰 在暗室的不同位置开孔或者放置光源 可以有针对性的照明 被拍摄物体 暗室照明适用于各种物体的表面缺陷检测 如流痕 气泡 凸点 等 3 光源类型 2 0 2 1 光源是影响机器视觉系统输入的重要因素 因为它直接影响输入图像的质量和至 少3 0 的应用效果 许多工业用的机器视觉检测系统用可见光作为光源 这主要是因 为可见光容易获得 价格低 并且便于操作 常用的几种可见光源是白炽灯 日光灯 水银灯和钠光灯等 但是 这些光源的一个最大缺点是光能不能保持稳定 以目光灯 为例 在使用的第一个1 0 0 小时内 光能将下降1 5 随着使用时间的增加 光能将 不断下降 因此 如何使光能在一定的程度上保持稳定 是实用化过程中急需要解决 的问题 6 0 年代以后 自l e d l i g h te m i t t i n gd i o d e 发光二极管 光源诞生以来 由 于l e d 灯显著的优点 使得现在大部分厂家开始选择使用l e d 光源 本课题也选择 使用l e d 光源 作为一种出现时间最晚的照明技术 l e d 的优点不仅体现在发光质 量方面 在其生产 制造 易用性方面都要大大超越白炽灯 荧光灯等传统光源 因 此自6 0 年代诞生以来 得到了长足的发展和应用 l e d 的优点主要体现在以下几个 方面 l e d 在结构上没有玻璃外壳 不需要像白炽灯或者荧光灯那样在灯管内抽真 空或者冲入特定气体 因此抗震 抗冲击性良好 给生产 运输 使用各个环节带来 便利 l e d 元件的体积可以做的非常小 更加便于各种设备的布置和设计 l e d 发出的光线能量集中度很高 集中在较小的波长窗口内 纯度高 l e d 元件的寿命 非常长 普遍在5 万一1 0 万小时之间 即使是频繁的开关 也不会影响到使用寿命 l e d 响应时间非常快 在微妙级别 d l e d 的发光指向性非常强 亮度衰减比传 统光源低很多 l e d 在生产过程中不要添加 汞 非常环保 l e d 使用低压直 流电即可驱动 对使用环境要求较低 表2 1 为l e d 光源与几种常用光源的性能比较 表2 1 几种常用光源的性能比较 光源光效形状寿命亮度控制显色性特性与用途 1 m w h 配光 卤钨 1 5 2 0 自由度 1 5 0 0 非常非常优适用于投光和下射 灯低不大 2 0 0 0 高容易光 形状小 易于控 制 荧光 5 0 8 0 自由度 1 0 0 0 0 稍低非常从一般效率高 显色性好 灯高小困难到高显但亮度低 适用于一 色性般照明 白炽 1 0 1 5 自由度1 0 0 0高容易优使用广泛 价格便宜 灯低不大光的表现良好 易于 控制 l e d3 0 7 0自由度1 0 0 0 0非常非常从一般 成本低 耗电少 使 灯大 容 5 0 0 0高容易到高显用场地空间不受限 易配线 0 色性制 适宜实验使用 根据比较 l e d 非常适合本实验光源的要求 采用l e d 与自炽灯混合光源 因为我们最终采用的是北京嘉恒a m l3 0 0 摄像机 其在5 0 0 n m 的时候感应值最大 而5 0 0 n m 是可见光中绿光的波长 所以我们采用绿光作为光照 2 5 1 如图2 3 所 示为a m l 3 0 0 摄像机c c d 传感器的光谱响应曲线图 2 6 1 1 4 1 1 薹 董 2 蛳瑚蝴 辅 晰拗 趟 如嚏 图2 3a m l 3 0 0 摄像机c c d 传感器的光谱响应曲线 2 2 2 照明系统设计 1 针对本课题的研究对象黑色o 形橡胶 塑料密封圈 为了有效的减少阴 影 凸显缺陷特征 本文采用了漫反射和模拟环形照明的系统 漫射光照明可 以消除阴影 能使一个区域得到均匀照明 还可以扩大照明光线的覆盖范围 为了进一步的消除干扰 我们可以在光源前加特制的柔光罩 柔光罩是用廉价 的打印白纸做成的 利用半透明的塑料纸能够很容易地做成立体的柔光罩 实 验中使照明灯光穿过柔光罩 光线被有效的散