基于机器视觉的电线绝缘厚度自动测量设备的研究

吴杰

（温州市质量技术监督检测院 浙江 温州325000）

1 背景和意义

几何量的测量与检验在现代制造业中占有重要的地位，在各种几何量测量仪器仪表中，光学仪器由于具有测量精度高、抗干扰能力强、长期稳定性好等优点,因而占据着重要的地位。但传统的测量仪器和方法由于精度、速度、操作方法等缺点远达不到所要的检测检要求。投影仪作为传统的二维坐标测量系统，在几何量测量中具有最为广泛的应用。投影仪大多为上个世纪的产品，这种仪器的缺点是读数过程繁琐、测量时间长、人员主观误差相对较大、自动化程度低等，使得人们无法方便快捷地得到所需要的信息。在整个测量过程中，所有的工作都是人为手工操作，费时费力，容易出错。目前我国这类传统的投影仪数量极大，急需进行技术改造和升级。因此，基于机器视觉的自动测量技术研究，实现零件尺寸的快速高精度测量和分选，减少测量过程中所带来的人为误差，对提高经济效益，减轻以至解除工人繁重的检测工作具有重要意义。

机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS 和CCD 两种)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，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据削别的结果来控制现场的设备动作。

机器视觉检测技术是基于机器视觉技术、光学测量原理形成的一种新型检测技术。它以光学为基础，融合电子学、计算机技术、激光技术、图像处理技术、信息处理等现代科学技术为一体，组成光、电、计算机综合的检测技术。机器视觉检测技术在检测被测目标时，把图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用，其目的是从图像中提取有用的信号。它利用光电成像系统采集被控目标的图像，然后经计算机或专用的图像处理模块进行数字化处理，根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息，来进行尺寸、形状、颜色等的判断。

电线电缆绝缘厚度和外径测量中，传统的方法包括2009年4月1日刚刚实施的GB/T2951.11-2008《电线和光缆绝缘厚度和护套材料通用试验方法 第11 部分:通用试验方法——厚度和外形尺寸测量——机械性能试验》标准中，提到测量装置为读数显微镜或放大至少10倍的投影仪，读数应至0.01mm。但该测量方法提到的测量设备已经沿用了几十年，而且所有的工作都是人为手工操作，费时费力，容易出错。

基于机器视觉检测技术是图像识别、光学测量原理形成的一种新型检测技术，很好的解决了以上测试方法的缺点。

2 国内外研究现状和发展趋势

检测技术经历了一个比较长的发展历程。从传统手工测量、机械测量到目前的激光测量和视觉测量。传统的测量仪器和方法由于精度、速度、操作方法等缺点远达不到所要的检测检要求。没有精密的检测仪器的支持，产品得不到很好的检测，精度得不到保证。现代化的数字测量仪器(如光栅式万能工具显微镜)，虽然具有测量精度高、量程大、读数方便、易于微机化等优点，但是存在一些缺点，如测量的操作难、速度慢、精度有待提高等缺点心。随着计算机图形图像学、计算机视觉等相关技术的不断发展，数字图像处理理论被用到检测行业中，在二维三维测量的应用很大程度上解决了过去测量的不足。

目前，国外科研机构都把CCD 与光学仪器相结合，研制了许多应用CCD 来实现光电转换的新型光电测量仪器。如瑞士豪泽（Hause）公司研制的H602 型光电测量投影仪就是在普通投影仪的基础上，加上高精度光栅定位系统及计算机处理系统，并以CCD 器件作为光电瞄准头，进行动态瞄准及自动采样，使测量效率得到了很大的提高，劳动强度也大大降低，数据处理方便、准确。尼康公司推出的NEXIV 图像测量系统系列，具有丰富的功能，同时又易于操作，加上丰富的系统软件，可以应用于包括测量在内的很多方面，系统的测量精度能够达到1μm。机器视觉与三坐标测量机相结合，采用非接触探测进行三维测量和物体识别是柔性制造系统中必不可少的重要设备，美国、英国、日本、德国、瑞典等国家研制了这种类型的三坐标测量机。美国OGP 公司研制的图像测量系统，具有精密的XYZ 工作台，采用变焦镜头，实现对工件的自动调焦。由于该系统把标准件安放在了镜头里，可随时对系统进行标定，因此使用非常方便。

近几年来，国内许多单位也把CCD 技术与光学仪器结合，研制了许多新型光电仪器，广泛应用于尺寸测量中。如浙江大学将CCD 摄像法用在工件尺寸测量中，测量精度误差小于±2.5%。清华大学李新秋等所设计的CCD 外径测量系统，测量区域为60mm×60mm，测量精度为0.01mm。武汉测绘科技大学使用面阵CCD 实现钢板长宽尺寸在线实时测量系统，测量范围15m×3m，测量精度优于5mm。

目前各个电线电缆生产厂家和各个检测机构目前普遍采用的传统的设备进行电线绝缘厚度测量，有些生产企业花几十万元购买的进口的图像测量系统，虽然自动化程度较高，但都没有专门针对该行业自动测量系统。本系统将专门针对电线电缆厚度等的测试而研制，是符合当前技术发展趋势的。

3 研究开发的内容

研发整机台架，包括上下和前后左右的三维运动控制模块，该运动控制系统由步进电机及其驱动控制器构成。图像采集系统，包括CCD摄像机和图像采集卡。照明系统，该系统使得明确被测部分或特征、均匀照明，减少反射、尽量屏蔽环境光线的影响。主控计算机是整个系统的核心，它用于控制图像采集和伺服驱动等子系统，完成图像处理并对测量过程中采集的坐标数据进行处理，得出测量结论并进行误差评定。对图像进行边缘检测，边缘检测属于图像分割的范畴，是将图像中有意义的特征或者需要应用的特征提取出来。根据标准要求，提取出最小厚度点、6个绝缘厚度点、2个外径点，实现该测试的全自动化。

针对摄像系统的图像失真进行技术分析和研究，提出有效的失真校正算法来解决图像采集系统所获得的图像失真；

通过对图像边缘检测技术的研究为物体尺寸的检测和定位打下良好的基础，在高精密检测系统，被测对象的边缘精确获取是关键。本系统对常用边缘检测算子的比较，选择边缘检测效果最好的算子，保证了单像素边缘，并通过与亚像素算法的有机结合，高精度定位边缘点的位置，大大提高了检测系统的精度；

针对全自动测量的存在的误差问题提出基于相关法图像配准的改进方法，二次配准策略及其算法，提高了全自动测量的准确性和精度；

进行系统软件的开发，实现自动测量，并对尺寸进行评定，给出合格与否结论，保存数据以供重复操作和查询。

4 预期目标

以往在工业生产过程中，常由检验人员来完成产品的质量检查，但由于数量和种类多，尺寸大小不一，可靠性得不到保证。所以迫切需要研制能够发现产品变形或缺陷等的自动检测系统，保证产品质量。基于机器视觉的电线绝缘厚度自动测量技术，通过图像边缘定位法和基于相关法图像配准的改进方法，突破性传统单点逐个测试方法，实现了电线电缆绝缘厚度和外径的全自动测量，其测量精度达到10μm。本测试系统可以帮助企业进行电线电缆绝缘厚度和外径质量控制活动，大幅度提高检测效率和精度，同时技术检测机构利用该设备进行检测也能很好的应付不同电线产品检测类型需要和检测效率的需要，社会和经济效益明显。本测试系统一旦研制成功，将有望在各电线电缆生产企业、检测机构中得到普及，为企业进行电线绝缘厚度和外径质量控制提供有力手段，具有一定的社会经济效益。若本测试系统的整合技术进行技术转让，批量生产后，可带来一定的经济效益。

[1]王秀珍 图像识别技术浅论 内蒙古 2008

[2]王延忠 张国钢 雷震天图像识别技术在螺旋锥齿轮接触区分析中的应用北京2007

[3]江可万吴琦 图像识别技术在印刷线路板精密测试中的应用 上海2009