基于机器视觉的环形器检测软件

杨京兆 王莉 陈鑫 杜天赟

（1上海交通大学，上海 200240；2上海市计量测试技术研究院，上海 201203）

0 引言

机器视觉是通过对所拍摄图像进行分析处理，得到物体的尺寸、位置、表面特征等信息，以供软件系统进一步进行数据处理的技术。

目前机器视觉技术已经在许多工业制造领域得到了应用。主要功能有尺寸测量、机械手辅助定位、OCR字符识别、读码四大类，相关应用涵盖汽车制造、生物制药、航空航天等高精尖产业。

针对不同行业特点，机器视觉软件需要适应不同工况需求，本软件主要针对环形器生产过程中的自动检测。检测过程主要包括环形器二维码读取，机械手抓取定位，环形器pin脚高度尺寸测量，次品剔除四个功能模块。

基于以上需求，本文设计的环形器检测软件系统，通过多相机协同拍摄的方式，对零件进行拍摄取图，通过对图像的处理，进行二维码识别，同时给出环形器的位置角度信息，以供机械手抓取调节，并根据需要对环形器pin脚进行尺寸测量，根据测量结果进行次品筛选。结合本软件，得以实现环形器检测的自动化，通过连续3个月的统计，误判率低于0.01%，测量结果满足要求，通过进一步优化，软件处理速度已至毫秒级，与机械手、运动机构协作已做到无缝衔接。

1 软件系统介绍

本软件为单机运行软件。各工位安装的工业相机以及执行结果的机械手均通过千兆网线与主机连接，软件通过相机驱动进行图像采集，采集成功的图片按各工位要求进行图像处理，得出的结果再按特殊协议发送给机械手执行。

本软件在开发时强调了系统的可用性、可维护性以及稳定性，并对软件的部署进行了优化处理，使其具备了后期更易升级的特点，为客户后期的功能升级提供了基础。

本软件主要包含以下功能：

1）多相机并行处理功能：实现多相机单独设置，并行处理。

2）多机械手连接功能：实现机械手与视觉软件联动。

3）具备二维码识别及定位功能：支持4*4mm以上的二维码识别。

4）具备对来料进行特征点的识别与角度计算功能：根据来料信息计算产品位置信息。

5）具备尺寸测量功能：根据来料进行低于0.5像素分辨率的尺寸测量。

6）具备图像保存功能：可根据需求保存图像。

2 产品特点

本软件基于Visual Studio 2010开发环境，采用MFC单文档框架，采用OPENCV开源算法库进行开发的具有特色的机器视觉应用系统，本系统主要应用于环形器自动化检测设备及环形器自动化装配流水线等。

3 软件主要组成及实现方法

本软件的数据输入为工业相机采集的图像，经过一系列的图像处理软件处理得到结果，将结果输出给机械手执行，实现对机械手的引导、来料测量筛选等工作。

软件的关键组成如下所示：

1）相机的驱动程序

主要用来连接相机，由于各相机厂商生产的相机都有各自的使用方法，所以在使用相机前需要根据相机厂家提供的SKD软件包进行相机驱动程序的开发。开发完驱动程序后可实现对相机进行曝光、设置等操作。

2）机械手的驱动程序与传输协议

机械手一般通过网络接口与主机相连，但需要在主机上开发驱动程序，以实现与机械手之间进行命令、数据的相互传输。开发完的驱动程序可以将数据以特定格式协议发送给机械手，也可以接收机械手传达的命令，执行拍摄工作。

3）二维码识别算法程序

二维码分为各种不同形式，如QR码，DM码等，每一种二维码根据不同规则进行编码。对二维码的识别即是解码工作，首先需要对二维码定位，定位完成后需要查找二维码的特征点或线，然后再执行具体的解码算法。

4）来料的定位算法程序

本软件可以对具体的来料按指定特征进行定位，基本处理流程为，首先通过图像预处理，然后根据模板匹配找到特征区域，进一步对特征区域处理从而得到特征点的位置与角度。

5）PIN脚平面度测量程序

该算法是对来料的PIN脚进行平面度测量，测量的位置为PIN脚的下端面与来料外壳的底面之间的距离。图像先通过预处理，得到清晰的二值图，在设定的测量区域，找到PIN脚的下端面值。然后再重新设置参数，找到外壳底面的值。根据这两个值与标准值进行对比，最后得出结果。

4 软件应用

本软件主要包含工业相机驱动、参数设置、机械手连接配置、二维码识别参数设置、定位参数设置、平面度测量参数设置、各相机图像显示主界面等。

软件主界面如图1所示，主要包含5个相机的图像显示区域、二维码的识别结果、机械手的手动控制，以及机械手与相机的状态等。每个图像显示区域上同时显示对应功能得到的结果和图像的相关信息。

图1 主界面

各相机的控制窗口列表框会列出所有已连接的相机，通过点击可选择手动连接，且每个相机可与不同工位绑定，以及调整相机的曝光时间参数，直至调整到合适的值。

机械手配置界面可以修改一个4轴机械手和一个6轴机械手的IP地址及端口，也可以设置机械手的连接方式是自动连接或是手动连接。

读码相机中主要实现二维码识别，当环境变化时可通过这个界面调整相机的曝光时间以适应新的环境；同时可以调整二维码识别的参数，这样可实现对不同二维码、不同来料做到最优处理结果。其中包含二值化阈值、形态学处理阈值与次数、特征面积最大值及最小值、二维码识别的超时时间等。也可以通过单选按键选择二维码识别或者OCR识别。

定位相机主要用于定位，对3个标准测量位的来料进行定位，所以具备C2-1、C2-1、C2-3三个模块的标定功能，记录标准位置的相关值，同时也具备相机像素与实际机械手坐标之间的标定功能。

测量相机主要功能是测量环形器PIN脚与外壳底部的平面度，环形器来料最多有3个PIN脚，所以有3个基台值的参数需要设置，每一个基台值对应一个PIN脚，同时具有正负值补偿，允许误差设置。同样具备图像处理的基本参数设置，可以通过调整参数完成对图像的优化处理。

5 结果图像的保存及数据保存功能

本软件每一张图像处理结果都可以保存在以相机名称命名的文件夹内，以供品质部门查阅。每个相机都单独保存结果图像，同时会生成一个总的EXCEL文件记录所有结果，结果数据与每一张图像编号一一对应。

6 结语

基于机器视觉的环形器检测软件在环形器自动生产过程中已经不可或缺。结合机械手目前已达到2秒/件，检测效率数倍于人工30秒/件，为企业节省了大量人工成本。同时通过软件系统进行测量，数据真实性，稳定性都优于人工。在环形器全检过程中，又保存了每个样品的历史图片。可以在出现质量问题时通过图像回溯问题源头，进一步保障了产品质量。