基于机器视觉的六面外观检测与分拣系统的设计与实现

沈正华,黄金梭,仇文奎

(温州职业技术学院，浙江 温州 325035)

0 引言

微动开关是具有速动机构及微小触点间隙的精密机械电气开关[1]。在过去，通常使用自动化设备实现对微动开关正反两面、按钮及引脚侧面等最多四面的外观质量进行检测，或通过人工作业方式检测其余表面外观。现在，激烈的市场竞争不断对产品质量、特别是对外观提出了更高的要求，加之人工检测作业的缺点较多，尤其是人工主观不一致性、效率低等问题，给企业生产和发展带来了巨大的挑战，企业急需要实现产品六面外观检测作业的自动化技术。

机器视觉技术的应用为制造业自动化注入了新的生命力，解决了不同行业、各种外观检测问题。例如，应用机器视觉技术引导机器人装配[2]、检测微动开关两面外观[3]、测量坚果尺寸[4]、在线检测产品位置[5]、提高变电站环境中仪表指针的检测精度与速度[6]、检测锂电池正负极冗余度缺陷[7]、智能分级金丝皇菊[8]、检测激光清洗后的钢材锈蚀表面质量[9]、检测发动机转子缺陷[10]

为了解决微动开关六面外观检测与筛选的自动化作业问题，通过集成应用机器视觉、机械设计、自动化控制等多学科交叉技术，该文设计了一种基于机器视觉的微动开关六面外观检测与分拣系统。该系统能够全方位地检测微动开关等产品的六面外观质量，并剔除不合格品，全过程无需人为干预，自动化程度高。

1 系统整体方案与高速机械臂设计

为了便于检测产品6个表面的外观及实现分拣自动化，设计出如图1所示的整体方案，工艺流程如下：首先，待检产品从振动盘送入1号带，到达末端后，由1号搬运机械手往一检平台搬运。途中，通过1号相机检测产品的后视图外观，不合格品被扔入第1不良品收集区，合格品被放置在一检平台上；在1号搬运机械手返回途中，通过2号相机检测一检平台上产品的俯视图外观；从第2个产品开始，2号与1号搬运机械手同步动作，将一检平台上的产品往2号输送带入口搬运，也在途中通过3号相机检测产品的主视图外观，若被2号、3号相机判定为不合格，则被扔入第2不良品收集区；否则，合格品被放置在2号带入口，随带到达末端，由3号搬运机械手往二检平台搬运，途中通过4号和5号相机分别检测产品的右视图和仰视图外观，二检平台上的产品再由4号搬运机械手往3号带入口搬运，途中，通过6号相机检测产品的后视图外观，若4#、5#、6#相机中有不合格判定，则直接扔入第3不良品收集区。否则，六面外观都合格的产品被放入3号带入口，送出至下一工位。

在上述自动化检测方案中，各个部位效率测算如下：

(1)产品尺寸约为(20*19*7)mm(如图2所示)，振动盘实测供料速度约为130个/分；

(2)输送带额定设计线速度约为200个/分；

(3)实测六面中最慢的视觉检测速度约为200 ms/次；

图1 系统总体设计思路

由此可见，整套方案的检测效率取决于振动盘和搬运机械臂中的最慢速度。为了最大限度提升机械臂动作速度，设计了如图2所示的高速单驱动XY耦合平移机械臂。4套机械臂结构相同。

图2 高速平移机械臂设计原理图

该机械臂由伺服电机、摆动曲柄、移动垂臂、十字滑块、导轨、气动抓手等零部件构成。首先，伺服电机带动摆动曲柄左右高速摆动，摆动曲柄末端与移动垂臂顶端通过转动副链接，垂臂通过移动副与十字滑块链接，十字滑块通过移动副与导轨链接，导轨固定不动。气动抓手固定地链接在移动垂臂末端，用以抓放产品。

机械臂运动周期T计算如下：

T=t1+t2+t3

(1)

其中，伺服电机以100 ms 加速到50转/秒的转速、经3:1减速后驱动摆动曲柄，电机的速度-时间曲线图如图3所示。曲柄从抓取位到拍照位，电机位移为270°，所需时间为t1ms，约为27.4 ms；从拍照位到放置位，电机位移为270°，所需时间为t2ms，约为27.4 ms；从放置位回到抓取位，电机位移为540°，所需时间为t3，约为38.7 ms；数值全部代入式2，得到机械臂一个运动周期T约93.5 ms。

图3 伺服电机速度-时间周期曲线图

综上所述，以亚德客HFK平行气爪3次/秒的动作频率计算，每完成一个产品的搬运、外观检测所需总周期约为726.5 ms。即，本方案的理论检测效率约为95个/分钟。

2 视觉检测单元设计

2.1 视觉参数计算与选型

2号相机检测面尺寸为20*19 mm，为左右区域留取适当检测空间，故设计相机视野大小为46*25 mm(15:8)。该视野大小同样可兼顾剩余5个方向视图检测要求。相机分辨率Rv计算如下：

Rv=22.5/Pymm/Pixel

(2)

其中，Py表示相机y方向的像素。

若将图像轮廓的清晰度调为4 Pixel，则相机检测精度Pr计算如下：

Pr=Rv*4

(3)

综上所述，为了实现0.1 mm的检测精度，相机y方向的像素Py至少为900以上。因此，选择200万像素的相机(即2040*1088 Pixel)，为了能识别彩色图像信息以及高速读取图像信息，最终选择欧姆龙FH-SC02型号的全局快门高速相机[11-12]。

为了能获得至少25 mm的成像视野，需要为相机安装适当焦距及成像距离的镜头，如图4所示。根据光学图表可知[11-12]，安装距离为200 mm、焦距为35 mm，配套5 mm延伸管，能够满足以上视野大小的要求，所选镜头型号为欧姆龙VS3514H1。

为了能够检测微动开关的6个表面外观及考虑性价比，最终选择具有1托6功能的高速图像处理控制器，型号为欧姆龙FH2050-20[11-12]。

由于需要检测微动开关的彩色图像，根据最后的测试效果，选择30°照射角度、白色环形光源，型号为东莞奥普特RI9030-W。

图4 光学参数关系示意图

2.2 视觉相机与光源安装设计

图5 1～3号相机安装三维设计图

图6 4～6号相机安装三维设计图

为了实现图1所示的视觉检测总体布局，设计了图5和图6所示的六面视图外观检测相机与光源的安装机构。图中，每套视觉检测装置都有1套环形光源位于相机与检测物之间。每套视觉安装机构均有XYZ平移调整与角度调整装置。XYZ平移调整装置用于调整相机拍摄视野位置以及安装距离，由3根铝型材及连接块构成；角度调整装置用于补偿安装时的角度误差，减少图像拍摄时的梯形失真，主要由基础框架、外框架、里框架及连接件构成，如图7所示。通过旋转上下两个螺钉，使得外框架带着里框架与相机绕基础框架作X轴旋转，以及里框架带着相机绕外框架作Y轴旋转。

图7 相机角度调整装置三维设计图

2.3 视觉检测程序设计

通过上述6套视觉检测单元，采集到了微动开关的6个表面外观图像，如图8所示。六面外观图像检测的主要内容有：盒盖缝隙大小检测、引脚宽度检测、引脚歪斜与漏装检测、孔边缘破损检测、按钮子漏装与高度检测等。

图8 微动开关六面图像采集原图

(1)视觉检测工作流程的设计。

为了实现上述检测目的，设计了视觉检测的基本工作流程，如图9所示。该流程主要由三大部分组成，分别为图像采集与处理、图像检测与判断、结果输出。具体工作如下：当外部信号触发视觉图像处理控制器后，开始采集检测图像，对检测图像进行预处理，在检测图像中搜索模型图像的登入形状(形状搜索)，平移及旋转检测图像(位置修正)，使检测图像中搜到的形状轮廓与模型图像中登入的形状轮廓重合，检测边缘点位置(扫描边缘位置)，检测区域颜色(面积重心)，计算目标部位几何尺寸(圆、直线检测与计算)，判断几何尺寸、颜色、破损等检测值是否合格(单元宏计算)，通过并行口输出合格/不合格信息(并行判断输出)。

图9 视觉检测工作流程

(2)图像背景处理

为了凸显在白色背景下产品边缘的轮廓，消除背景中的局部噪点图像，为后续边缘点提取处理减少无关数据干扰，因此需要对采集到的图像进行背景消除预处理。

由于采集到的产品图像为暗色，亮度较低，背景为铝合金白色，亮度较高，背景中局部噪点图像亮度略显暗淡，因此，背景消除处理的基本方法是通过设定亮度阈值，将范围外的部分作为背景去除；同时，保留图像的色调和饱和度，提高图像的对比度，背景消除的效果如图10所示。

图10 背景消除处理效果图

(3)边缘搜索

图11 边缘搜索结果

按照上述方法，搜索按钮最高边缘点和塑料盒任意y位置上的两个边缘点位置，便可求得按钮有无以及高度数值，如图12所示。

图12 按钮高度测量

按照上述方法，能够检测出微动开关的其他诸多几何尺寸，并判断是否合格。

3 PLC控制系统设计

考虑到稳定性和性价比，选用台达DVP-ES2-T型号的PLC作为下位机中央控制器，对3条输送带、4套机械臂和6套相机的IO信号实施逻辑控制。鉴于篇幅所限，本文仅对1、2号机械臂与1、2、3号视觉相机配合工作(即一检单元)的控制流程作详细介绍，控制流程图如图13所示，二检单元的控制流程与一检单元类似。

系统进入自动运行模式以后，首先执行初始化程序，包括信号初始化、张开抓手即机械臂动作初始化。1、2号机械臂同时到达拍照位，在这个过程中，如果一检平台检测有料，启动1号机械臂伺服驱动器中的位置触发功能，即：当1号机械臂离开一检平台上空时，PLC触发2号相机拍照检测。等待1#输送带末端或一检平台的传感器检测有料时，启动1号或2号或2个机械臂到达抓取位，闭合抓手，启动1号或2号或两个机械臂到达拍照位。对于1号机械臂，触发1号相机拍照后；若不合格，则1号抓手张开；若合格，而一检平台有料，1号机械臂无法放置当前抓手上的合格产品，则报警。对于2号机械臂，若2号相机不合格，或触发3号相机后检测不合格，则2号抓手张开；若合格，而2号带入口有料，2号机械臂无法放置当前抓手上的合格品，则报警。检验合格后，1、2号机械臂中凡是抓手闭合的，就到达放置位，张开对应抓手。

到此，一个工作循环结束，控制流程返回至初始化的下一步，如此周而复始，不断循环进行。

4 系统测试

在上述系统性设计过程中，机械臂结构的运动性能、自动化控制逻辑的容错能力、视觉检测程序的准确率都需要在实际应用中经历不断测试与改进。为了验证上述机械、控制与视觉设计方法的科学性，设计并制作了如图14所示的六面外观检测分拣机。

该样机先后在研发实验室和温州乐清某微动开关制造企业合计实际运行1年多时间，应用结果显示出了很好的稳定性和准确性，极大地提高了企业出厂产品的外观质量。

5 结语

该文集成应用了机械设计、机器视觉和电气自动化控制等多学科交叉技术，设计并研制出了一套外观检测自动化系统，可直接用于检测微动开关产品的六面外观质量，并筛选出不合格品，全过程无需人为干预，自动化程度高。基于该文的设计方法，经过简单改造输送带和抓手夹具，也能够用来检测筛选其他产品的外观。该系统解决了原来人工检测作业的诸多痛点问题，具有很好的推广应用价值。

图13 一检单元控制流程图

图14 外观分拣机的设备实物