圖像處理技術(shù)在零件表面破損檢測中的應用

表面破損檢測問(wèn)題的提出

準確、快速地探測零件表面缺陷，直接關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量，若不及時(shí)剔除不合格產(chǎn)品，將會(huì )帶來(lái)質(zhì)量隱患。但在以批量生產(chǎn)方式為特徵的汽車(chē)、摩托車(chē)、內燃機等行業(yè)，識別和檢測重要零件關(guān)鍵部位的表面缺陷迄今還是以人工目測為主。由于考慮到工藝執行過(guò)程中的復雜性(尤其在采用了先進(jìn)的分離大小頭的連桿漲斷工藝后)，還必須提出規范的評定標準。如，對連桿大小頭結合面可能存在的破損，就有如下具體規定：破口面積小于3mm2；破口任何一方向的線(xiàn)性長(cháng)度小于2.5mm。只要符合其中一個(gè)條件，就將判定為不合格而被剔除。

根據零件的特點(diǎn)，破口可能出現的區域在結合面（線(xiàn)）的外側，其范圍呈“八”字形。在此情況下，依靠人工目測、估算的方式，不但效率低，勞動(dòng)強度大，且無(wú)法準確執行上述標準中的規定。另一方面，即使采用其它常規測量方法，也難以達到上述目的。

圖像處理技術(shù)用于表面缺陷檢測的原理

圖像處理技術(shù)又稱(chēng)“機器視覺(jué)”，乃是將被測對象的圖像作為信息的載體，從中提取有用的信息來(lái)達到測量的目的。它具有非接觸、高速度、測量范圍大、獲得的信息豐富等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)CCD（Charge Coupled Device）攝像頭與光學(xué)系統、處理系統的組合，可實(shí)現不同的檢測要求。對于上述工件表面缺陷的識別可采取圖1所示的反射方式。

如圖所示，本系統通過(guò)一個(gè)方形LED漫反射光源照亮待檢測的破口區域，光線(xiàn)照射到對象表面后，反射到攝像頭內的光電耦合CCD組件上轉化成對應的電量信號。其中CCD組件可理解為一個(gè)由感光像素組成的點(diǎn)陣，CCD的每一個(gè)像素都一一對應了被測對象的二維圖像特徵，即通過(guò)對“像素點(diǎn)成像結果”的分析可以間接分析對象的圖像特徵，比如通過(guò)對二值化圖像中的成像像素個(gè)數的計算，可以得到相應對象的長(cháng)度值和面積值。圖像處理系統根據電量信號將得到的圖像進(jìn)行二值化處理后，把二值圖像作為對象進(jìn)行進(jìn)一步的計算分析。

本圖像處理系統在實(shí)際使用中，對于灰度的二值化閾值和光源的設定采用比對的方法實(shí)現。比對的具體方法：用已知的樣件作為標定（比對）的參照物，把已知的參照物測量值除以參照物對應的像素值，即可得到像素與實(shí)際值之間的對應比例值。通過(guò)調整光源亮度以及系統的二值化閾值，對灰度的二值化閾值進(jìn)行優(yōu)化，保證系統對對象邊界具有相對較高的分辨率，即優(yōu)化后的二值化閾值和光源可以使邊界的變化產(chǎn)生盡量大的像素值變化。

作為一種新穎而又實(shí)用的傳感技術(shù)，圖像檢測單元近年已實(shí)現產(chǎn)品化，一些知名的廠(chǎng)商，如日本的松下公司、德國的西門(mén)子公司等都推出了品種規格齊全的系列化產(chǎn)品，包括光源、攝像頭、圖像處理器等，這對圖像檢測技術(shù)的推廣應用創(chuàng )造了很有利的條件。與此同時(shí)，所頒布的相關(guān)企業(yè)標準，不但規范了生產(chǎn)，而且為用戶(hù)在不同情形下選用合適的檢測單元及更快、更好地進(jìn)行系統設計提供了依據。

根據被測對象的特徵（工件、被測部位），參照有關(guān)標準，將能方便地選取合適的圖像檢測單元。以連桿為例，由于結合面的破口缺損面積不可能大于15×15 m m2，故從相應的標準中取“視野”為20×21.4 m m2這一檔較合適。而相對每一檔的視野和景深，用戶(hù)又可選擇不同焦距的攝像機，如8、16、25和50等多種型號，每一種焦距又對應表徵透鏡至被測表面距離al和表徵透鏡至CCD感光面距離ba等兩項參數。根據被測工件的情形，選焦距f=25mm的攝像頭，此時(shí)上述兩項參數分別為137mm和9mm。本例采用的是松下公司的小型圖像檢測單元，其中的核心部件CCD感光片的像素為512×480，在視野確定的情形下，據此就能求出所選檢測單元的測量分辨率：

X向分辨率：
21.4/512=0.0417mm

Y向分辨率：
20.0/480=0.0417mm

面積分辨率：
0.0417×0.0417=0.00174mm2

圖1所示的反射型圖像測量，光源有組合在攝像頭之中和分體布置等兩種形式，而光源自身又有熒光燈、鹵素燈、激光和LED光源等多種。根據本例的具體情況，采用了分體布置的LED光源方案，這種型式易于調整。

圖1 反射型圖像測量原理

專(zhuān)用檢測設備的組成、設計特點(diǎn)和運行過(guò)程

系統的組成

測量系統方案的形成，一方面根據被測對象的特點(diǎn)，如前所述，結合面上的破口缺損分布范圍呈“八”字形，這表明為完成一次檢查，需通過(guò)三個(gè)方向進(jìn)行測量；另一方面，工藝、生產(chǎn)部門(mén)又提出實(shí)行全數檢驗的要求。因此，決定采用半自動(dòng)方案，即除工件裝卸為人工外，整個(gè)測量過(guò)程均為自動(dòng)，以適應較快的工作節奏。

圖2a