周建民，周 佳，劉燕德

(華東交通大學(xué)光機(jī)電技術(shù)及應(yīng)用研究所，江西南昌330013)

一次性注射器以其性?xún)r(jià)比高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，是醫(yī)院中消耗量最大的易耗品之一，注射器的質(zhì)量安全直接關(guān)系到國(guó)民的健康。針頭在自動(dòng)裝配的過(guò)程中存在反裝的現(xiàn)象(針尖部位插入針座，如圖1所示)，對(duì)注射器的質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響，甚至危害到人的生命[1]。

目前國(guó)外已經(jīng)研制出這類(lèi)檢測(cè)系統(tǒng)，如德國(guó)西門(mén)子公司研制了一次性注射器反表識(shí)別系統(tǒng)，但其價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的研究機(jī)構(gòu)與廠家開(kāi)發(fā)這類(lèi)系統(tǒng)，而一般的中小型企業(yè)又不具備自己研制開(kāi)發(fā)的能力。國(guó)內(nèi)大部分廠家在進(jìn)行針頭的裝配時(shí)都采用人工檢測(cè)的方法。對(duì)于大批量生產(chǎn)、尺寸較小的針頭，人工目視檢測(cè)易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞，檢測(cè)精度不高，難以保證質(zhì)量。

LabVIEW是NI公司(National Instruments，美國(guó)國(guó)家儀器公司)開(kāi)發(fā)的一種交互式編程語(yǔ)言，它將軟件和各種不同的測(cè)量?jī)x器硬件及計(jì)算機(jī)集成在一起，建立虛擬儀器系統(tǒng)。使用LabVIEW開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的速度比其他編程語(yǔ)言快4～10倍[2]。

針對(duì)針頭缺陷檢測(cè)的現(xiàn)狀，本文利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了針頭缺陷在線檢測(cè)系統(tǒng)。

圖1 針頭反裝現(xiàn)象

1 針頭缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)由[c]FP-PWM-520模塊、照明系統(tǒng)、PC機(jī)、工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、傳送帶等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由PC機(jī)發(fā)出電機(jī)控制指令，通過(guò)以太網(wǎng)將控制信號(hào)傳送給[c]FP-PWM-520模塊直接作用于步進(jìn)電機(jī)，以此來(lái)控制針頭傳輸?shù)乃俣取．?dāng)針頭進(jìn)入到工業(yè)攝像機(jī)的檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，攝像機(jī)采集圖像并通過(guò)USB接口把圖像信息傳遞到PC機(jī)，再由軟件部分檢測(cè)針頭是否存在缺陷。

1.1 [c]FP-PWM-520

[c]FP-PWM-520是NI公司生產(chǎn)的[c]FP控制器中用以脈寬調(diào)制的模塊之一。[c]FP控制器可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制，并能通過(guò)內(nèi)置式Web與文件服務(wù)器，在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上自動(dòng)發(fā)布測(cè)量結(jié)果[3]。[c]FP-PWM-520模塊有8個(gè)脈沖寬度調(diào)制輸出通道，這些通道具有可獨(dú)立編程的占空比，可用于基于PWM(脈沖寬度調(diào)制)的控制應(yīng)用程序[4]。

1.2 照明系統(tǒng)

在針尖的缺陷檢測(cè)中，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確率關(guān)鍵在于針尖部分輪廓的清晰程度。針尖極其細(xì)小并且屬于高反光物體，因此在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)過(guò)程中要求綜合多種光源類(lèi)型。背光照明方式下，光源均勻的從被檢測(cè)物體的背面照射，可以獲得高清晰的輪廓;而散射照明能產(chǎn)生最適合高反射物體的無(wú)方向、柔和的光。本系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)即結(jié)合了這兩種照明方式。這種方式根據(jù)解決被測(cè)物體針頭尺寸細(xì)小且高反光的實(shí)際問(wèn)題，使整個(gè)系統(tǒng)中圖像的質(zhì)量得到很大的改善。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)的虛擬儀器實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)采用LabVIEW和IMAQ Vision編程實(shí)現(xiàn)，主要包括步進(jìn)電機(jī)控制和針頭缺陷識(shí)別兩個(gè)部分。系統(tǒng)的主界面圖如圖3所示。

2.1 步進(jìn)電機(jī)控制部分

由于針頭是安裝在針座上的，每個(gè)針座總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，上面可以同時(shí)安裝50根針頭。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，針座是自動(dòng)傳輸?shù)模瑸榻档托♂橆^圖像處理的難度，確保攝像機(jī)視場(chǎng)有限的情況能夠拍攝到清晰的針頭圖像，本系統(tǒng)每次只拍攝10根針左右，整個(gè)針座共分5次完成，因此，需要采用步進(jìn)電機(jī)控制傳輸系統(tǒng)共進(jìn)行5次啟停，傳輸系統(tǒng)停止時(shí)拍攝針頭的靜止圖像，拍攝完畢由程序自動(dòng)控制傳輸系統(tǒng)傳輸一個(gè)工位后再次停止。為完成傳輸系統(tǒng)的自動(dòng)啟停，只需給傳輸系統(tǒng)一個(gè)脈沖調(diào)制信號(hào)，而步進(jìn)電機(jī)控制部分程序的核心是將用于電機(jī)控制的脈沖信號(hào)寫(xiě)入[c]FP-PWM-520模塊。在被寫(xiě)入信號(hào)之前，首先要對(duì)[c]FP-PWM-520模塊進(jìn)行配置。這部分將在MAX(Measurement&Automation)下實(shí)現(xiàn)，其中主要完成對(duì)所有通道的周期項(xiàng)目的配置，并保存配置文件。配置完成后，可以在LabVIEW中利用FPWrite.vi中的FieldPoint IO Point In端口作為通道選擇控件或者脈沖周期項(xiàng)目控件，再根據(jù)具體的控制需要來(lái)選擇占空比等參數(shù)。這部分的程序流程圖如圖4所示。

2.2 針頭缺陷識(shí)別部分

針頭的缺陷識(shí)別包括圖像采集、圖像處理、模板匹配和結(jié)果顯示4大部分，程序結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖像的采集選用大恒公司的HV2002UC型數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，通過(guò)在LabVIEW中加載名為HVDevice.ocx的控件即可以驅(qū)動(dòng)設(shè)備。用戶(hù)再根據(jù)需要來(lái)設(shè)置控件的屬性和調(diào)用方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的完全控制和功能應(yīng)用。采集后的圖像經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)字圖像處理后，對(duì)被檢測(cè)的針頭進(jìn)行定位并利用模板識(shí)別技術(shù)檢測(cè)出針頭的缺陷，最終顯示檢測(cè)的結(jié)果。如果無(wú)針頭反裝，則顯示PASS，如有針頭反裝，則顯示FAIL，同時(shí)用紅框框住反裝針頭。

圖4 步進(jìn)電機(jī)控制程序流程圖

3 核心技術(shù)

3.1 圖像預(yù)處理及圖像增強(qiáng)

檢測(cè)系統(tǒng)獲取的圖像往往收到各種噪聲的污染，使得圖像質(zhì)量下降，因此必須先進(jìn)行圖像預(yù)處理才能使用[5]。這里采用中值濾波的非線性濾波方法。其基本思想是用像素點(diǎn)領(lǐng)域灰度值的中值來(lái)代替該像素點(diǎn)的灰度值。處理后的圖像噪聲得到最大抑制，很好的保存了邊界信息。在IMAQ模塊下直接調(diào)用filter median.vi即可完成該運(yùn)算。

圖5 缺陷識(shí)別程序結(jié)構(gòu)圖

為了提高匹配的準(zhǔn)確度以幫助后續(xù)的圖像處理工作更加順利進(jìn)行，需要對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。通過(guò)對(duì)各種增強(qiáng)方法的效果圖進(jìn)行對(duì)比，采用1.5次方函數(shù)的直方圖修正，修正后的圖像對(duì)比度明顯增強(qiáng)的同時(shí)能較好的抑制噪聲。

3.2 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本思想是用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去量度和提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀以達(dá)到對(duì)圖像分析和識(shí)別的目的。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和所用語(yǔ)言是集合論，可以簡(jiǎn)化圖像數(shù)據(jù)，保持它們基本的形狀特性，并除去不相干的結(jié)構(gòu)。此外，它還能實(shí)現(xiàn)形態(tài)學(xué)分析和處理算法的并行，大大提高了圖像分析和處理的速度[6]。本程序中將閾值化后的圖像通過(guò)IMAQMorphology.vi的Gradient in操作，提取粒子的內(nèi)部邊界，再對(duì)提取的邊界進(jìn)行圓滑填充，這樣就能完好的保持針頭的基本形狀特性，如圖6所示。再對(duì)圖像進(jìn)行粒子分析(Particle Analysis)，得到針尖部位的坐標(biāo)及角度等數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)針頭的定位。

圖6 圖像的形態(tài)學(xué)處理

3.3 模板匹配

模板匹配是指用標(biāo)準(zhǔn)模板與源圖像進(jìn)行比較，以確定在源圖像中是否存在與該模板相同或相似的區(qū)域，若存在，還可確定其位置并提取該區(qū)域[7]。

在本程序中，選擇一個(gè)反表的針尖圖像作為標(biāo)準(zhǔn)模板。根據(jù)粒子分析得出的參數(shù)，在源圖像中的每根針尖部分都建立坐標(biāo)系，并確定ROI(Region Of Interest)區(qū)域，再把針頭與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行匹配。

在IMAQ Vision中模板匹配函數(shù)為IMAQMatch Geometric Pattern.vi，該函數(shù)可以設(shè)置匹配對(duì)像的數(shù)目、坐標(biāo)位置、旋轉(zhuǎn)角度、大小比例和相似程度等。據(jù)NI公司所提供的資料指出，這種匹配方法綜合運(yùn)用了非均勻化采樣、邊緣檢測(cè)等方法，使得匹配準(zhǔn)確率高且速度快，可比傳統(tǒng)方法快十倍之多。

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖7為不同規(guī)格的針頭的缺陷檢測(cè)結(jié)果。如果出現(xiàn)反表的情況，則用方框把反表的針頭標(biāo)記出來(lái)，并在圖片的左下方顯示“FAIL”。圖6(a)為檢測(cè)φ1.5的針頭，其中有一根反裝的針頭。圖6(b)為檢測(cè)φ0.5的針頭，其中有兩根反裝的針頭。

圖7 缺陷檢測(cè)效果圖

5 結(jié)論

大量試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)對(duì)各種規(guī)格的針頭都有較高的識(shí)別率，可達(dá)99.9%，系統(tǒng)的處理時(shí)間也完全滿(mǎn)足工業(yè)在線生產(chǎn)的要求。整個(gè)軟件部分采用虛擬儀器LabVIEW進(jìn)行編程，節(jié)省了大量軟件處理的時(shí)間，提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。其中利用[c]FP-PWM-520模塊來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)。采用IMAQVision進(jìn)行數(shù)字圖像處理，并用模板匹配函數(shù)IMAQMatch Geometric Pattern.vi進(jìn)行模板匹配，比傳統(tǒng)的方法快10倍之多。

該針頭缺陷檢測(cè)系統(tǒng)界面友好、操作方便、完全可視化、檢測(cè)精度高，具有較高的推廣價(jià)值。

[1] 劉正平，肖強(qiáng).一次性注射器針頭反表識(shí)別系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(1):96-98.

[2] 蔡共宣.LabVIEW編程思想研究[J].研究裝備制造技術(shù)，2009，(9):56-58.

[3] NI公司.什么是NICompact FieldPoint?[EB/OL].http://www.ni.com/compactfieldpoint/zhs/whatis.htm/2009.

[4] NI公司.NI cFP-PWM-520[EB/OL].http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/11606/2009.

[5] 趙文杰，陳振濤，鄒小波.機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)方便面破損在線檢測(cè)的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(10):238-240.

[6] 舒華，余群.基于LabVIEW的形態(tài)學(xué)圖像處理研究[J].信息技術(shù)，2009，(5):142-144.

[7] 田娟，鄭郁正.模板匹配技術(shù)在圖像識(shí)別中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(1):112-114.