海爭平　楊志紅

摘要：高速沖刺后的片狀條帶產(chǎn)品的檢測目前主要依賴于線下的人工或依據(jù)CCD設(shè)備檢測，不能實時反映條帶加工的符合情況，嚴(yán)重時會導(dǎo)致批量不合格條帶的出現(xiàn)，造成生產(chǎn)的極大浪費。CCD（電荷耦合單元）技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品檢測上已經(jīng)比較成熟。采用一種方式能實時在線檢測高速沖刺條帶的符合性是一種很好的思路。

Abstract： The inspection of sheet strips post high-speed punching mainly relies on the manual off-line inspection with basic inspection equipment or CCD equipment. Such inspections cannot reflect the real-time conformity of strip machining， and in severe cases， lead to rejects in batches， causing a tremendous waste in production. Now that the application of charge-coupled device （CCD） technology in product inspection is relatively mature， it would be a very good thought to adopt the CCD technology to realize real-time online inspection of conformity of the high-speed punched strips.

關(guān)鍵詞： CCD；條帶；在線自動檢測；級進模

Key words： CCD technology；strip；online automatic inspection；progressive die

中圖分類號：TN386 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0249-02

0 引言

連續(xù)模由多個工位組成，各工位按順序關(guān)聯(lián)完成不同的加工，在沖床的一次行程中完成一系列不同的沖壓加工。一次行程完成以后，由沖床送料機按照一個固定的步距將材料向前移動，在一副模具上就可以完成多個諸如沖孔、落料、折彎、切邊、拉伸等工序。

連續(xù)模加工具有如下特點：①連續(xù)模是多任務(wù)序沖模，在一副模具內(nèi)，可以包括沖裁、彎曲成型和拉伸等多種多道工序，具有很高的生產(chǎn)率；②進模操作安全；③可以采用高速沖床，生產(chǎn)易于自動化。由于連續(xù)模具有這些特點，所以在金屬加工尤其是片狀零件加工中應(yīng)用很廣。

CCD中文名叫電荷耦合單元，也稱CCD圖像傳感器，它是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。CCD植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的圖面分辨率也越高。CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應(yīng)光線，并將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號。CCD裝置由于體積小，重量輕、分辨率高、靈敏度高、工作電壓低、功耗小、壽命長、抗沖擊和抗震性好、不受電磁場干擾等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到工業(yè)非接觸測量領(lǐng)域中。被廣泛應(yīng)用到在線檢測尺寸、位移、速度和自動調(diào)焦等方面。

如圖1所示條帶的生產(chǎn)是通過高速級進模完成，沖裁效率為20～30條/分鐘。該條帶主要特點為材料價格昂貴、檢測尺寸特征多、細小特征比較多，尺寸精度不高、表面質(zhì)量要求高、零件的厚度較薄、加工的數(shù)量大。

目前生產(chǎn)過程中的檢測方法有兩種：①檢測人員依靠傳統(tǒng)的檢測儀器和設(shè)備按照檢測規(guī)范進行檢測；②檢測人員采用專用的CCD（電荷耦合器件）檢測儀器進行檢測。所有的檢測都在線下進行，勞動強度大，人為影響檢測數(shù)據(jù)的概率大大增加。由于不能進行在線檢測，如果零件沖刺時出現(xiàn)問題，將會導(dǎo)致大量的次品和廢品出現(xiàn)，所以在批量生產(chǎn)該條帶過程中采用一種自動檢測的方式將大大減輕檢測人員的工作量、提高檢測的效率和提高檢測的精度。

1 檢測工作流程框架

條帶傳統(tǒng)的檢測主要借用檢測儀器進行手工檢測，檢測的結(jié)果與檢測人員的素質(zhì)、熟練程度、檢測方法和儀器的精度有關(guān)，在單個零件的特征很多的情況下，生產(chǎn)效率很低，出錯率很高。基于條帶的結(jié)構(gòu)及加工特點，在高速沖刺的過程中新的檢測主要采用CCD快速成像技術(shù)來實現(xiàn)，考慮到該條帶的沖刺為高速沖刺，整體檢測設(shè)計思路采用在線由初略檢測到詳細檢測的二步式進行，即初略檢測階段通過二維成像技術(shù)檢測所有條帶的主要外形特征和零件的裂紋及毛刺，詳細檢測階段按照抽樣比例（比如1條/分鐘）選取檢測的條帶，通過形成局部的三維重建模型，與標(biāo)準(zhǔn)模板進行比對，通過三維尺寸、形位公差等多方面的檢測，快速發(fā)現(xiàn)缺陷產(chǎn)品。整個檢測在線上進行，兩個階段協(xié)同工作，在任何一個階段出現(xiàn)尺寸超差的產(chǎn)品，將進行報警處理。如圖2為該方案實施流程圖。

2 技術(shù)實現(xiàn)過程

圖3為本方案在線檢測工作臺組件示意圖。主要包括基體、攝像頭、玻璃板、夾持器1、夾持器2和定位銷等?；w中間鏤空，基體工作面由一個斜面組成，斜面的角度保證條帶在正常情況下可自由的下滑，斜面上有滑道，滑道寬度比條帶稍寬，滑道的兩側(cè)是光滑平直的平面，一側(cè)用作條帶的定位面，滑道的中間部分鑲嵌有一塊透明玻璃，玻璃的下端裝有可上下移動的定位銷，滑道上玻璃的側(cè)面裝有夾持器1和夾持器2，工作時分別靠緊一個條帶，玻璃的上方和下方各擺放一個攝像機，攝像機通過傳送裝置（沒畫出）在玻璃上方移動照相。

2.1 接檢、機械找正階段

由于高速沖刺屬于連續(xù)作業(yè)，頻率高、速度快，檢測時條帶基準(zhǔn)的確定顯得非常重要。本機械找正過程主要通過夾持器1、夾持器2和定位銷相互配合來完成該動作。

夾持器1、夾持器2和定位銷的動作通過PLC控制氣動或電動來實現(xiàn)。如圖3，條帶沖刺完成后順著滑道往下滑，滑到定位銷時停住，此時，夾持器1和夾持器2作用，將上下兩個條帶分別靠緊滑道的另一邊，通過夾持器定位找正。

掃描完成后，首先將定位銷下落，而后松開夾持器2，測量的條帶順滑道下滑，過了定位銷后，定位銷上升，夾持器1松開，上面的條帶往下滑到定位銷，兩個夾持器同時工作，將兩條帶夾緊。

2.2 掃描、分析和判定階段

如圖4為檢測流程圖。具體步驟如下：

①采用激光器向條帶投射激光柵格（或十字線），以便攝像機在近距離攝影時對焦。

②雙目攝像機在電機驅(qū)動下按照預(yù)定的軌跡掃描，實時獲取不同位置和視角的視頻圖像。

③分析處理。本階段主要包括兩個內(nèi)容：粗略檢測即二維成像檢測和詳細檢測即局部三維成像檢測攝。初略檢測是對所有條帶進行分析。首先對攝像機獲取的視頻圖像進行預(yù)處理，提取邊緣特征（零件的長、寬等），并與標(biāo)準(zhǔn)邊緣模板進行匹配，根據(jù)相似度（如圖2種的細長槽特征、長槽特征、凸起特征等）快速發(fā)現(xiàn)由于模板誤用或某個加工環(huán)節(jié)遺漏所導(dǎo)致的產(chǎn)品缺陷；然后改變成像分辨率，對條帶正反兩面進行高分辨率拍攝，分析其表面特征，快速發(fā)現(xiàn)具有明顯裂痕、劃痕的缺陷產(chǎn)品。

詳細檢測是按照所選定比例（比如1條/分鐘）抽取條帶，對條帶三維尺寸、形位公差進行檢測。根據(jù)雙目攝像機的安裝結(jié)構(gòu)和成像模型，建立雙路視頻圖像幀的粗略對應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上利用基于局部特征的配準(zhǔn)方法，實現(xiàn)視頻圖像幀亞像素級別精確對應(yīng)，然后建立掃描目標(biāo)的深度圖，形成局部部位的三維重建模型（如圖2中長槽特征的A、B、C、D尺寸及厚度尺寸）。

④根據(jù)分析的結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)模板進行比對，符合公差范圍即判定條帶合格，如果粗略檢測和詳細檢測中任意一項內(nèi)容超出公差范圍，即判定條帶不合格，報警。

3 技術(shù)難點

①本儀器的工作任務(wù)包含對多種指標(biāo)的混合檢測，檢測指標(biāo)眾多且精度要求高，為算法的實現(xiàn)和優(yōu)化帶來了難度。其解決思路是在檢測算法的設(shè)計過程中，側(cè)重結(jié)合目前處理器的多核化發(fā)展趨勢，有效利用新一代處理器指令集中引入的異或（XOR）運算等加速指令，提高算法的執(zhí)行效率；同時優(yōu)化點云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最大限度減少三維數(shù)據(jù)在檢索、存儲過程中的時間開銷。

②送檢條帶由鋯合金材料制成，材料反光度較高、紋理信息不豐富；另一方面，為了實現(xiàn)高精確檢測，雙目攝像機、三目攝像機在視頻圖像獲取過程中與內(nèi)條帶的間距不足200mm，視場極小。在這種情況下，攝像機鏡頭很難精準(zhǔn)對焦，形成清晰視頻圖像。解決思路是在視頻獲取之前，通過激光器投射激光柵格（或十字線），輔助鏡頭對焦和深度距離的計算。

③傳送裝置、雙目測量和三維重建，每一個工作環(huán)節(jié)不可避免帶有一定程度的誤差。當(dāng)多方面的誤差疊加時，很難有效抑制。解決思路是在初略檢測和詳細檢測過程中，圖像處理時通過對目標(biāo)進行虛擬姿態(tài)校正，從而降低檢測精度與機械裝置運動精度的相關(guān)性，最大限度減少誤差。

④CCD系統(tǒng)對工作環(huán)境的要求很高，在生產(chǎn)中對CCD運行有影響的灰塵、振動等一定要采取措施。系統(tǒng)應(yīng)盡量放置在通風(fēng)、干燥和干凈的場地，必要時可在設(shè)備上加裝玻璃防護罩；防止振動方面主要有兩個：避開共振區(qū)，根據(jù)實際情況改變系統(tǒng)的固有頻率，使系統(tǒng)不在共振區(qū)工作；采取隔振措施，使沖壓設(shè)備與地基隔離，或者讓系統(tǒng)與地基隔離，減少沖壓設(shè)備對周圍設(shè)備的影響。

參考文獻：

[1]王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版，2000.

[2]李國寧，劉妍妍，金龍旭.用于動態(tài)目標(biāo)跟蹤的面陣CCD 成像系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程，2008，16（3）.

[3]王新華.復(fù)合模連續(xù)模制作工藝技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2012.