陳世輝

(1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 福建 福州 350118； 2.福建省智能裝備服務(wù)型制造公共服務(wù)平臺(tái), 福建 福州 350118)

目前，瓷磚的表面質(zhì)量和色差主要通過檢測(cè)人員的手工和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)檢測(cè)。由于檢測(cè)人員的長(zhǎng)時(shí)間工作及自身主觀因素等影響，瓷磚檢測(cè)結(jié)果的正確性和穩(wěn)定性難以保證。由于瓷磚在生產(chǎn)線上的運(yùn)行速度較快，檢測(cè)人員只能對(duì)瓷磚進(jìn)行抽檢，容易造成漏檢、誤檢。為降低檢測(cè)人員的工作量，提升檢測(cè)精度，需要對(duì)老舊的生產(chǎn)加工工藝進(jìn)行改良，國(guó)內(nèi)對(duì)瓷磚質(zhì)量檢測(cè)的研究已有不少[1-9]。本研究應(yīng)用機(jī)器視覺，對(duì)產(chǎn)品在線進(jìn)行尺寸精確度及產(chǎn)品缺邊的情況檢測(cè)，從工程角度出發(fā)，建立一套基于機(jī)器視覺的在線檢測(cè)瓷磚尺寸裝置，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)工作原理

根據(jù)GB/T4100-2015，以某企業(yè)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)瓷磚，600 mm×600 mm(長(zhǎng)×寬)的尺寸誤差為(600±0.3)mm。瓷磚檢測(cè)系統(tǒng)如圖1。該系統(tǒng)由相機(jī)固定在一個(gè)有底座支架上，每?jī)膳_(tái)相機(jī)剛好并排固定在瓷磚正上方，視覺檢測(cè)由輸送系統(tǒng)、視覺檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，視覺檢測(cè)系統(tǒng)由CCD黑白相機(jī)與支架組成，每臺(tái)相機(jī)獨(dú)立安裝，可以隔離瓷磚傳動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)。輸送系統(tǒng)由鏈條和滾筒組成，鏈條帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，把經(jīng)定位輪的瓷磚輸送到工位1，通過圖1中的定位輪對(duì)瓷磚進(jìn)行定位，以保證不同規(guī)格的瓷磚能準(zhǔn)確安置在視覺系統(tǒng)檢測(cè)范圍內(nèi)，定位輪可以根據(jù)瓷磚的不同尺寸進(jìn)行調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)由直流伺服電機(jī)和PLC控制器組成。對(duì)工位的精確定位可以有多種電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式[10-12]。本項(xiàng)目采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。PLC依照判定結(jié)果通過I/O端口控制電磁閥驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的分級(jí)裝置為瓷磚分揀。

圖1 瓷磚檢測(cè)系統(tǒng)組成Fig.1 Setup of the tile inspection system

利用PLC控制電機(jī)使?jié)L筒轉(zhuǎn)動(dòng)，把瓷磚輸送到每一個(gè)工位，對(duì)于尺寸不一樣的瓷磚，采用不同配置, 4臺(tái)CCD黑白相機(jī)，使用背光源。對(duì)于大尺寸規(guī)格方形磚(800～1 000 mm)，4臺(tái)相機(jī)分別拍攝略大于瓷磚1/4的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)于矩形瓷磚(200 mm×600 mm)，采用2臺(tái)相機(jī)拍攝略大于瓷磚1/2的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)于小尺寸規(guī)格方形磚(400 mm×400 mm以下)，采用1臺(tái)相機(jī)拍攝瓷磚進(jìn)行檢測(cè)。不同規(guī)格的瓷磚都統(tǒng)一到同一工位進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.2 Test system

測(cè)試系統(tǒng)中，控制器采用OMRON的FH-3050-10，型號(hào)為FZ-S5M2的相機(jī)，光源控制器為Wordop，型號(hào)為PS2-6024-2有2通道，總輸出功率60 W。

2 視覺圖像處理

機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品尺寸的測(cè)量不僅精度高、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、非接觸，并且速度快。對(duì)瓷磚的不同部位可通過視覺檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行拍攝，拍攝出多張部分重疊的圖像，之后通過圖與圖的信息重復(fù)把圖像拼接起來得到完整的大塊瓷磚圖像，完整的瓷磚結(jié)構(gòu)尺寸通過分析大塊瓷磚圖像便可得出。

本試驗(yàn)測(cè)試的瓷磚樣品為148 mm×148 mm使用 200萬像素CCD相機(jī) ，取圖像視野為220×165，則視覺精度為0.137 5 mm/pixel。調(diào)整相機(jī)光圈、焦距以及光源亮度，從而獲取較好的圖像效果，瓷磚視覺圖像如圖3所示。視覺檢測(cè)中的長(zhǎng)度單位為像素。要使圖像上的像素坐標(biāo)和實(shí)際的以毫米為單位的坐標(biāo)關(guān)聯(lián)，需要進(jìn)行圖像校準(zhǔn)。利用視覺軟件中“相機(jī)校準(zhǔn)值”中的點(diǎn)校準(zhǔn)即可完成校準(zhǔn)過程。

2.1 圖像濾波

在獲取瓷磚圖像時(shí)，圖像質(zhì)量會(huì)由于外部環(huán)境干擾或者自身傳感器、信號(hào)傳輸?shù)仍蚨档蚚13-14]，這時(shí)候需要對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理。

直方圖的圖像信息非常豐富，通過直方圖可以得到圖像像素灰度的分布和各個(gè)灰度級(jí)與其在數(shù)字圖像中出現(xiàn)頻數(shù)的關(guān)系。在獲取的瓷磚圖中，r表示灰度級(jí)，r∈[0,255]。

在瓷磚灰度圖中，將某點(diǎn)到圖像的左上角，在瓷磚上形成的矩形區(qū)域內(nèi)全部點(diǎn)的灰度值之和表達(dá)為(x，y)，瓷磚一個(gè)點(diǎn)(x,y)的值在實(shí)際計(jì)算過程中為:

I(x,y)=I(x-1,y)+I(y-1,x)-I(x-1,y-1)+G(i,j)

(1)

式中，I表示瓷磚圖像中該點(diǎn)的積分圖像值，G為瓷磚圖像中該點(diǎn)的灰度值。

通過以上計(jì)算，便可對(duì)瓷磚圖像中任意矩形框內(nèi)點(diǎn)的灰度和進(jìn)行求值。

2.2 圖像增強(qiáng)

瓷磚灰度圖像的對(duì)比度增強(qiáng)直方圖均衡化是一種圖像增強(qiáng)技術(shù)，可以使瓷磚圖像整體或局部反差程度增強(qiáng)，可以看見瓷磚圖像的某些細(xì)節(jié)，使圖像的分割效果得到改進(jìn)[15]。

直方圖均衡化步驟：

1)算出輸入圖像的直方圖H；

2)進(jìn)行直方圖歸一化，直方圖的組距和為255；

3)計(jì)算直方圖積分；

4)進(jìn)行圖像變換。

均衡化后的原始圖像如圖4所示。

圖4 增強(qiáng)后圖像Fig.4 Enhanced image

通過以上步驟處理，保證了輸出瓷磚圖像的灰度均值接近于輸入瓷磚圖像灰度均值，增強(qiáng)瓷磚圖像對(duì)比度。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

瓷磚檢測(cè)的要求根據(jù)GB/T4100-2015, 干壓陶瓷磚長(zhǎng)度和寬度技術(shù)要求如下：

1)70 mm≤名義尺寸N<150 mm的瓷磚：每塊磚(2條或4條)的平均尺寸相對(duì)于工作尺寸(W)允許偏差為±0.9%；

2)名義尺寸N≥150 mm的瓷磚：每塊磚(2條或4條)的平均尺寸相對(duì)于工作尺寸(W)允許偏差為±0.2%，最大值為±2.0 mm；

3)所有拋光磚的允許偏差最大值±1.0 mm。

試驗(yàn)方法按GB/T 3810.2-2016要求進(jìn)行，試驗(yàn)中，分別測(cè)量瓷磚的上、下、左、右邊長(zhǎng)，進(jìn)行10次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

由于采用同一套測(cè)試系統(tǒng)，其測(cè)試結(jié)果具有普遍性，選取瓷磚上、左邊的10次測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，如圖5(a)(b)所示。

由圖5可知，10次測(cè)量結(jié)果中，從第6次開始，數(shù)據(jù)波動(dòng)大，存在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)的因素，但其測(cè)試的誤差最大為0.013 8 mm，依然在國(guó)標(biāo)的允許范圍內(nèi)。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理如圖6所示，其測(cè)量結(jié)果與分次測(cè)量的結(jié)果一樣，從第6次開始波動(dòng)，最大誤差為0.003 5 mm。

表1 瓷磚測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results of a tile mm

(a)瓷磚上邊測(cè)量結(jié)果

(b)瓷磚左邊測(cè)量結(jié)果圖5 機(jī)器視覺測(cè)量結(jié)果Fig.5 Machine vision measurement results

圖6 測(cè)量平均結(jié)果Fig.6 Average measurement results

從測(cè)量的數(shù)據(jù)可以看出，通過視覺檢測(cè)瓷磚的長(zhǎng)度和寬度，其測(cè)量穩(wěn)定性高、偏差小，最大誤差為0.002 2 mm，達(dá)到檢測(cè)要求。

4 結(jié)論

通過構(gòu)建瓷磚機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)，采用200萬像素的CCD相機(jī)，檢測(cè)瓷磚的尺寸，對(duì)圖像進(jìn)行降噪和增強(qiáng)處理后，測(cè)試瓷磚的四邊尺寸，其誤差為微米級(jí)，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為瓷磚的自動(dòng)在線檢測(cè)提供一種可行的測(cè)試方法。

致謝:本試驗(yàn)的過程得到中海創(chuàng)自動(dòng)化有限公司的大力支持，在此表示感謝。

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