陳家焱，景利孟，洪 濤，蔣天齊

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018; 2.杭州質(zhì)慧信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引 言

隨著變壓器行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于變壓器設(shè)備的額定性能數(shù)據(jù)和抗過載性能等提出了更高的要求。其中漆包線作為變壓器的重要零件之一，其質(zhì)量和安全性直接關(guān)系到變壓器產(chǎn)品的性能。為了滿足要求，漆包線的性能參數(shù)一直被人們重視，線徑尺寸作為漆包線常規(guī)參數(shù)之一，也是一個(gè)重要的方面。

目前漆包線行業(yè)中普遍使用的檢測(cè)設(shè)備都還停留在較為初級(jí)階段。其線徑檢測(cè)方法主要包括線下檢測(cè)和在線檢測(cè)。線下檢測(cè)，取整匝線圈的端部產(chǎn)品作為樣品，在實(shí)驗(yàn)室用千分尺進(jìn)行測(cè)量，存在選取的樣本不具有代表性的缺點(diǎn)，不能全面真實(shí)地反應(yīng)整條生產(chǎn)線的合格率。在線檢測(cè)，通過質(zhì)檢人員或相關(guān)操作人員持手持機(jī)的方式進(jìn)行人工巡檢，并把檢測(cè)結(jié)果記錄到相關(guān)的檢測(cè)表中，用來評(píng)估整條漆包線生產(chǎn)線的合格率。這種方法會(huì)增加人員成本，并且人工記錄的過程易出現(xiàn)失誤，不利于保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性。如何在保證檢測(cè)精度的前提下進(jìn)行自動(dòng)化的在線檢測(cè)[1]，是現(xiàn)在研究的主要方向之一。與常規(guī)流水線產(chǎn)品不同，漆包線作為一種連續(xù)的、不間斷的產(chǎn)品在流水線上生產(chǎn)，不存在這一個(gè)產(chǎn)品和上一產(chǎn)品的區(qū)別，所以這就要求了漆包線在檢測(cè)其線徑尺寸時(shí)不能全檢，只能采用均勻抽取的方法進(jìn)行尺寸檢測(cè)，即每隔固定的長(zhǎng)度進(jìn)行一次檢測(cè)。

機(jī)器視覺技術(shù)在檢測(cè)產(chǎn)品缺陷[2-3]、尺寸[4-6]、外觀[7]等方面得到了廣泛的應(yīng)用。漆包線生產(chǎn)線是非密閉空間，受到光照、噪聲和人員的影響較大。基于上述的實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于機(jī)器視覺的漆包線線徑在線檢測(cè)系統(tǒng)，其檢測(cè)裝置在不影響漆包線正常生產(chǎn)的前提下，安裝在穩(wěn)定運(yùn)行的漆包線生產(chǎn)設(shè)備上。操作工人只需將漆包線通過手動(dòng)方式放置在檢測(cè)裝置的漆包線定位板上，即可實(shí)時(shí)、在線地檢測(cè)漆包線的線徑。提高了漆包線生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)化程度。

1 檢測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)包括：檢測(cè)裝置模塊、圖像處理模塊、可視化顯示模塊3個(gè)部分。在整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)完成后，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，驗(yàn)證其檢測(cè)精度是否符合企業(yè)要求。

檢測(cè)裝置模塊，由安裝在正穩(wěn)定運(yùn)行的漆包線生產(chǎn)設(shè)備上的檢測(cè)裝置和計(jì)算機(jī)組成，主要包括CCD相機(jī)、LED藍(lán)色背光光源、圖像采集卡、漆包線定位板、移動(dòng)平臺(tái)。在安裝的過程中通過調(diào)節(jié)移動(dòng)平臺(tái)的旋鈕可以調(diào)整相機(jī)的位置。

圖像處理模塊，是視覺檢測(cè)的核心部分之一，通過對(duì)采集到的圖像進(jìn)行特征分析，結(jié)合企業(yè)檢測(cè)的具體要求，采用合適的圖像處理算法得出漆包線線徑尺寸，從而完成整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的功能。

可視化顯示模塊，主要由LabVIEW進(jìn)行編寫[8]，對(duì)采集到的圖像和檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、圖像的顯示和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)，是人機(jī)交互過程的重要組成部分。

系統(tǒng)檢測(cè)分為圖像獲取、圖像處理和結(jié)果輸出3個(gè)過程，其原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)檢測(cè)原理圖

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)在完成以后，在合作的某企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，具體過程如下所示：

1）將在線檢測(cè)裝置安裝在穩(wěn)定運(yùn)行的2號(hào)機(jī)器的1號(hào)工位上；

2）調(diào)整漆包線的位置使其自上而下經(jīng)漆包線定位板通過檢測(cè)裝置；

3）通過移動(dòng)平臺(tái)的調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)整相機(jī)的位置，使CCD相機(jī)能夠得到清晰的漆包線圖像；

4）運(yùn)行檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行工作；

5）從檢測(cè)系統(tǒng)中導(dǎo)出漆包線尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差分析，判斷是否滿足該企業(yè)的精度要求。

2 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)要求

本系統(tǒng)是針對(duì)于合作的企業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)開始之前對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)查分析，得出如下的設(shè)計(jì)要求：

1）可用空間小 現(xiàn)有的漆包線生產(chǎn)設(shè)備并沒有預(yù)留出檢測(cè)裝置的空間；

2）震動(dòng)過大 生產(chǎn)線運(yùn)行過程中震動(dòng)過大，直接將視覺檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)線上，得到的圖像較為模糊，不利于后期圖像處理算法的設(shè)計(jì)；

3）光線不穩(wěn)定 漆包線生產(chǎn)車間為24 h車間，光線條件不夠穩(wěn)定，不利于視覺檢測(cè)系統(tǒng)的直接應(yīng)用；

4）尺寸較小 漆包線的線徑尺寸較小，分辨率要求達(dá)到0.001 mm。

2.2 漆包線震動(dòng)問題分析

如圖2所示，紅色部分為漆包線未加檢測(cè)裝置的生產(chǎn)過程運(yùn)行路線；其中，上下兩個(gè)滑輪之間的跨度約為500 mm，懸空距離較大，并且漆包線是自下而上的傾斜運(yùn)行，由于生產(chǎn)設(shè)備自身震動(dòng)帶來的影響，導(dǎo)致漆包線的震動(dòng)幅度較大，超過其本身的線徑尺寸，不能夠滿足本視覺檢測(cè)設(shè)備正常運(yùn)行的條件需求。

圖2 震動(dòng)問題分析圖

黃色部分為加上漆包線定位板以后的漆包線運(yùn)行路線，由局部放大圖可知，通過大小兩個(gè)滑輪組來對(duì)漆包線進(jìn)行兩次定位，大滑輪組的間距約為100 mm，主要用來引導(dǎo)漆包線通過檢測(cè)裝置，起到導(dǎo)向和輔助固定的作用，小滑輪組的間距約為40 mm，可以起到精確定位的作用。使漆包線在通過CCD相機(jī)視野范圍時(shí)的跨度縮短為40 mm，這樣可以使漆包線震動(dòng)的幅度保持在0.1 mm范圍以內(nèi)，有效降低了震動(dòng)過大對(duì)漆包線原始圖像的采集過程帶來的影響。

2.3 檢測(cè)裝置的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)合作企業(yè)車間的實(shí)際情況，將漆包線檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)長(zhǎng)×寬×高為450 mm×70 mm×90 mm的半封閉式黑盒，能夠滿足車間現(xiàn)場(chǎng)的空間要求。去除一側(cè)擋板后的示意圖如圖3所示，其中相機(jī)固定在一個(gè)50 mm長(zhǎng)的移動(dòng)平臺(tái)上，方便調(diào)焦。并且整個(gè)裝置的半封閉式黑盒設(shè)計(jì)能夠保護(hù)光源相機(jī)等不受外界干擾，從而保證檢測(cè)的精度和提高系統(tǒng)的抗干擾性。

自主設(shè)計(jì)漆包線定位板為L(zhǎng)形，具體如圖4所示，在定位板上有兩個(gè)上下對(duì)稱的滑輪組，用來固定漆包線的位置，解決漆包線在通過檢測(cè)裝置的過程中震動(dòng)過大的問題，同時(shí)在中間位置開一個(gè)邊長(zhǎng)30 mm×10 mm的矩形孔，使光源的光線在經(jīng)過漆包線以后達(dá)到CCD相機(jī)的感光元件，減少其他光線的影響。

圖3 檢測(cè)裝置示意圖

圖4 漆包線定位板

選用LED藍(lán)色背光光源，加入特定的光源能夠解決車間光線不穩(wěn)定的問題，同時(shí)藍(lán)色光波長(zhǎng)較短，適合于精度測(cè)量[9]。

3 漆包線在線檢測(cè)圖像處理算法研究

檢測(cè)系統(tǒng)的圖像處理部分，主要包括對(duì)采集圖像的預(yù)處理，選取ROI范圍和漆包線線徑尺寸的計(jì)算，如圖5所示。

圖5 圖像處理算法流程圖

3.1 圖像的預(yù)處理

漆包線的硬件部分采集到如圖6（a）所示原始圖像，經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)行相關(guān)分析，主要包括中值濾波[2]和二值化。本系統(tǒng)中選取黑白的CCD相機(jī)，采集到的圖像即為灰度圖像。整個(gè)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)成半封閉式的黑盒，由藍(lán)色背光光源作為視覺系統(tǒng)的光源，光照條件好。得到的原始圖像中目標(biāo)物體（漆包線）與背景圖像灰度值差別較大。圖7為原始圖像直方圖，存在明顯的雙峰特征，可直接使用雙峰法確定閾值。故可設(shè)定谷底所對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)T為閾值進(jìn)行分割，灰度值≥T時(shí)為白色，記為背景；灰度值＜T時(shí)為黑色，記為目標(biāo)物體（漆包線）。從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體（漆包線）與背景圖像的分離。圖6（b）為經(jīng)過中值濾波后的圖像，濾波后進(jìn)行二值化處理得到圖6（c）二值化圖像。

圖6 漆包線圖片

圖7 原始圖像直方圖

3.2 選取ROI范圍

采集的原始圖像在顯示到系統(tǒng)界面后通過人工設(shè)定的方式選取ROI范圍，系統(tǒng)內(nèi)部將選取的ROI范圍作用在原始圖像上并作為漆包線線徑尺寸的檢測(cè)區(qū)域，具體如圖8所示。相關(guān)的質(zhì)量或操作人員通過系統(tǒng)的設(shè)置模塊進(jìn)行ROI 的選取，選取的原則如下所示：

圖8 ROI范圍圖

1）完整包含漆包線的上下邊緣，只有同時(shí)包含上下邊緣才能檢測(cè)出漆包線的線徑尺寸；

2）不可以選取圖像邊緣的位置，相機(jī)越靠近圖像邊緣畸變?cè)酱螅x取圖像靠近中間的位置可以減少由于相機(jī)畸變帶來的精度問題；

3）選取的范圍盡可能大，漆包線在生產(chǎn)的過程中可能由于生產(chǎn)設(shè)備的問題產(chǎn)生一定的突刺或凹槽，較大的檢測(cè)范圍可以減少突刺和凹槽對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來的影響。

3.3 漆包線線徑尺寸的計(jì)算

漆包線線徑尺寸檢測(cè)具體方法如圖9所示。

圖9 漆包線線徑尺寸計(jì)算原理圖

在尺寸檢測(cè)的過程，經(jīng)過預(yù)處理的圖片，以從上往下逐行掃描的方式，得到漆包線的兩組邊緣點(diǎn)，分別記為

上邊緣點(diǎn)：

下邊緣點(diǎn)：

然后通過最小二乘法擬合[10-11]得上邊緣直線，具體過程如下：

設(shè)直線的方程為

其中ei為邊緣點(diǎn)的誤差。

平均損失函數(shù)：

通過Q最小即可求得這條直線的解析式，確定β0和β1的值。把它們看成是Q的函數(shù)，就變成一個(gè)求極值的問題，可以通過求導(dǎo)得到。

求Q對(duì)兩個(gè)帶參估計(jì)的偏導(dǎo)數(shù)：

解得:

上下兩組邊緣點(diǎn)帶入得：

記為直線：

通過點(diǎn)到直線的距離公式求出每個(gè)上邊緣點(diǎn)到下邊緣直線的距離，記為

再去除兩個(gè)極值點(diǎn)后重新排序得到n-2個(gè)上邊緣點(diǎn)到下邊緣直線的距離：

同理求距離、去極值可得n-2個(gè)下邊緣點(diǎn)到上邊緣直線的距離：

再通過以下公式可得出漆包線尺寸的最小值、最大值、平均值：

L上1,L上2,···,L上n-2,L下1,L下2,···,L下n-2從小到大排序以后記為：L1,L2,L3,···,L2×(n-2)，則中位值為

4 檢測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互頁(yè)面的設(shè)計(jì)

漆包線在線檢測(cè)系統(tǒng)用LabVIEW8.5和SQL server2000進(jìn)行開發(fā)，其中在線檢測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互頁(yè)面，能夠?qū)崟r(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果和方便系統(tǒng)操作人員進(jìn)行相關(guān)設(shè)置[12]。程序開始運(yùn)行后的整體頁(yè)面如圖10所示。

圖10 檢測(cè)系統(tǒng)整體頁(yè)面圖

整體頁(yè)面包括圖像顯示區(qū)域、參數(shù)設(shè)置區(qū)域、數(shù)據(jù)顯示區(qū)域和異常顯示區(qū)域4部分。幫助生產(chǎn)、質(zhì)量人員或其他相關(guān)工作人員更加直觀地觀察漆包線的圖像和線徑尺寸的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4.1 圖像顯示區(qū)域

圖像顯示區(qū)域分為左右兩部分，如圖10所示。左側(cè)圖片是相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝的原始圖像，右側(cè)圖片是設(shè)定ROI范圍后的圖像。

4.2 參數(shù)設(shè)置區(qū)域

參數(shù)設(shè)置區(qū)域主要是對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行具體操作的區(qū)域，主要包括：1）項(xiàng)目設(shè)置；2）寬度設(shè)置，主要是進(jìn)行矩形的ROI范圍、標(biāo)準(zhǔn)像素和標(biāo)準(zhǔn)尺寸的設(shè)置；3）用戶管理，主要是在企業(yè)使用的過程中，所注冊(cè)過的用戶名和密碼的管理和查看；4）查詢，是對(duì)于在數(shù)據(jù)顯示區(qū)域的記錄進(jìn)行查詢、輸出到本地的操作；5）其他3個(gè)分別是運(yùn)行、停止和退出按鈕，用來對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)行進(jìn)行控制；6）檢測(cè)數(shù)量和檢測(cè)速度的實(shí)時(shí)顯示。

4.3 數(shù)據(jù)顯示區(qū)域

數(shù)據(jù)顯示區(qū)域顯示檢測(cè)結(jié)果（最大值、最小值、中位值、平均值）和產(chǎn)品ID，并且可以通過參數(shù)設(shè)置區(qū)域的查詢功能進(jìn)行所有數(shù)據(jù)的查詢和導(dǎo)出為excel數(shù)據(jù)類型到本地。

4.4 異常顯示區(qū)域

本區(qū)域主要功能是當(dāng)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行時(shí)顯示錯(cuò)誤列表，與漆包線線徑檢測(cè)本身功能無關(guān)。

5 檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定與測(cè)試

一般用于尺寸測(cè)量的視覺檢測(cè)系統(tǒng)在經(jīng)算法處理后得到的結(jié)果并不是檢測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際尺寸，通常需要標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行標(biāo)定，通過標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的實(shí)際尺寸，本系統(tǒng)采用了基于激光檢測(cè)儀的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定的方法。

5.1 系統(tǒng)標(biāo)定

測(cè)量過程的結(jié)果是以像素為單位的，要想得到實(shí)際的尺寸必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定[13]。本系統(tǒng)在標(biāo)定的過程中設(shè)定兩個(gè)標(biāo)定系數(shù)，像素?cái)?shù)k和標(biāo)準(zhǔn)尺寸p。標(biāo)定公式如下所示：

由于漆包線生產(chǎn)過程的特殊性，如果用標(biāo)準(zhǔn)漆包線進(jìn)行標(biāo)定只能標(biāo)定靜態(tài)檢測(cè)的過程，不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的標(biāo)定，所以本系統(tǒng)利用激光檢測(cè)儀的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

1）把檢測(cè)精度為0.000 1 mm的激光檢測(cè)儀與本文中開發(fā)的視覺在線檢測(cè)設(shè)備安裝在同一條漆包線生產(chǎn)線上，前后相差600 mm，同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)；

2）視覺在線檢測(cè)系統(tǒng)的像素?cái)?shù)和標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)置為1，此時(shí)測(cè)量值L為像素級(jí)別的尺寸；

3）視覺檢測(cè)系統(tǒng)的像素?cái)?shù)設(shè)置為L(zhǎng)的值，將標(biāo)準(zhǔn)尺寸設(shè)置為生產(chǎn)中的漆包線的標(biāo)準(zhǔn)尺寸；

4）此時(shí)視覺檢測(cè)系統(tǒng)的L測(cè)量值即為漆包線的實(shí)際尺寸。

5.2 系統(tǒng)測(cè)試

5.2.1 在線能力測(cè)試

將本文中所設(shè)計(jì)的漆包線在線檢測(cè)裝置投入企業(yè)使用，檢測(cè)運(yùn)行情況，具體如下：安裝在2號(hào)機(jī)器1號(hào)工位，漆包線線徑要求(0.162±0.001) mm，漆包線運(yùn)行速度1 m/s，本次在線測(cè)試時(shí)間3 min，檢測(cè)漆包線長(zhǎng)度為180 m。

整個(gè)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列圖如圖11所示，圖中虛線部分為上下公差線。整個(gè)數(shù)據(jù)隨著時(shí)間變化無周期性規(guī)律，無上升或下降的趨勢(shì)，呈現(xiàn)一種隨機(jī)狀態(tài)，顯示過程處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，滿足在線檢測(cè)的要求。

5.2.2 重復(fù)性測(cè)試

重復(fù)性測(cè)試的環(huán)境與5.2.1中的在線能力測(cè)試的環(huán)境完全相同，共進(jìn)行9次測(cè)試，每次測(cè)試時(shí)間20 s，檢測(cè)漆包線長(zhǎng)度為20 m。以每次測(cè)量的平均值作為本次測(cè)量的結(jié)果，由于漆包線產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中是連續(xù)運(yùn)行的，對(duì)于某個(gè)位置的線徑尺寸只能夠檢測(cè)一次，且企業(yè)中對(duì)于漆包線線徑尺寸關(guān)注的是一定長(zhǎng)度漆包線的線徑尺寸，故對(duì)具體一個(gè)位置的線徑尺寸討論沒有意義，應(yīng)以多個(gè)連續(xù)的測(cè)量點(diǎn)作為一個(gè)整體，這樣能夠代表某段長(zhǎng)度漆包線線徑的尺寸。實(shí)驗(yàn)中以連續(xù)測(cè)量的759個(gè)位置為一組，以759個(gè)測(cè)量值的平均值作為一次測(cè)量的結(jié)果。整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖11 測(cè)量值時(shí)間序列圖

表1 漆包線線徑的測(cè)量結(jié)果

由于漆包線在線檢測(cè)的特殊性，無法對(duì)其進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，所以對(duì)同一批漆包線產(chǎn)品，連續(xù)進(jìn)行了9次測(cè)試，其檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)置、測(cè)試環(huán)境相同，近似認(rèn)為是重復(fù)測(cè)量。每次測(cè)試得到759個(gè)測(cè)量值，以759個(gè)測(cè)量值的平均值作為本次測(cè)試的結(jié)果。由表1數(shù)據(jù)可得：

絕對(duì)誤差＜0.001 mm，滿足企業(yè)的漆包線線徑檢測(cè)要求。

5.3 誤差分析

圖像在進(jìn)行二值化的過程中，采用不同的閾值可能會(huì)得到不同的上下邊緣點(diǎn)，進(jìn)而影響漆包線的線徑尺寸；漆包線在經(jīng)漆包線定位板通過檢測(cè)裝置的過程中，產(chǎn)生的微小震動(dòng)會(huì)使相機(jī)采集到的漆包線圖像邊緣產(chǎn)生一定的模糊；漆包線生產(chǎn)中的上一個(gè)工藝為噴漆工藝，可能會(huì)使漆膜不均勻產(chǎn)生一定的偏移，造成漆包線偏心，可能使本系統(tǒng)對(duì)漆包線產(chǎn)品線徑尺寸的合格判定出現(xiàn)偏差。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺的漆包線線徑在線檢測(cè)系統(tǒng)，用于在線漆包線線徑的檢測(cè)。針對(duì)于漆包線生產(chǎn)過程中震動(dòng)幅度過大的問題，通過使用自主設(shè)計(jì)的漆包線定位板來改變漆包線的運(yùn)行線路，減少震動(dòng)的幅度，實(shí)現(xiàn)漆包線原始圖像的采集。設(shè)計(jì)了基于最小二乘擬合直線的方法完成對(duì)漆包線線徑尺寸的測(cè)量過程，并完成硬件系統(tǒng)的搭建和軟件部分的開發(fā)。最后通過企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明了漆包線線徑在線檢測(cè)系統(tǒng)的相對(duì)誤差為-0.056%，滿足其檢測(cè)要求。本系統(tǒng)可以提高企業(yè)的自動(dòng)化水平，具有一定的推廣價(jià)值，為了進(jìn)一步提高檢測(cè)系統(tǒng)的精度，需要對(duì)動(dòng)態(tài)標(biāo)定方面進(jìn)行研究。