视觉传感器在榴弹弹体图形识别检测系统上的应用
2008-05-19
作者：台达集团
一：概述
1.榴弹弹体直径做为其很重要的技术指标，早期检测依赖人工或者机械检测，效率低，并且容易出错，不利于大批量、高速度、高可靠性的现代化生产；
2.随着图像识别的理论技术和应用可靠性以及检测精度的大幅提高，此一现代化的图像检测和识别技术大量应用到军工和民用产品的生产领域，以崭新的检测方法实现以前无法达到的复杂的检测目的；
3.美国邦纳工程国际有限公司（Banner Engineering）长期专业致力于高端光电检测和视觉检测技术研发和制造，是此行业的全球领跑者，此次应用邦纳的130万像素的视觉检测系统用于检测榴弹弹体直径，是美国邦纳的专业视觉系统" title="视觉系统">视觉系统工程师经过长期丰富的经验积累和周密理论计算，并根据项目的具体特征而设计的解决方案，我们有充分的理论和大量的实际应用实践数据依据来证明方案的可行性；
4.邦纳视觉系统内置多种检测工具，以强大的软件功能以简单的打包组态的开发形式由专用开发软件设置并经下载到视觉控制器，即可完成所有的预设检测任务；和目前的一些视觉系统不一样的是邦纳视觉系统无须软件底层复杂的二次开发工作，因此开发快速，软件和硬件可靠性极高；
二：榴弹弹体检测内容
1.设定以下约束检测条件：
l 检测对象是榴弹外观：
1，弹带部直径：合格品上下限：31mm-31.13mm。检测精度：正负0.015mm
2，定心部直径：合格品上下限：29.8mm-29.9 mm。检测精度：正负0.015mm
l 检测条件：
对象物状态：静止 或 运动
检测背景： 背光源
系统检测现场有防爆要求
2. 检测结果：
当检测系统得到的检测数据，未达到给定合格品上下限或者精度要求，系统将由程序开发者定义一个显式的输出状态（比如输出继电器吸合）供其它系统或执行机构调用；
系统的检测条件和检测过程可允许改变和实时监控。
三：系统总体解决方案：
1．根据对本次检测约束条件的理解，为了取得良好的检测效果，我们决定采用130万像素的高精度视觉产品并配合高稳定度平行背光源来完成检测任务。
2．将相机垂直安装在检测面的上方，背光源垂直于检测面下方，并使相机、被测物的检测面、光源保持在同一轴面，这样就可以利用直径检测工具精确的测量出弹带部和定心部的直径，并且可以配合防暴盒和防暴电缆可以达到防暴的环境要求
3．实现防爆环境说明：
现场检测环境要求视觉系统必须具有防爆功能，我们决定采用加装防爆盒和防爆电缆的方式来满足防爆环境的需要。
3.1 传感器" title="视觉传感器">视觉传感器的防爆处理过程
在视觉传感器外边加一个密封防爆箱，防爆箱有一面选用同光率良好的防爆玻璃并使其与视觉传感器的镜头一面紧贴，这样既可以保证现场环境的防爆要求有可以确保视觉系统的拍照精度。
3.2 视觉传感器通信和供电电缆的防爆处理过程
由于通信和供电电缆和视觉传感器互相连接，并且没有防爆等级，故要用专用的具有防爆等级的电缆代替，我们可以将原有的电缆放在视觉传感器防爆盒内，然后用等芯的防爆电缆作转接处理，并将防爆电缆引出防爆盒的部分用防爆密闭接头作密封处理
3.3 光源的防爆处理
在光源外边加一个密封防爆箱，防爆箱有一面选用同光率良好的防爆玻璃并使其与光源发光一面紧贴，这样既可以保证现场环境的防爆要求有可以确保光源光线的强度。
3.4光源供电电缆的防爆处理过程
将原有的电缆放在光源防爆盒内，然后用等芯的防爆电缆作转接处理，并将防爆电缆引出防爆盒的部分用防爆密闭接头作密封处理
4． 安装位置及检测说明（图一）
（图一）
4.1 P4 1.3 50mm镜头 13mm增倍镜 50x50背光源
4.2 背光源由高亮度LED组成，构成面发光元件，LED上有半透明材料，形成稳定的平行光源供视觉系统采用；
4.3 调整发光面，使得被测面出现清晰可见的边沿，以得到高精度的检测结果；
4.4 调整镀膜的高精度的光学变焦镜头来获取最大" title="最大">最大视野，保证130万像素的最大利用率；
选用背光源说明：
1、背光源是由密排的高亮LED组成，模拟面发光的效果，在密排LED灯上面半透明的塑料遮盖，让光线充满在背光光源壳体里面，形成稳定的光学环境。同时通过特制半透明的塑料片将多余的光线过滤发出类似平行光的光线。这种光学环境特别适合在物体的形状和尺寸的检测。
2、在测量尺寸的时候，我们把发光面收窄，让发光面稍大于被测物体，使得被测物体的侧面（如果被测物体表面非常光亮）不反光。这样，我们的被测物体的边缘将呈现出黑白分明的图像出来，达到精密测量的结果。
加装玻璃对于检测结果影响说明：
加装玻璃后不会对于检测的实际结果有什么影响。因为玻璃的通光率比较好，但是要注意以下方面：
A、我们要选用通光率较好的玻璃，这样保证有足够的照明强度。
B、要选用平整的玻璃，这样可以避免视像的变形。
5. 传感器结构特点：我们选用体积较小的一体式视觉传感器（镜头＋摄像头＋视觉处理器＋控制器），可以保证传输数据不 受到外接EMI干扰,具有良好的EMC特性；
结构尺寸（图2）
5. 光源结构图
四：检测方案详细描述：
1. 榴弹弹体检测过程描述：
由于要对弹体的弹带部和定心部两个部分一周直径进行检测，并且弹体的定心部的尺寸比较长，所以要通过水平转动和上下移动视觉传感器来实现检测过程。
a、在视觉传感器和光源之间作联动处理，来保证上下移位时视觉传感器的拍照水准一致性；
b、当弹体到达检测工位时，机械部分给传感器一个触发拍照信号，检测弹带部和定心部部分尺寸。然后水平转动弹体检测其他角度的直径，在每一次转动角度到位后，机械的转动装置发出一个触发信号给视觉传感器触发拍照（具体弹体的转动次数由客户的检测要求决定）。
C、上下移动弹体到余下的检测部分，并在移动到位后机械部分给传感器一个触发拍照信号来检测余下定心部尺寸的直径。然后水平转动弹体检测其他角度的直径，在每一次转动角度到位后，机械的转动装置发出一个触发信号给视觉传感器触发拍照（具体弹体的转动次数由客户的检测要求决定）。
1.1单次视觉系统检测过程描述：
1.1.1 由机械上安装的一个检测到位装置，触发视觉系统拍照；
1.1.2 视觉系统按照预先的设置，将标准图形和此次拍照得到的图形作对比，系统自动调整和平移坐标，调整到正确的检测位置得到图形检测标准位置；
1.1.3 按照预先的设置计算需要检测的目标数据；
1.1.4 将结果输出：开关量或者RS232接口数据或者是TCP/IP接口数据；
1.1.5 下次检测
整个检测周期不超过200毫秒
2. 视觉系统软件设置和调整过程
2.1 拍照后，调整曝光的参数，最终获得对比度最佳的图片
步骤1 拍照，得到高精度图形
2.2 设置定位工具，以得到测试基准数据
步骤2:设置定位工具
2.3 选用边沿工具，得到准确的榴弹检测位置的坐标
步骤3:设置边沿工具
2.4：选定测量工具" title="测量工具">测量工具：按照2.3设置的边沿得到被测直径
步骤4:设置测量工具
由于要测量两段直径所以选用2个测量工具
2.5 选定测试工具：根据测量工具的测试结果的数据，按照给定测量条件设定判断条件，以输出正确的测量结果到给定输出接口；
步骤5:设定测试工具1 (位置1判定)
2.6 启动视觉系统自动运行
步骤7:通过监视器观测到的运行状态；
步骤8:通过计算机专用软件监测所有实时运行数据；
此时的实际运行结果为：定心部：1037.7像素 弹带部：1082.3像素
步骤9:运行时间，得到准确的检测时间周期，以满足快速检测的要求；
步骤10:调整旋转偏移角度，以弥补机械定位引发的角度误差，实现自动精确检测
五：结论和检测精度说明：
此次检测采用130万像素的视觉产品，其分辨率为1280X1024；
当横向视野范围为35mm时 其物力稳定的检测精度：35mm/1280x1000=27.34375mm/像素，由于本视觉系统具有亚像素算法，最高4倍的采样速率" title="采样速率">采样速率,可以将物理精度提高4倍，所以实际稳定检测精度为：8微米/像素；
精度符合对方优于正负15微米检测精度要求；
实际检测周期最大200毫秒，符合优于10秒的检测时间要求；
这个图片是一张标准的黑白对比图例，我们在两种灰度的界面上，运用边缘定位工具可以轻易的观测由暗到亮的灰度变化。在这个检测中边缘变化点的坐标为（492，565），此时的采样速率为1。
被放大的图像，我们可以观测到每一个像素点的灰度变化。
采用4倍采样速率时，此检测的边缘定位坐标为（491.5，564）
通过选择不同的采样速率，可以提高检测精度。我们产品最高可以分辨出1/4个像素的精度。
如需要本方案的更进一步的技术细节，请联系：028-85291366-801 海科公司技术部