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薄片零件尺寸机器视觉检测系统研究

发布日期:2016/5/13 11:56:59

硬盘是计算机系统中最重要的部件之一,是计算机用户存储数据的主要场所。随着科学技术的进步、先进制造技术的发展和生产生活的需要,硬盘的容量越来越大、体积越来越小,这就要求硬盘零件的尺寸趋于微细化、薄片化。弹性臂(或称磁头悬架组件,Head Gimbal Assembly,HGA)是硬盘中的一个关键部件,它一端联接着读写磁头,另一端固定在磁头臂组件(Head StackAssembly,HSA)上。弹性臂的零件均为薄片零件,其中零件厚度最厚的才 0.14mm,最薄的仅 0.06mm。在薄片零件的大批量生产过程中,为了保证薄片零件的尺寸质量、提高薄片零件的生产效率,必须对薄片零件的几何尺寸进行 100%的在线检测。薄片零件的形状很不规则且在其中分布着一些定位孔。由于薄片零件很薄,在接触力的作用下易变形而产生很大的测量误差,所以只能用非接触方法进行检测。在薄片零件大批量生产中,检测系统必须具有实时性,检测速度快。传统的检测技术和设备难以在精度、效率及自动化程度等方面完全满足要求,甚至无法实现。机器视觉检测技术具有非接触、柔性好、精度高、速度快、自动化和智能化水平高等优点,可以很好地满足薄片零件的检测要求。

2 检测系统构成
2.1 检测系统的功能要求
    构建实际的机器视觉尺寸检测系统需要在检测精度、检测速度、成本和实用性之间寻求一个最优组合。要从硬件和软件两个方面优化系统,以达到要求的检测精度和检测速度。本薄片零件尺寸机器视觉检测系统要求能达到微米级尺寸检测精度、能够实现自动检测、能够实现在线实时检测、能满足生产现场的生产节拍要求。检测系统的检测对象为弹性臂薄片零件。检测内容视零件的设计要求而定,本系统可以读取零件的设计图,从设计图中分析需要检测的尺寸及其公差。
2.2 检测系统的硬件
    广州汇道电气机械有限公司研制的视觉检测系统由检测仪器本体和计算机两部分组成,包括相机运动控制系统,图像采集系统,照明系统,检测工作台和支架。相机运动控制系统包括运动控制卡,电机驱动器,伺服电机,运动滑块,导轨和限位开关。图像采集系统包括图像采集卡,线阵CCD 相机,镜头,光栅尺,分频器。照明系统包括 LED 背光源和光源控制器。检测仪器的实物照片如下图所示。采用深圳固高的 GT-400-SP-PCI 型运动控制卡,有编码器读数功能,PCI 接口。采用日本松下的 MSMA5AZA1C 型交流伺服电机,转速为3000r/min,带有增量编码器 2500P/r,采用松下的与电机相配套的电机驱动器。采用霍尔接近开关作为限位开关。采用加拿大 CORECO 公司的 PC-DIG 型图像采集卡,设置为软触发采集数据模式。采用加拿大 DALSA 公司的 SP-14-02K30 型线阵 CCD 相机,CCD 感光元件呈线形布置,共有 2048 个感光元件,每个感光元件的大小是 14µm×14µm,感光元件之间无间隙。采用尼康的镜头。采用奥地利 RSF Elektronik 公司的 MS 6x.x5 GA型光栅尺,分辨率为 1µm。



2.3 检测系统的软件
    在系统硬件配置确定的情况下,算法的优化和程序的开发设计显得尤为重要,这样才能满足薄片零件尺寸机器视觉检测系统实时采集、实时处理、实时检测的要求。检测系统的软件是基于加拿大 CORECO 公司的 PC-DIG 型图像采集卡的 API 函数库,深圳固高的 GT-400-SP-PCI 型运动控制卡的 API 函数库和 Visual C++ 6.0 开发的。检测系统的软件功能模块主要包括参数设置、图像采集、图像预处理、图像边缘检测,平面轮廓图元识别与尺寸计算、图元尺寸对比检测和结果显示与保存七部分。在参数设置环节主要对图像采集参数和相机运动参数进行设置。图像采集参数设置包括图像采集卡和相机工作模式的设置,触发设置,曝光时间设置等。相机运动参数设置包括运动速度和运动加速度的设置。图像采集环节包括线扫描步长的自适应优化和变步长线扫描获得被检测零件的图像。在图像预处理环节,主要包括对线扫描图像进行标定,图像二值化和图像去噪声。图像边缘检测环节实现像素级和亚像素级的边缘检测。平面轮廓图元识别与尺寸计算环节根据亚像素边缘检测后得到的平面轮廓进行图元识别,并计算各图元的尺寸数据。图元尺寸对比检测环节将计算得到的尺寸值与设计的理想尺寸值进行比较得到差值,并将该差值与公差值进行比较,进而确定尺寸是否合格。结果显示与保存环节将检测的结果显示,并保存为 TXT 文件,便于察看和后续进行 SPC(Statistical Process Control,SPC)分析,以对制造工艺进行改进或对工艺参数进行调整从而选择最优参数进行生产。

3 系统实现

3.1 相机运动控制
    由于线阵 CCD 相机一次曝光成像只能获得图像一条线的数据,要想获得完整的整幅图像的数据,被拍摄的物体必须以直线形式从相机前移过,即两者之间要有相对运动。相机运动控制就是实现相机与被拍摄物体之间的相对运动,同时为图像采集卡提供运动位置反馈信号,供图像采集卡作为采集图像数据的触发信号。相机安装在滑块上,通过运动控制卡驱动步进电机旋转带动同步带运动,使得固定在同步带上的滑块在导轨上做直线运动,从而实现线阵 CCD 相机的直线运动。规定左边的限位开关为运动的起点,右边的限位开关为运动的终点。运动控制的程序是基于“固高”运动控制卡的 API 函数来实现的。

3.2 图像采集卡设置
    图像采集卡主要用来控制线阵 CCD 相机成像并采集线阵 CCD 相机的图像数据。线阵 CCD 相机与图像采集卡的关键信号线的连接,对于同一信号,在线阵 CCD 相机中的命名和在图像采集卡中的命名有些是一样的,有些是不一样的。对于线阵 CCD 相机,输入信号有 EXSYNC(External Synchronization,EXSYNC)、PRIN(Programmable Integration,PRIN),输出信号有 DATA、LVAL(Line Valid,LVAL)。EXSYNC 信号主要用于控制线阵 CCD 相机的线读取速率(Line Readout Rate),同时和 PRIN 信号一起来控制线阵 CCD 相机的曝光时间。PRIN信号主要用于和 EXSYNC 一起来控制线阵 CCD 相机的曝光时间。DATA 是图像数据信号。LVAL 主要用来控制线阵 CCD 相机图像数据的有效性。线阵 CCD 相机曝光时间的设置是线阵 CCD 相机成像的关键,也是图像采集卡设置的难点。通过反复实验,总结出了在外部触发进行数据采集的情况下,与线阵 CCD 相机曝光时间有关的控制信号之间的关系,其过程为:○A . 外部触发产生了一个触发信号脉冲。○B . 图像采集卡对触发信号进行反应,开启一个曝光计数器,输入到线阵 CCD 相机的 PRIN 中,线阵 CCD 相机开始曝光。○C . 在曝光时间末,图像采集卡发送 EXSYNC 脉冲,结束曝光,并启动图像数据读取。○D . 线阵 CCD 相机输出 LVAL 信号,表示图像数据有效,可以读取数据。同时,PRIN 转为低电平,等待下一个触发脉冲的到来。图像采集卡需要设置的参数有很多,主要是设置信号的极性,信号起作用的位置,信号的周期等,在此不一一赘述。图像采集卡的参数设置是通过 CORECO 公司的图像采集卡参数设置软件 Camera Configurator 来完成的。将图像采集卡的各个参数设置好后,设置软件 Camera Configurator 将所有参数及其设置值保存为一个 TXT 文件。在编写图像采集的程序时,通过读取此 TXT 配置文件来进行图像采集卡的参数设置。

3.3 图像处理与识别

3.4 图元尺寸对比检测
    在基于 CAD 信息对线扫描步长进行自适应优化时,已经获取了零件 CAD 设计图中各图元的尺寸及其公差。几何尺寸及几何尺寸公差、形状公差是图元的属性,保存在图元的数据中,位置及位置公差是两个图元间的属性,保存在构建的 CPosition_Dim_Toler类的对象中,然后再将 CPosition_Dim_Toler 类的对象的指针保存到 CPtrArray 类的对象m_ReadEntities_Position_Dim_Toler_PtrArray 中。对图像的平面轮廓进行图元识别和尺寸计算后,识别图元的保存格式与从 DXF 文件中读取的图元的保存格式是一致的,识别图元在其保存格式中的序号与其对应的读取图元在其保存格式中的序号是相同的。为了易于区别,从 DXF 文件中读取后得到的图元简称为读取图元,经平面轮廓图元识别后得到的图元简称为识别图元。几何尺寸的对比检测:读取图元的数据中包含有该图元的几何尺寸及几何尺寸公差,找到与其对应的识别图元,通过比较识别图元的几何尺寸与读取图元的几何尺寸得到识别图元的几何尺寸误差,将识别图元的几何尺寸误差与读取图元的几何尺寸公差进行比较,进而判断识别图元的几何尺寸是否合格。将读取图元的几何尺寸与几何尺寸公差,比较后得到的几何尺寸误差,几何尺寸是否合格的数据信息均保存到识别图元的数据中。位置的对比检测:位置及位置公差,有位置关系的两读取图元的类的对象的指针已保存在 CPosition_Dim_Toler 类的对象中,通过这两个读取图元的类的对象的指针找到与其相应的两个识别图元,计算这两个识别图元的位置,通过比较识别图元的位置与读取图元的位置得到识别图元的位置误差,将识别图元的位置误差与读取图元的位置公差进行比较,进而判断两识别图元的位置是否合格。将识别图元的位置与比较后得到的位置误差,位置是否合格的数据信息均保存到相应的 CPosition_Dim_Toler 类的对象的数据中。形状的对比检测:读取图元的数据中包含有该图元的形状公差,找到与其对应的识别图元,直接计算识别图元的形状误差,将识别图元的形状误差与读取图元的形状公差进行比较,进而判断识别图元的形状是否合格。将读取图元的形状公差,识别图元的形状误差,形状是否合格的数据信息均保存到识别图元的数据中。

3.5 结果显示与保存
    识别图元的数据中保存了几何尺寸的设计值(即读取图元的尺寸),几何尺寸的实际值(即经过图元识别与尺寸计算后得到的尺寸),几何尺寸公差值,几何尺寸误差值,几何尺寸是否合格,形状公差值,形状误差值,形状是否合格的信息。CPosition_Dim_Toler 类的对象中保存了两图元的类的对象的指针(根据图元的类的对象的指针可得到该图元在保存格式中的序号),两图元的位置的设计值,位置的实际值,位置公差值,位置误差值,位置是否合格的信息。将所有这些数据信息按照拟定格式写入到文件中,再保存为 TXT 格式的文件,便于查看及后续的 SPC 分析,通过 SPC 分析可以很快发现薄片零件尺寸的变化趋势,通过及时调整工艺,预防不合格产品的出现。对于尺寸不合格的图元,在软件窗口中用红色表示该图元的所有的轮廓点。图元数据信息保存的格式如下:

1) 直线图元
保存图元时图元在轮廓的序号,保存图元时图元的序号,图元类型,直线图元长度设计值,直线图元长度实际值,直线图元长度公差值,直线图元长度误差值,长度是否合格(合格用 1 表示,不合格用 0 表示,下同),直线图元直线度公差值,直线图元直线度误差值,直线图元直线度是否合格

2) 圆弧图元
保存图元时图元所在轮廓的序号,保存图元时图元的序号,图元类型,圆弧图元的半径设计值,圆弧图元半径实际值,圆弧图元半径公差值,圆弧图元半径误差值,圆弧图元半径是否合格,圆弧起点角度设计值,圆弧起点角度实际值,圆弧起点角度误差值,圆弧终点角度设计值,圆弧终点角度实际值,圆弧终点角度误差值,圆弧图元圆度公差值,圆弧图元圆度误差值,圆弧图元圆度是否合格3 圆图元保存图元时图元所在轮廓的序号,保存图元时图元的序号,图元类型,圆图元的直径设计值,圆图元直径实际值,圆图元直径公差值,圆图元直径误差值,圆图元直径是否合格,圆图元圆度公差值,圆图元圆度误差值,圆图元圆度是否合格

3) 图元间位置
第 1 个图元所在轮廓的序号,第 1 个图元在所在轮廓中的序号,第 1 个图元的类型,第 2 个图元所在轮廓的序号,第 2 个图元在所在轮廓中的序号,第 2 个图元的类型,位置设计值,位置实际值,位置公差值,位置误差值,位置是否合格为了简单起见,上述保存格式中的图元类型,不用字母表示,而是用数字表示,1表示直线图元,2 表示圆弧图元,3 表示圆图元。

5 总结 
    广州汇道电气公司研发的视觉检测系统对弹性臂薄片零件和精密标准件的尺寸进行了检测,对检测系统的检测时间进行了分析,选取薄片零件的典型尺寸和精密标准件的直径尺寸的检测结果对检测系统的检测精度进行了分析。现实运行结果表明,薄片零件尺寸机器视觉检测系统的检测精度能达到微米级,检测时间能满足在线实时检测的需要。









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