一、 設計要求

1.檢測對象

手機用灰黑色不透明薄膜，幅寬不大于1000mm，厚度范圍為0.2～0.5mm，每張待檢薄膜厚度一致, 生產(chǎn)線速度不大于25米/分鐘。如下圖所示：

運動速度：25米/分鐘≤1m

圖1 檢測對象示意圖

2.檢測要求

a) 檢測幅面：1000 mm。

b) 檢測速度：25米/分鐘，即417mm/秒。

c) 檢測能力：直徑≥0.1mm的孔洞。

d) 在系統(tǒng)檢測能力范圍內，發(fā)現(xiàn)孔洞時，能在孔洞位置用快干墨噴上標記，且可在收卷處的軸側做出標記。

二、 設計方案和可行性分析

本系統(tǒng)采用機器視覺技術對薄膜質量進行檢測，機器視覺檢測系統(tǒng)一般由以下幾個部分組成：照明單元、相機單元、圖像采集單元、圖像處理單元、計算機、顯示單元、執(zhí)行單元和報警單元，如下圖所示。要保證系統(tǒng)最終的檢測能力，成像系統(tǒng)的設計很關鍵，下面針對各環(huán)節(jié)進行設計和設備選型。

圖2  機器視覺系統(tǒng)結構框圖

1.光源照明

在缺陷檢測中，常用兩種照明方式：一是反射式，二是透射式，如下面兩圖所示。

盡管兩種方法均可以將孔洞成像，但是對孔洞的成像效果有較大差異，好的成像系統(tǒng)要求特征鮮明，對比度高。在孔洞很小時，反射式所成圖像中的孔洞與薄膜灰度會比較接近，不易發(fā)現(xiàn)。由于檢測對象為灰黑色不透明塑料膜，在透射照明方式下薄膜沒有光線照射，成像灰度很低；只有在孔洞處光線能透射過來照射在CCD靶面上，成像灰度很亮，與薄膜圖像灰度差異顯著，非常利于檢測，如下圖所示。因此，建議選用透射的照明方式。

圖4  透射圖像示例

在透射成像式，要考慮到光衍射現(xiàn)象的影響。衍射一般發(fā)生在光源波長和孔洞直徑相當?shù)那闆r，可見光的波長范圍為380～780nm，遠遠小于孔洞直徑，只要不采用激光光源，衍射現(xiàn)象不會很嚴重。即使有輕微的衍射現(xiàn)象，會導致孔洞圖像比實際孔洞略大，反而利于孔洞檢測。在定位孔洞位置時，由于衍射現(xiàn)象是均勻發(fā)生在孔洞輪廓上的，不會影響孔洞的定位。

另外，要采用密光設計，使用箱體將成像光路包裹起來，以減少周圍其他光源的影響。箱體內增加消光齒、發(fā)黑、光欄等措施，進一步減小光路入口處的雜光。

2.光源

光源是系統(tǒng)設計的關鍵，是系統(tǒng)的參考信號，目標信號將調制在參考信號上。對光源的要求是穩(wěn)定、均勻、抗干擾能力強，且半衰期長。透射和反射光源均要保證成像區(qū)域照明均勻，照度適當，而且光源長度要求能夠覆蓋全視場。綜合這些要求來考慮，光源只能選用線狀光源。由于采用透射的照明方式，對光源的光譜范圍無特殊要求，只要在可見光譜段就可以。

考慮到檢測區(qū)域較寬，為1000mm，有兩種光源可以選擇，一是高頻線狀日光光源，二是LED光源。

高頻線狀日光光源壽命在一年左右，亮度高，光場分布均勻，價格較低。需要配用高頻電子鎮(zhèn)流器。主要參數(shù)見下表：

表1  高頻線狀光

源參數(shù)名稱	參數(shù)
光譜范圍	450-700 nm
壽命	≥2000小時
長度	1000mm
數(shù)量	1根

LED光源壽命很長，光強很穩(wěn)定，可以以頻率很高的脈沖信號頻閃，但是價格比較貴。主要參數(shù)有：

表2  LED光源參數(shù)

名稱	參數(shù)
型號
均勻性	10%
穩(wěn)定性	1%
光譜范圍	450-700nm
功率	6.6W/12V
壽命	≥10000小時
外形尺寸	1000mm
數(shù)量	1個

 

兩者綜合考慮，在成像方面均能夠保證質量，價格和壽命是需要衡量的因素。如果對系統(tǒng)成本控制要求高，建議選用高頻線狀日光光源；如果對成本要求不高，

而對設備維護和保養(yǎng)要求高，則建議選用LED光源。

3. 檢測幅寬

檢測對象的有效寬度為1000mm，考慮到薄膜在運動過程中可能出現(xiàn)的小范圍擺動和偏離，因此不能只按照有效寬度設計，而要考慮幅面余量。以兩邊各10mm作為設計偏離余量，檢測寬度定為1020mm。

4. 象元分辨力

設計要求中對孔洞的幾何檢測能力要求為0.1mm，按照幾何分辨力為象元分辨力的1.6～2.5倍關系換算，象元分辨力需要0.063～0.04mm?？紤]到透射成像時孔洞與薄膜的對比度差異很大，根據(jù)創(chuàng)視新科技的成熟項目經(jīng)驗，選擇0.063mm的像元分辨率能夠滿足檢測要求。

    由于系統(tǒng)的設計檢測幅寬為1020mm，因此所需像元數(shù)量為16190?？紤]到高分辨率相機的象素數(shù)一般為1K（1024）的整數(shù)倍，所以本系統(tǒng)的像元數(shù)設計為16K，實際分辨力為0. 062mm。

5. 檢測對象的設計檢測幅寬為1020mm，在縱向上的每秒位移為417mm，所以每秒 待處理的圖像大小約為16K×6700，具有視場大，分辨率高的特點，不適于使用面陣相機進行檢測。如果使用2K?2K 的高分辨率面陣相機，則至少需要24臺相機才能滿足要求，相機的成本將會非常高，不便于安裝和調試，而且由于視場大，也很難做到整個視場范圍照度的均勻。

因此采用線陣相機是較好的解決方案。高分辨率線陣相機一般有2K、4K、8K、12K等幾種類型。根據(jù)16K的像元數(shù)量要求，可供選擇的方案為：

表3 相機方案對比表

方案	相機類型	像元尺寸	單價	對鏡頭要求	所需相機數(shù)量
1	2K	14 μm		低	8臺
2	4K	10μm		中	4臺
3	8K	7μm		高	2臺
4	12K	5 μm		高	2臺

在相機的選擇上，主要有以下幾個約束條件：象元尺寸、幅面大小、價格和系統(tǒng)復雜度。

? 相機的象元尺寸越大，對應的空間頻率越低，系統(tǒng)的MTF（傳函）越高，像質越好。在所選鏡頭一定的情況下，4K相機的成像質量要好于8K相機，8K相機的成像質量要好于12K相機。

? 幅面越大，視場越大，邊緣視場像質越差，對鏡頭的要求也越高。2K相機對鏡頭的要求要低于4K相機，4K相機對鏡頭的要求要低于8K相機。

? 在相機單價上，2K相機最低，4K和8K相機居中，12K相機最高。但是要考慮到配套的鏡頭和板卡個數(shù)。

? 在系統(tǒng)復雜度方面，相機越多，系統(tǒng)安裝和維護越復雜，因此如果成像質量能夠滿足要求，優(yōu)先考慮選用數(shù)目較少相機的方案。

為滿足檢測要求，首先要從成像質量來考慮。對于本系統(tǒng)而言，成像時并不關心薄膜上的細節(jié)，只是關心有無孔洞，對系統(tǒng)傳函、像質要求不高。因此，四套方案均可以滿足成像要求，但是方案四的成像最差。另外，從成本和系統(tǒng)復雜度的角度來考慮，方案一、二分別需要8臺2K和4臺4K相機完成整場覆蓋，所需的鏡頭和采集卡數(shù)量也增加，硬件成本并不低，而且系統(tǒng)結構復雜，不便于安裝和調試，不建議采用。方案三系統(tǒng)相對簡單，成本較低，能夠滿足成像質量要求。方案四系統(tǒng)雖然也比較簡單，但是價格較高。綜合多種因素考慮，建議選用方案三，即2臺8K相機的方案。

系統(tǒng)將采用2臺8K相機拼接的方法完成視場的覆蓋，兩臺相機間的重疊象素數(shù)為50個，重疊區(qū)域寬度3.15mm，每臺相機的實際檢測幅寬為506.6mm。下圖為該方案的示意圖：

圖5  檢測方案示意圖

根據(jù)像元分辨率和薄膜的運動速度，可以計算積分時間為0.15ms，要求的行頻為6.7KHz。

在相機的型號上，選擇了性價比較好的加拿大Dalsa公司的Dalsa P2-8K40相機，行頻能夠滿足要求，它的象元尺寸為7μm。主要參數(shù)見下表。

表4  主要性能參數(shù)

名稱	參數(shù)
象元尺寸	7*7 ?
有效象元數(shù)	8192
響應度	76 DN/?J/cm2
最高行頻flinemax	9KHz
最高數(shù)據(jù)率fdatamax	2?40MHz
譜段	0.4～1.0?
傳輸接口	Base CamLink接口
A/D量化值	8bit
防溢出功能	有
鏡頭接口	645
動態(tài)范圍	496:1
數(shù)量	2臺

 

6. 鏡頭

由于在系統(tǒng)的安裝空間上沒有特殊限制，在鏡頭的選擇上有很大的靈活性。一般我們選用焦距接近相機CCD尺寸的鏡頭。對于8K相機，像元尺寸為7?m，則CCD尺寸為57mm，因此選用焦距為60mm的鏡頭比較合適。

根據(jù)CCD尺寸和每臺相機的實際檢測幅寬，可以計算出成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)為0.11倍。根據(jù)焦距和放大倍數(shù)，可以計算物距為597mm。

選用Schneider公司的Apo-Componon 4.0 / 60鏡頭，Schneider公司是國際知名的鏡頭制造商，鏡頭的性價比很高。在物距為522mm時，所需視場角約為46.0?。鏡頭的主要參數(shù)見下表：

表5  鏡頭主要參數(shù)

名稱	參數(shù)
焦距	60mm
最大視場角
相對孔徑范圍	4.0~
工作距離	∞~0.45 m
尺寸	74mm*60.5mm
重量	410g
數(shù)量	兩臺

 

該款鏡頭的畸變率徆低，在成像80％范圍內畸變值小于0.1％，在成像邊緣處的畸變值小于0.2％。使用8K相機時在邊緣處的最大畸變才為0.5mm，因此基本不用考慮畸變的影響。

7. 圖像采集卡

建議采用一塊Coreco公司X64-CL-iPro 圖像采集卡，可選66MHz、板上內存32M。該款圖像采集卡支持Cam Link傳輸協(xié)議，價格比較便宜，功能強大，數(shù)據(jù)傳輸率高達528MB/秒，能夠同時支持兩路8K相機的輸入。該經(jīng)驗已經(jīng)在凌云公司的有關項目中成功應用。

8.展平裝置

由于薄膜為柔性材料，在采集圖像時要進行展平控制。如果薄膜不平，透射光線指向角變化，會引起圖像灰度急劇變化，造成漏檢。建議方法是安裝輥軸。

9 .為了實時在線檢測、準確測量移動距離，能夠檢測后在孔洞位置噴上標記，

要求具有同步裝置。一般的方法是安裝與輥軸同心的編碼器，使得編碼器輸入軸運動與薄膜運動保持同步。

10.計算機

計算機負責系統(tǒng)的全部管理動作，提供人機交互界面。當檢測到孔洞時，可以顯示缺陷畫面，同時發(fā)出控制指令，控制噴墨機打印標識。

本系統(tǒng)采用2臺高分辨率（8K）相機采集圖像，根據(jù)行頻可以計算每臺相機的數(shù)據(jù)量約為55MB/s，圖像數(shù)據(jù)量很大，因此要選用高性能的計算機完成處理任務。根據(jù)圖像數(shù)據(jù)量，建議選擇1臺PCI-64位、66MHz的工業(yè)控制計算機。

11.檢測算法

在檢測算法上，由于只是檢測孔洞的有無和位置，檢測算法不復雜。先對圖像進行二值化，然后采用Blob分析技術即可，可靠性也比較高。軟件編程及現(xiàn)場調試大約在3-4周左右。

三、系統(tǒng)設計結論

本系統(tǒng)的結構示意見圖6（側視圖）和圖7（底視圖）。系統(tǒng)工作在可見光光譜段，采用透射的成像方式。薄膜經(jīng)過輥1和輥2進行展平后，通過2臺8K線陣CCD相機采集圖像。經(jīng)采集卡傳入計算機后進行圖像處理，計算圖像特征，判斷是否存在孔洞。如果存在，計算機發(fā)送控制信號，完成對薄膜表面質量的檢測。如果現(xiàn)場工作環(huán)境溫度較高，還要考慮對CCD相機冷卻降溫，以保證相機的正常工作。

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