一、 設(shè)計(jì)要求

1.檢測對(duì)象

手機(jī)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(yùn)動(dòng)速度：25米/分鐘≤1m

圖1 檢測對(duì)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(nèi)，發(fā)現(xiàn)孔洞時(shí)，能在孔洞位置用快干墨噴上標(biāo)記，且可在收卷處的軸側(cè)做出標(biāo)記。

二、 設(shè)計(jì)方案和可行性分析

本系統(tǒng)采用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)薄膜質(zhì)量進(jìn)行檢測，機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組成：照明單元、相機(jī)單元、圖像采集單元、圖像處理單元、計(jì)算機(jī)、顯示單元、執(zhí)行單元和報(bào)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(shè)計(jì)很關(guān)鍵，下面針對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)和設(shè)備選型。

圖2  機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(duì)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(duì)比度高。在孔洞很小時(shí)，反射式所成圖像中的孔洞與薄膜灰度會(huì)比較接近，不易發(fā)現(xiàn)。由于檢測對(duì)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(dāng)?shù)那闆r，可見光的波長范圍為380～780nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于孔洞直徑，只要不采用激光光源，衍射現(xiàn)象不會(huì)很嚴(yán)重。即使有輕微的衍射現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致孔洞圖像比實(shí)際孔洞略大，反而利于孔洞檢測。在定位孔洞位置時(shí)，由于衍射現(xiàn)象是均勻發(fā)生在孔洞輪廓上的，不會(huì)影響孔洞的定位。

另外，要采用密光設(shè)計(jì)，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(nèi)增加消光齒、發(fā)黑、光欄等措施，進(jìn)一步減小光路入口處的雜光。

2.光源

光源是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，是系統(tǒng)的參考信號(hào)，目標(biāo)信號(hào)將調(diào)制在參考信號(hào)上。對(duì)光源的要求是穩(wěn)定、均勻、抗干擾能力強(qiáng)，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(dāng)，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(duì)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(jià)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(shí)
長度	1000mm
數(shù)量	1根

LED光源壽命很長，光強(qiáng)很穩(wěn)定，可以以頻率很高的脈沖信號(hào)頻閃，但是價(jià)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(hào)
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(shí)
外形尺寸	1000mm
數(shù)量	1個(gè)

 

兩者綜合考慮，在成像方面均能夠保證質(zhì)量，價(jià)格和壽命是需要衡量的因素。如果對(duì)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(duì)成本要求不高，

而對(duì)設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)要求高，則建議選用LED光源。

3. 檢測幅寬

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

4. 象元分辨力

設(shè)計(jì)要求中對(duì)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(guān)系換算，象元分辨力需要0.063～0.04mm?？紤]到透射成像時(shí)孔洞與薄膜的對(duì)比度差異很大，根據(jù)創(chuàng)視新科技的成熟項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，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(shè)計(jì)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(jī)的象素?cái)?shù)一般為1K（1024）的整數(shù)倍，所以本系統(tǒng)的像元數(shù)設(shè)計(jì)為16K，實(shí)際分辨力為0. 062mm。

5. 檢測對(duì)象的設(shè)計(jì)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(diǎn)，不適于使用面陣相機(jī)進(jìn)行檢測。如果使用2K?2K 的高分辨率面陣相機(jī)，則至少需要24臺(tái)相機(jī)才能滿足要求，相機(jī)的成本將會(huì)非常高，不便于安裝和調(diào)試，而且由于視場大，也很難做到整個(gè)視場范圍照度的均勻。

因此采用線陣相機(jī)是較好的解決方案。高分辨率線陣相機(jī)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(jī)方案對(duì)比表

方案	相機(jī)類型	像元尺寸	單價(jià)	對(duì)鏡頭要求	所需相機(jī)數(shù)量
1	2K	14 μm		低	8臺(tái)
2	4K	10μm		中	4臺(tái)
3	8K	7μm		高	2臺(tái)
4	12K	5 μm		高	2臺(tái)

在相機(jī)的選擇上，主要有以下幾個(gè)約束條件：象元尺寸、幅面大小、價(jià)格和系統(tǒng)復(fù)雜度。

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

? 幅面越大，視場越大，邊緣視場像質(zhì)越差，對(duì)鏡頭的要求也越高。2K相機(jī)對(duì)鏡頭的要求要低于4K相機(jī)，4K相機(jī)對(duì)鏡頭的要求要低于8K相機(jī)。

? 在相機(jī)單價(jià)上，2K相機(jī)最低，4K和8K相機(jī)居中，12K相機(jī)最高。但是要考慮到配套的鏡頭和板卡個(gè)數(shù)。

? 在系統(tǒng)復(fù)雜度方面，相機(jī)越多，系統(tǒng)安裝和維護(hù)越復(fù)雜，因此如果成像質(zhì)量能夠滿足要求，優(yōu)先考慮選用數(shù)目較少相機(jī)的方案。

為滿足檢測要求，首先要從成像質(zhì)量來考慮。對(duì)于本系統(tǒng)而言，成像時(shí)并不關(guān)心薄膜上的細(xì)節(jié)，只是關(guān)心有無孔洞，對(duì)系統(tǒng)傳函、像質(zhì)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(fù)雜度的角度來考慮，方案一、二分別需要8臺(tái)2K和4臺(tái)4K相機(jī)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于安裝和調(diào)試，不建議采用。方案三系統(tǒng)相對(duì)簡單，成本較低，能夠滿足成像質(zhì)量要求。方案四系統(tǒng)雖然也比較簡單，但是價(jià)格較高。綜合多種因素考慮，建議選用方案三，即2臺(tái)8K相機(jī)的方案。

系統(tǒng)將采用2臺(tái)8K相機(jī)拼接的方法完成視場的覆蓋，兩臺(tái)相機(jī)間的重疊象素?cái)?shù)為50個(gè)，重疊區(qū)域?qū)挾?.15mm，每臺(tái)相機(jī)的實(shí)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(yùn)動(dòng)速度，可以計(jì)算積分時(shí)間為0.15ms，要求的行頻為6.7KHz。

在相機(jī)的型號(hào)上，選擇了性價(jià)比較好的加拿大Dalsa公司的Dalsa P2-8K40相機(jī)，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(yīng)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(dòng)態(tài)范圍	496:1
數(shù)量	2臺(tái)

 

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(jī)CCD尺寸的鏡頭。對(duì)于8K相機(jī)，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(tái)相機(jī)的實(shí)際檢測幅寬，可以計(jì)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(jì)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(jià)比很高。在物距為522mm時(shí)，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(duì)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(tái)

 

該款鏡頭的畸變率徆低，在成像80％范圍內(nèi)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(jī)時(shí)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(nèi)存32M。該款圖像采集卡支持Cam Link傳輸協(xié)議，價(jià)格比較便宜，功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)528MB/秒，能夠同時(shí)支持兩路8K相機(jī)的輸入。該經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)在凌云公司的有關(guān)項(xiàng)目中成功應(yīng)用。

8.展平裝置

由于薄膜為柔性材料，在采集圖像時(shí)要進(jìn)行展平控制。如果薄膜不平，透射光線指向角變化，會(huì)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(shí)時(shí)在線檢測、準(zhǔn)確測量移動(dòng)距離，能夠檢測后在孔洞位置噴上標(biāo)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(yùn)動(dòng)與薄膜運(yùn)動(dòng)保持同步。

10.計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的全部管理動(dòng)作，提供人機(jī)交互界面。當(dāng)檢測到孔洞時(shí)，可以顯示缺陷畫面，同時(shí)發(fā)出控制指令，控制噴墨機(jī)打印標(biāo)識(shí)。

本系統(tǒng)采用2臺(tái)高分辨率（8K）相機(jī)采集圖像，根據(jù)行頻可以計(jì)算每臺(tái)相機(jī)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(jì)算機(jī)完成處理任務(wù)。根據(jù)圖像數(shù)據(jù)量，建議選擇1臺(tái)PCI-64位、66MHz的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

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(fù)雜。先對(duì)圖像進(jìn)行二值化，然后采用Blob分析技術(shù)即可，可靠性也比較高。軟件編程及現(xiàn)場調(diào)試大約在3-4周左右。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)論

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意見圖6（側(cè)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(jìn)行展平后，通過2臺(tái)8K線陣CCD相機(jī)采集圖像。經(jīng)采集卡傳入計(jì)算機(jī)后進(jìn)行圖像處理，計(jì)算圖像特征，判斷是否存在孔洞。如果存在，計(jì)算機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，完成對(duì)薄膜表面質(zhì)量的檢測。如果現(xiàn)場工作環(huán)境溫度較高，還要考慮對(duì)CCD相機(jī)冷卻降溫，以保證相機(jī)的正常工作。

?