袁慶松

摘要： 針對(duì)鋼琴企業(yè)鋼琴面板人工裝配和檢測(cè)效率低、質(zhì)量差等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)的鋼琴面板裝配過(guò)程在線檢測(cè)系統(tǒng)。利用Hough變換算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)面板興趣區(qū)域的精準(zhǔn)識(shí)別，采用差異哈希算法提高匹配精度，實(shí)現(xiàn)鋼琴面板生產(chǎn)的在線檢測(cè)，保證生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

Abstract： Aiming at some problems such as low efficiency， poor quality existing in manual assembly and testing of piano panels in piano enterprises， the on-line piano panel assembly process detection system based on machine vision is developed. It is to achieve a precise identification of the panel's interest region by using the Hough transform algorithm， and Hash algorithm is used to improve the matching accuracy， realize on-line detection of piano panel production， and guarantee the production efficiency and product quality.

關(guān)鍵詞： 鋼琴制造；機(jī)器視覺(jué)；在線檢測(cè)；哈希匹配

Key words： piano manufacturing；machine vision；on-line detection；Hash matches

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）16-0131-02

0 引言

近年我國(guó)鋼琴消費(fèi)需求逐年擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)巨大的市場(chǎng)需求使得鋼琴企業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。目前鋼琴制造大多以人工為主，效率低、工作量大。鋼琴面板裝配使用到大量的螺釘，錯(cuò)裝、漏裝現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。工序完工后的螺釘檢測(cè)也由人工進(jìn)行，人眼在長(zhǎng)時(shí)間工作后易產(chǎn)生疲勞，檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率大大降低，同時(shí)人工檢測(cè)帶有主觀性，影響產(chǎn)品質(zhì)量。為提高鋼琴面板質(zhì)量及生產(chǎn)效率，本文研制了鋼琴面板裝配過(guò)程在線檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)鋼琴面板的裝配情況自動(dòng)檢測(cè)并標(biāo)注出螺釘錯(cuò)裝和漏裝的具體位置，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行補(bǔ)裝及修正。

1 在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鋼琴制造生產(chǎn)過(guò)程中，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)穩(wěn)定性、可靠性差，也沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不利于產(chǎn)品的質(zhì)量控制。探索客觀有效、高速可靠的質(zhì)量控制方案，尋求新的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷檢測(cè)方法成為許多鋼琴制造企業(yè)需要解決的問(wèn)題。因此，引入機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼琴面板裝配過(guò)程的在線檢測(cè)，提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率。結(jié)合工人現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，考慮光照、操作方法和生產(chǎn)流程等因素，對(duì)原有的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化；利用控制程序和Hough變換方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼琴面板的檢測(cè)；最后采用差異哈希算法匹配標(biāo)準(zhǔn)圖像，判斷鋼琴面板是否裝配合格，輸出檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼琴面板的生產(chǎn)在線檢測(cè)。

本文開(kāi)發(fā)的鋼琴面板制造裝配在線檢測(cè)系統(tǒng)主要由兩大部分組成：硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)[1-2]，實(shí)現(xiàn)鋼琴面板裝配情況的實(shí)時(shí)反饋。工人通過(guò)人機(jī)交互界面進(jìn)行查看，不僅提高鋼琴面板的生產(chǎn)效率，同時(shí)也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由照明設(shè)備、待檢產(chǎn)品、感應(yīng)設(shè)備、圖像采集設(shè)備、PC設(shè)備、控制設(shè)備、顯示設(shè)備等部分組成，如圖1所示。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要由圖像預(yù)處理、Hough變換、差異哈希算法、哈希匹配等步驟組成，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

2 機(jī)器視覺(jué)在線檢測(cè)方法

裝配過(guò)程中，螺釘特征輪廓可能會(huì)受力產(chǎn)生變形，不利于檢測(cè)，生產(chǎn)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)也會(huì)產(chǎn)生干擾，因此，特征提取方法需要很高的魯棒性?？紤]到檢測(cè)的目標(biāo)為螺釘，圖像特征為圓形，對(duì)噪聲不敏感的霍夫變換[3-4]可實(shí)現(xiàn)圖像的特征提取，并保證一定的魯棒性。

2.1 哈希算法

傳統(tǒng)的模板特征匹配方法一般直接以標(biāo)準(zhǔn)圖像的特征作為檢測(cè)依據(jù)，變形及光線變化會(huì)對(duì)匹配的速率會(huì)產(chǎn)生很大的影響。光照變化會(huì)導(dǎo)致興趣區(qū)域明暗變化，使興趣區(qū)的像素值發(fā)生變化，從而對(duì)圖像匹配產(chǎn)生影響。本文引入哈希序列作為興趣區(qū)域樣本的特征表示方式，利用興趣區(qū)域圖像像素間的差值相對(duì)固定的性質(zhì)，降低光照變化導(dǎo)致匹配精確率低的影響。哈希序列就是將興趣區(qū)域圖像像素依次互相比較，得到一系列的哈希值[5-6]。

對(duì)像素矩陣的每一行進(jìn)行如下操作：相鄰的兩個(gè)元素進(jìn)行相減（左邊元素減右邊元素），得到差異值；對(duì)差異值進(jìn)行處理，若為正數(shù)或0，則記得為1；若為負(fù)數(shù)，記為0。如下表達(dá)式：

2.2 哈希匹配

哈希匹配的主要內(nèi)容是將待檢測(cè)興趣區(qū)的哈希序列與標(biāo)準(zhǔn)樣本興趣區(qū)對(duì)比，利用最小漢明距離進(jìn)行結(jié)果輸出，判斷鋼琴面板裝配情況。其基本步驟如下：

①通過(guò)Hough變換圓形檢測(cè)，得到圖像興趣區(qū)，計(jì)算該區(qū)域的灰度值；

②將興趣區(qū)的圖像相鄰像素進(jìn)行相互比較，依次得到各興趣區(qū)的差異哈希值，最后得到相關(guān)的哈希序列；

③將哈希序列與標(biāo)準(zhǔn)工件對(duì)比，利用漢明距離實(shí)現(xiàn)圖像特征匹配。

④通過(guò)比較，該興趣區(qū)的裝配情況與得到最小漢明距離的標(biāo)準(zhǔn)工件興趣區(qū)裝配情況相同。最終在顯示屏中輸出檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)鋼琴面板裝配過(guò)程的檢測(cè)。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

Y鋼琴制造公司是一家專業(yè)從事中高檔鋼琴的企業(yè)，產(chǎn)品品質(zhì)得到同行業(yè)專業(yè)人士的好評(píng)，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷(xiāo)日本、香港、德國(guó)、奧地利等國(guó)，國(guó)內(nèi)銷(xiāo)售量還在不斷增加。由于生產(chǎn)主要以人工為主，工人在進(jìn)行鋼琴面板裝配的工序中，每天需進(jìn)行大量次數(shù)的螺釘裝配，在長(zhǎng)時(shí)間的工作下，極易產(chǎn)生生理疲勞，導(dǎo)致漏裝和錯(cuò)裝，極大地影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

本文設(shè)計(jì)的鋼琴面板裝配過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)所采集的圖像分辨率為800*600，采集的所有圖像在PC設(shè)備中進(jìn)行處理，系統(tǒng)配置為Intel 酷睿I5 4200U @2.2GHz、4G運(yùn)行內(nèi)存、Win 10操作系統(tǒng)；相機(jī)分辨率在500萬(wàn)以上。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行生產(chǎn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)化前后對(duì)比及檢測(cè)結(jié)果如圖3～圖6所示。

對(duì)不同型號(hào)的鋼琴面板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，可得本系統(tǒng)的檢測(cè)正確率高達(dá)97%，且將已裝檢測(cè)為漏裝的出錯(cuò)率為0.3%，可得本系統(tǒng)滿足鋼琴面板實(shí)際裝配生產(chǎn)的需求，具有很好的實(shí)用性。

4 結(jié)語(yǔ)

目前智能制造是制造業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)，傳統(tǒng)的手工制造不僅在生產(chǎn)效率還是質(zhì)量保證等方面，很難適應(yīng)當(dāng)今大量需求及多樣化需求的環(huán)境。本文針對(duì)鋼琴企業(yè)傳統(tǒng)的制造工藝及生產(chǎn)環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并改進(jìn)，同時(shí)引入機(jī)器視覺(jué)來(lái)代替部分人工生產(chǎn)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的在線生產(chǎn)檢測(cè)。通過(guò)在Y公司的投入使用，在鋼琴面板裝配工序中，不僅解放部分人力，使工人輕松工作，而且提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁清珂，張振亞，吳暉輝，畢慶，陳圣明.基于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2014（11）：119-121.

[2]穆向陽(yáng)，張?zhí)?機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（22）：104-109.

[3]周封，楊超，王晨光，王丙全，劉健.基于隨機(jī) Hough 變換的復(fù)雜條件下圓檢測(cè)與數(shù)目辨識(shí)[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2013（34）：622-628.

[4]段黎明，汪威，張霞.改進(jìn)的Hough變換實(shí)現(xiàn)圓檢測(cè)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2013（19）：2148-2152.

[5]張宇，黃亞博，焦建彬.一種基于機(jī)器視覺(jué)的圓型零件檢測(cè)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程，2008（34）：185-186，202.

[6]李本紅，張淼，歐幸福.基于機(jī)器視覺(jué)的SOP芯片引腳缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2017（40）：171-178.