饒 欽，郭小菊，鄭 重，康德功

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

當(dāng)前工業(yè)機(jī)器視覺是一個(gè)發(fā)展十分迅速的研究領(lǐng)域，并成為計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一。國家發(fā)展規(guī)劃提出“智能制造工業(yè)4.0”的目標(biāo)[1]，這對機(jī)器視覺的性能、可靠性、穩(wěn)定性和精確度提出了更高的要求。機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到生活生產(chǎn)的各個(gè)方面，從生物微小圖像到衛(wèi)星遙感圖像，從工業(yè)測量到人臉指紋識別。可以說，需要人類視覺的場合幾乎都需要機(jī)器視覺[2]。特別是在人類視覺無法感知的領(lǐng)域，機(jī)器視覺更能體現(xiàn)其重要性。

對于小尺寸工件的精密測量，傳統(tǒng)的接觸式測量容易破壞工件表面和改變相對位置，從而影響測量的精度[3]。對于大批量生產(chǎn)只能采用抽樣檢測。在抽樣檢測中，用樣品的質(zhì)量來估計(jì)整批產(chǎn)品的質(zhì)量，這樣往往會存在誤檢。同時(shí)，長期的工作會造成人眼過度疲勞，這也帶來穩(wěn)定性問題；而惡劣的工作環(huán)境還會影響操作人員身體健康。由此可見，傳統(tǒng)的測量方法無法滿足現(xiàn)代精密制造的需求?；跈C(jī)器視覺的測量是一種高效快捷的新方法。

在液晶玻璃磨邊測量中，需要快速大批量測量，而且測量精度較高在毫米級以下，普通人工檢測已經(jīng)無法滿足實(shí)時(shí)需求，同時(shí)人工手檢容易對液晶玻璃造成劃傷和磕碰。所以本文應(yīng)用基于機(jī)器視覺的磨邊厚度測量技術(shù)，通過視覺檢測邊緣位置，以此相對位置差作為最后測量磨邊厚度。

1 液晶玻璃磨邊工藝簡介

對玻璃的邊緣或者棱進(jìn)行打磨，這種工藝在工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛，包括生活中用到的玻璃門、玻璃桌子等等。本文涉及到的是對車載顯示用液晶玻璃進(jìn)行磨邊。

車載顯示中用到的液晶玻璃，其中有一道工藝是對玻璃的棱邊進(jìn)行磨削，以保證后道工序正常進(jìn)行。磨邊主要是將玻璃側(cè)面的上下兩個(gè)長邊棱分別進(jìn)行打磨。設(shè)備中通常采用兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的砂輪，從45°方向逐漸接近玻璃，對玻璃進(jìn)行打磨。磨邊示意圖如圖1所示。

圖1 磨邊示意圖

調(diào)整轉(zhuǎn)動的砂輪在打磨過程中會冒出火星，所以設(shè)備會持續(xù)向砂輪上噴水，同時(shí)沖刷掉磨削產(chǎn)生的細(xì)小的玻璃渣。之后由氣刀對玻璃進(jìn)行吹氣烘干，最后由視覺對玻璃進(jìn)行測量。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磨邊測量系統(tǒng)本身需要完整的視覺系統(tǒng)，同時(shí)還需要與控制設(shè)備的PLC進(jìn)行通訊。

本系統(tǒng)主要功能是對玻璃打磨過的邊進(jìn)行測量。其中主要涉及圖像系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。

2.1 硬件選型

1) 工控機(jī)

考慮到軟件通用性及開發(fā)的快速性，由于該系統(tǒng)對測量效率要求較高，在軟件優(yōu)化的情況下采用Intel i5處理器，4G內(nèi)存，WIN764位操作系統(tǒng)，同時(shí)工控機(jī)需要有RS232接口、USB2.0接口。其中RS232口用來和松下PLC進(jìn)行通訊，USB2.0接口用來連接相機(jī)。

2) 相機(jī)

由于相機(jī)視野最多為10 mm，當(dāng)玻璃尺寸較大時(shí)，檢測臺每檢測10 mm時(shí)再起停，這種效率太低達(dá)不到要求，考慮到設(shè)備測量效率問題，所以這里采用玻璃在運(yùn)動過程中拍攝測量，這就需要高速、全局曝光的相機(jī)。本文選用加拿大灰點(diǎn)相機(jī)，型號為CMLN-13S2M-CS，CS接口，130萬黑白相機(jī)，尺寸為1296*964，USB2.0接口，全局曝光，幀率為18FPS。

實(shí)際檢測中，玻璃的厚度最大為1.1 mm，所以在保證能拍攝到圖像的前提下減小圖像尺寸，這里將相機(jī)ROI區(qū)域設(shè)置為1296*480，這樣相機(jī)的幀率更快。

同時(shí)將曝光時(shí)間盡量地設(shè)置短，由于是在運(yùn)動過程中拍攝圖像，曝光時(shí)間越短圖像失真也越小。同時(shí)曝光時(shí)間越短，相機(jī)的幀率也會提高。

考慮到系統(tǒng)對玻璃側(cè)面的上下兩個(gè)磨邊的棱的垂直距離進(jìn)行測量，所以采用相機(jī)水平放置方法，從左右兩個(gè)相機(jī)進(jìn)行拍攝。

3) 鏡頭

針對視野的要求和測量精度的要求，進(jìn)而合理的采用了0.8倍的鏡頭，并且采用遠(yuǎn)心鏡頭，此鏡頭可保證得到的圖像低畸變[4]?？紤]到視野大小與相機(jī)分辨率，采用0.8倍的遠(yuǎn)心鏡頭，此時(shí)一個(gè)像素代表7.5 μm，圖像中長邊可以達(dá)到9 600 μm。

4) 光源

光源的選型對成像影響很大，合適的光源可以得到清晰少干擾的圖像[5]。由于是對玻璃邊打磨過的棱進(jìn)行檢測，而棱對光會是漫反射，而周圍的玻璃面則是鏡面反射。所以這里選用白色外部條形光，為了得到效果更好的圖像，因而最終選擇高均勻白色條形光；用條形光分別垂直向下打光。由于該玻璃為深藍(lán)色玻璃，光在玻璃內(nèi)部傳輸量小，光對玻璃左棱到右棱的影響小。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

檢測臺的運(yùn)動方向中沿X方向往復(fù)運(yùn)行，檢測臺上放置已經(jīng)打磨好待測量的液晶玻璃。

白色條形光源分別垂直向上和向下打光，使均勻的光能反射到水平放置的鏡頭之中。

相機(jī)水平放置，這樣可以更好接收從玻璃棱反射來的光線。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

理論上，當(dāng)檢測臺水平時(shí)，放置在檢測臺上的玻璃也是水平的，所以玻璃上表面上棱的高度位置和玻璃下表面下棱的高度位置是不會變化的。但是實(shí)驗(yàn)中，檢測臺的水平度只能過到10 μm量級，這種不水平對圖像檢測容易產(chǎn)生干擾，特別是當(dāng)玻璃尺寸較大時(shí)，玻璃在相機(jī)視野中可以看出是明顯的傾斜。針對這種問題只能通過圖像測量軟件進(jìn)行處理。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要在VS2010環(huán)境下采用C#編寫。

軟件主要分為以下部分：相機(jī)配置、通訊配置、圖像檢測。

1) 相機(jī)設(shè)置

主要針對相機(jī)參數(shù)和采集圖像的基本操作進(jìn)行相關(guān)配置。其中包括選擇相機(jī)對應(yīng)的序列號，相機(jī)的曝光時(shí)間和增益。還有對相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行翻轉(zhuǎn)處理。相機(jī)配置功能如圖3所示。

2) PLC串口通訊

工控機(jī)與松下PLC之間采用松下自有的MEWTOCOL協(xié)議[6]。利用串口進(jìn)行通訊，由工控機(jī)直接讀寫PLC中的DT區(qū)。串口通訊配置如圖4所示。

圖3 相機(jī)配置界面

圖4 通訊配置界面

3) 邊緣檢測方法

常用的邊緣檢測方法有Sobel邊緣、Robert邊緣、Prewitt邊緣和Laplacian邊緣[7]。經(jīng)過比較和分析，由于玻璃水平放置，圖像中主要是Y方向豎直邊緣。所以這里采用Sobel邊緣?？紤]到玻璃打磨的邊具有連續(xù)性，所以這里會在一定區(qū)域內(nèi)取邊緣位置的水平投影，以投影最大值作為邊緣的位置。

4) 測量設(shè)定

測量設(shè)定主要包括兩個(gè)部分，分別是玻璃上下基準(zhǔn)線的設(shè)定和邊緣厚度上下限的設(shè)置。

生產(chǎn)線傳送來的玻璃被水平放置于檢測臺之上，由于檢測臺的平整度精度不夠高，會導(dǎo)致玻璃側(cè)面不夠水平。所以這里會人為設(shè)定一條基準(zhǔn)線，程序會在人為設(shè)定的基準(zhǔn)線的一個(gè)小范圍內(nèi)自動搜索實(shí)際玻璃基準(zhǔn)線。

玻璃磨邊厚度的上下限由人為手動設(shè)置，由之前相機(jī)鏡頭的參數(shù)可知，一個(gè)像素點(diǎn)代表7.5 μm，所以人為設(shè)定好上下限后，圖像中會自動根據(jù)基準(zhǔn)線位置顯示好上下限。

圖5 測量設(shè)定界面

3 運(yùn)行結(jié)果與分析

該軟件在客戶現(xiàn)場24小時(shí)運(yùn)行，檢測效果良好。實(shí)際運(yùn)行過程中，將軟件測量的結(jié)果與實(shí)際用顯示鏡測量的結(jié)果進(jìn)行對比，測量結(jié)果的誤差在1%以內(nèi)，達(dá)到了實(shí)際生產(chǎn)過程中的要求。

實(shí)際運(yùn)行過程中檢測的圖像如圖6所示，綠色虛線為人為設(shè)定的基準(zhǔn)線，紅線為軟件自動識別到的基準(zhǔn)線，綠色的實(shí)線分別代表人為設(shè)定的上下限，藍(lán)色線為軟件自動識別的玻璃邊緣。

圖6 實(shí)際測量圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的玻璃磨邊測量系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用，達(dá)到了客戶的要求，解決了人工手檢的問題，實(shí)現(xiàn)了自動化視覺檢測。同時(shí)，本測量系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，可以拓展應(yīng)用到其他相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)品測量中。相信在未來的工業(yè)中，隨著視覺對位系統(tǒng)發(fā)展的進(jìn)一步完善，它將在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，扮演更加重要的角色。

[1] 周濟(jì).智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機(jī)械工程,2015(17)：2273-2284.

[2] 段峰,王耀南,雷曉峰,等.機(jī)器視覺技術(shù)及其應(yīng)用綜述[J].自動化博覽,2002,19(3):59-61.

[3] 廖強(qiáng),周憶,米林,等.機(jī)器視覺在精密測量中的應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2002,25(6):1-4.

[4] 鞠波.基于遠(yuǎn)心鏡頭的高精度視覺測量儀[J].兵工自動化,2014(8):82-86.

[5] 李俊.機(jī)器視覺照明光源關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津：天津理工大學(xué),2007.

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