基于圖像識(shí)別的零件缺陷在線檢測(cè)系統(tǒng)

零件缺陷的檢測(cè)是企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。目前，我國(guó)大部分的中小型生產(chǎn)廠家都還采用人工篩選的方法來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量，一方面，人工測(cè)量降低了檢測(cè)的效率和正確率，人工篩選一般采用肉眼觀察的方法，隨著時(shí)間工作的推移，失誤率逐漸提高，識(shí)別速度也會(huì)越來(lái)越慢 ；另外一方面，國(guó)內(nèi)的人力人本在不斷提高，企業(yè)考慮到成本不可能對(duì)每個(gè)零件都進(jìn)行測(cè)量，一般只在同一批次中進(jìn)行抽樣檢測(cè)，這可能造成部分不合格產(chǎn)品難以檢出，降低產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著人工智能技術(shù)的持續(xù)升溫，基于視覺(jué)的尺寸檢測(cè)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，在機(jī)械和電子等眾多行業(yè)中，已逐步取代人工故障檢測(cè)的方法。 在這種形勢(shì)下，開(kāi)發(fā)一種能夠在線精確檢測(cè)零件尺寸，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)不合格產(chǎn)品進(jìn)行篩選的系統(tǒng)不僅可以降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，還可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)是在充分考慮系統(tǒng)功能和視覺(jué)檢測(cè)對(duì)環(huán)境需求的基礎(chǔ)上完成的，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。整個(gè)系統(tǒng)由遮光罩、openMV 相機(jī)模塊、無(wú)畸變鏡頭、光源、stm32 單片機(jī)系統(tǒng)、伺服電機(jī)、迪文屏、光電傳感器、舵機(jī)等部件所組成。待測(cè)零件在經(jīng)過(guò)振動(dòng)分揀裝后被逐個(gè)運(yùn)送傳送帶上，經(jīng)過(guò)openMV 攝像頭模塊內(nèi)置的圖形圖像算法的運(yùn)算后，獲得零件的尺寸信息并輸出給 stm32 單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的分揀，并通過(guò)光電傳感器感知單個(gè)零件檢測(cè)完畢。

圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，整個(gè)系統(tǒng)使用 220V 市電進(jìn)行供電，經(jīng)過(guò) MP175 降壓電路降為 6v 左右后分別給舵機(jī)、光電模塊及 LED 光源供電，stm32 單片機(jī)、openMV 模塊及迪文顯示屏采用隔離電源，保證用電的安全性 ；stm32 單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，采用 F103 系列，其內(nèi)部帶有 2 路高 級(jí)定時(shí)器，可以產(chǎn)生高精度的 PWM 波驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī) ；帶有多路串口通信接口，可以實(shí)現(xiàn)與 openMV 及迪文屏之間的通信 ； stm32 單片機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳感器之間的連接都加入了光耦隔離芯片，防止外部干擾信號(hào)串入單片機(jī)回路，造成單片機(jī) “死機(jī)”或損毀 I/O。openMV 是一個(gè)成本低廉，性能優(yōu)越的視覺(jué)識(shí)別模塊，它的核心是一個(gè) stm32F7 單片機(jī)，內(nèi)置了圖像識(shí)別算法和一個(gè) microPython 解析器，用戶可通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的Python 程序，即可實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別，openMV 自帶有多路 I/O， 但在本設(shè)計(jì)中，由于要控制多路外設(shè)，為此它僅作為圖像識(shí)別單元，不作為控制單元。

圖 2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

電源模塊在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮它的最大功率，由于帶有舵機(jī)、光源等外設(shè)，系統(tǒng)所需的功率大約在 10w 左右，為減小控制系統(tǒng)總體積，本設(shè)計(jì)采用的是美國(guó)芯源系統(tǒng)有限公司的 MP175 芯片，它是一款 700v 的非隔離降壓芯片，可將 220v 直接通過(guò) buck 電路降壓至所需要的電壓，并且具有 10w 的輸出能力，相較于傳統(tǒng)的互感器降壓，它的體積更小，成本更低。降壓電路如圖 3 所示，其中熱敏電阻 R19 和保險(xiǎn)絲構(gòu)成前置保護(hù)電路，防止浪涌電壓損壞系統(tǒng) ；交流轉(zhuǎn)直流采用全橋方式，可以提高電源輸出功率，L1、CE1 和 CE2 構(gòu)成LC 濾波電路，提高直流電的輸出性能，降低 MP175 發(fā)熱量 ； R16 和 R17 構(gòu)成反饋電路，輸出電壓與反饋電阻的關(guān)系為：

Vfb的值為 2.53v，本次電源由 220v 降壓為 6v 左右，為此，R16 和R17 分別選擇 6.8k 和 4.99k 的電阻； L2 和D8 構(gòu)成蓄流回路，當(dāng)MP175 內(nèi)部MOS 管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)， L2 放電為整個(gè)系統(tǒng)供電，值得注意的是，在蓄流回路中，二極管反向恢復(fù)的速度會(huì)直接影響芯片轉(zhuǎn)換效率，為此，需要選擇超快恢復(fù)二極管 ；為保證電源電路能輸出穩(wěn)定且紋波較小的電壓，除了元器件參數(shù)及選型需要考慮外，在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)， 線路布局也非常的關(guān)鍵，需考慮以下幾點(diǎn) ：（1）L2、輸出電容CE3、蓄流二極管 D8 及芯片內(nèi)部的 MOSFET 構(gòu)成的回路必須盡可能小 ；（2）MP175 降壓電路中，反饋的電壓信號(hào)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，為此走線時(shí)必須遠(yuǎn)離電感等干擾源，且回饋點(diǎn)必須是在電容濾波之后，不能直接從電感輸出端接入；（3）Drain 管腳上鋪銅盡可能增大，這樣有助于芯片的散熱。

圖 3 電源電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由 openMV 中的零件檢測(cè)程序及stm32 中的自動(dòng)控制程序 2 個(gè)部分所組成， 其流程如圖 4 所示，基于視覺(jué)的缺陷檢測(cè)步驟如下 ：抓取圖片，并根據(jù)顏色閾值，查找圖中零件 ；找到零件后，首先對(duì)其進(jìn)行二值化，然后再查找其邊沿 ；利用最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量法查找零件中心軸， 計(jì)算零件內(nèi)中心軸的長(zhǎng)度，從而判斷出零件是否合格 ；通過(guò)串口發(fā)送零件信息至單片機(jī)。stm32 單片機(jī)的運(yùn)行步驟如下：

圖 4 軟件處理流程

系統(tǒng)上電初始化，等待迪文屏啟動(dòng)按鍵按下，一旦按下，則通知 openMV 進(jìn)入工作狀態(tài) ；設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，stm32 產(chǎn)生一路 PWM 波，控制伺服電機(jī)運(yùn)行 ；當(dāng)接收 openMV 發(fā)送的零件是否合格的信息后，stm32 產(chǎn)生相應(yīng) PWM 控制舵機(jī)將葉片旋轉(zhuǎn)至正確位置 ；當(dāng)零件通過(guò)光電開(kāi)關(guān)后，一次檢測(cè)結(jié)束，舵機(jī)葉片歸零。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合 openMV 及 stm32 單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種基于圖像識(shí)別的零件缺陷在線檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)檢查零件尺寸是否準(zhǔn)確從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不合格產(chǎn)品進(jìn)行過(guò)濾，具有體積小，成本低，自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，適用于識(shí)別精度要求不高的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。