用于金屬罐缺陷檢測的照明方案設(shè)計(jì)

在易拉罐罐蓋的整個生產(chǎn)過程中，由于原材料的缺陷、設(shè)備的老化、員工的操作不當(dāng)及其它因素的影響使得罐蓋可能產(chǎn)生多種缺陷，其中常見的缺陷有壓點(diǎn)、劃痕、擦傷、油污、膠圈不勻、無膠、變形等。

在金屬罐蓋檢測方面，利用機(jī)器視覺智能檢測系統(tǒng)能夠高速、準(zhǔn)確的檢測金屬罐蓋壓點(diǎn)、劃痕、擦傷和油污等缺陷，同時可以節(jié)省勞動力，降低成本，減少生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品品質(zhì)，為企業(yè)增加效益， 具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

01

存在的主要問題

分析機(jī)器視覺技術(shù)在相關(guān)行業(yè)應(yīng)用中的特點(diǎn)，成功的關(guān)鍵在于光源的設(shè)計(jì)、圖像算法的設(shè)計(jì)和相應(yīng)軟件的設(shè)計(jì)。

光源的設(shè)計(jì)主要依據(jù)對象的形狀、顏色信息及現(xiàn)場具體狀況；算法的設(shè)計(jì)主要分為圖像預(yù)處理、圖像增強(qiáng)、區(qū)域分割、目標(biāo)提取、識別或檢測幾個步驟， 閩值分割、平滑濾波、邊緣提取是數(shù)字圖像處理中常用的算法；

系統(tǒng)軟件要以需求分析為前提，進(jìn)行合理的系統(tǒng)層次設(shè)計(jì)和界面布局以優(yōu)化應(yīng)用效果和提升用戶體驗(yàn)。

目前存存的主要問題：

照明光源的設(shè)計(jì)。照明效果對罐蓋的質(zhì)量檢測極為重要，環(huán)形光照明方向眭較強(qiáng)，對照明的均勻性和處理的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，同時小適用于形狀復(fù)雜的罐蓋。

圖像的配準(zhǔn)。在圖像配準(zhǔn)中利用邊緣區(qū)域再次劃分小區(qū)域搜索的方法對區(qū)域定位的精度發(fā)速度產(chǎn)生了影響。

多區(qū)域的劃分。采用單張圖片進(jìn)行了區(qū)域劃分，影響了區(qū)域劃分的準(zhǔn)確性，對后期多區(qū)域檢測產(chǎn)生了不利影響。

檢測方法。由于罐蓋表面不同區(qū)域的特征差異性較大，采用單一的圖像處理算法不能達(dá)到預(yù)期的檢測效果，要針對不同區(qū)域的特性采用多種檢測算法相結(jié)合的方式進(jìn)行檢測，同時要考慮到算法的魯棒性。

02

缺陷分析

不當(dāng)?shù)臋C(jī)加工操作容易使得蓋面產(chǎn)生變形，扭曲和壓點(diǎn)、劃痕等，機(jī)床的漏油會造成蓋面的污染，注膠機(jī)的不穩(wěn)定可能導(dǎo)致注膠不均勻或無膠等，罐蓋在傳送過程中也容易產(chǎn)生擦傷和雜質(zhì)點(diǎn)等缺陷。

金屬罐蓋缺陷檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在自動生產(chǎn)線的最后一步工序之后，對壓點(diǎn)、劃痕、擦傷、雜質(zhì)點(diǎn)、污漬、油污、膠圈不勻、無膠、變形等缺陷產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時分離剔除，同時不影響合格品的質(zhì)量和傳輸，檢測速度和精確度具體的技術(shù)指標(biāo)為：

對于直徑為１１０ｍｍ的基礎(chǔ)蓋（無加強(qiáng)筋），檢測速度≥10P/P/S。

產(chǎn)品缺陷分辨率為0.1mm。

檢測準(zhǔn)確率≥98％。

03

硬件方案設(shè)計(jì)

合理檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以正確分析用戶需求為前提的，工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)器視覺系統(tǒng)的檢測需求及特點(diǎn)主要有以下幾種：

1. 表面特征檢測：如文字標(biāo)識。應(yīng)注意區(qū)分特征部分是印刷在物體表面還是凹于物體之下。

2. 尺寸檢測：如外形尺寸，相對位置，共面度。這些參數(shù)的測量應(yīng)注意輪廓的真實(shí)性和突出測量基準(zhǔn)。

3. 表面質(zhì)量檢測：如劃痕、凹坑、缺角。這類參數(shù)的檢測應(yīng)注意缺陷的尖銳程度和缺陷的方向，根據(jù)方向擺放光源的位置。

4. 純凈度檢測：注意包裝材料的透光性，液體的顏色以及雜質(zhì)的材質(zhì)。

5. 裝配檢測：如裝配位置，缺零件，裝錯零件的檢測。應(yīng)注意空間位置的分布和補(bǔ)光、 消除反光。

6. 色差檢測：注意相機(jī)的白平衡，并考慮借助濾鏡。

一個典型的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)主要硬件組成為：光源、鏡頭、相機(jī)、 圖像處理單元、 監(jiān)視器、 通訊、輸入輸出單元等。

基于以上需求分析，結(jié)合機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)金屬罐蓋缺陷檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖所示：

04照明方案設(shè)計(jì)

照明方案的設(shè)計(jì)是機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，合理的照明能夠與相機(jī)，待檢測物件良好配合形成高對比對度、特征突出的輸入圖像，便于后期的圖像處理，提高檢測效果。

針對不同顏色，不同外形的罐蓋進(jìn)行了不同照明方式的實(shí)驗(yàn)和比較，并對其結(jié)果進(jìn)行了分析。

1、直接照明

采用直接照明時，對于表面較光滑的物體而言，容易發(fā)生鏡面反射，在相機(jī)的視野范圍內(nèi)形成鏡面反射的強(qiáng)光區(qū)域和黑暗區(qū)域。

對于待測罐蓋而言，由于金屬表面容易產(chǎn)生鏡面反射，所以單一角度的照明會使罐蓋圖片的亮度不均勻，不能達(dá)到很好的檢測效果。

2、穹頂光照明

穹頂光照明由于光線由LED發(fā)出后經(jīng)過穹頂?shù)姆瓷湟月瓷涞姆绞秸丈涞酱郎y物體的表面，這樣的光照更加均勻，比較適合于光滑的物體表面。

當(dāng)這些多角度的漫射光照射到金屬罐蓋表面時，產(chǎn)生了比直接照射更加均勻的照明效果，但此類照明也有一定缺陷，穹頂?shù)闹虚g位置由于反光較少形成了較暗的區(qū)域，正如以上罐蓋的中間部分亮度較低，這樣對罐蓋的整體檢測也產(chǎn)生了一定的影響。

同時由于罐蓋表面缺陷種類較多，此類照明并非能夠?qū)λ腥毕荻加休^明顯的響應(yīng)（如劃痕和擦傷）。

在實(shí)際的檢測應(yīng)用中由于罐蓋可能發(fā)生相對于傳送帶垂直方向的位置偏差，這樣會使得中間的暗斑區(qū)域在罐蓋圖片中有較大的隨機(jī)性，對檢測也造成了不良影響。

3、同顏色、不同角度照明

如圖所示為同一罐蓋在紅色光高角度和藍(lán)色光低角度照射下所體現(xiàn)的不同效果。

此罐蓋的主要缺陷有兩種：一是表面的劃痕，二是蓋面的污點(diǎn)。在紅色光高角度照明中，劃痕和污點(diǎn)表現(xiàn)為較暗區(qū)域，且特征較為明顯，也可以看出由于ＬＥＤ發(fā)光較強(qiáng)，光源小夠均勻，蓋面反射為點(diǎn)狀的亮斑。

從此現(xiàn)象可得出，金屬蓋面對紅色光源的反射較為明顯，起到了明場照明的效果。

在藍(lán)色光低角度照明中，劃痕表現(xiàn)為較亮區(qū)域，且特征相比于紅色光照明較為突出，但在藍(lán)色光照明的罐蓋表面井未出現(xiàn)點(diǎn)狀的亮斑，且污點(diǎn)的表現(xiàn)相對于紅光而言并不明顯。

從此現(xiàn)象可以得出，金屬表面對藍(lán)色光源的反射較弱，但類似于劃痕的表面損傷區(qū)域反射較強(qiáng)， 起到了暗場照明的效果。

4、明暗場結(jié)合照明

采用明暗場相結(jié)合的照明方式能夠同時突出罐蓋的暗色缺陷區(qū)域和亮色缺陷區(qū)域，經(jīng)試驗(yàn)證明，此種照明方式對加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的罐蓋有良好的照明效果。

但由于采用彩色照明，相機(jī)必須選用彩色相機(jī)，并在處理中提取出彩色圖片ＲＧＢ三顏色分量，這樣就會對系統(tǒng)成本和處理時間造成一定影響。

綜合以上分析，針對帶有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的罐蓋可采用明場紅色穹頂光源和暗場藍(lán)色環(huán)形光源相結(jié)合的照明方式進(jìn)行照明，對于基礎(chǔ)蓋則可采用平面單色光漫射照明。

審核編輯 ：李倩