利用机器视觉和并行处理检查汽车零件 - KAPPA

Polydec 是全球汽车行业的领先供应商，每月生产数千万个微型轴。这些硬化钢制装置是汽车步进电机的关键部件，公司依靠先进的技术和严格的质量保证来确保它们以正确方式制造。系统集成商 Ryf 和相机供应商 Kappa opto-electronics 为公司搭建的集成图像处理系统助其实现了据称可达 100% 的质量保证。

Polydec 微型轴检测系统基于一个回转定位台，该回转定位台会将微型轴依次传送到多个成像工作站以便通过视觉方式检测不同参数。每个基于 PC 的工作站均由一组定制的相机、光源和光学元件组成，每个组合都经过专门优化，用以测量特定的一组参数（图 1）。

据 Polydec 介绍，汽车行业严格的精度标准和庞大的产量要求不断开发复杂的生产工艺，以确保正确满足机械和质量要求。公司同时也大量生产汽车轴、电子行业精密测试柱塞以及用于高端手表行业和医疗应用的其他部件。

系统使用的八位回转台配置了六个活动工作站：一个用于插入一组五个微型轴，三个用于执行检测任务，两个用于将检测后的微型轴分拣到合格和不合格零件箱中。每组五个微型轴都会从 1 号工作站开始，逐个经过每个工作站，到达生产线末端，进入合格零件和不合格零件收集箱二者中的一个。

三个视觉检测流程均有一台专属的通用 PC 和 LCD 监视器。PC 连接到一台 Siemens Energy and Automation 的 Simatic PLC，由其对系统进行实际控制。检测后，PC 使用简单的数字 I/O 信号向 PLC 指示哪些微型轴合格，哪些不合格。

由于每个功能都有专属 PC，再利用回转定位，可在不同工作站同时执行多个功能，从而缩短总体检测时间。之前，Polydec 一直使用标准相机检测微型轴。他们表示，新系统的高分辨率相机极大提高了速度和准确性，而速度优势主要来自并行检测。据 Polydec 介绍，新系统只需不到一秒钟即可同时检测五个工件。系统通过视觉方式检测的微米级产品参数包括微型轴长度、直径、表面纹理、倒角半径和旋转对称（“弯曲度”）。

投入工作

运行期间，传送带自动将一组五个微型轴送入 1 号工作站的 Polydec 系统。在这里，由一套专有的零件装载系统将轴插入回转台外缘的支架组件中。检测过程中，该支架组件在真空系统的帮助下将零件牢牢固定在位。

Polydec 系统的 2 号工作站使用带有内心镜头的 Kappa PS 4-285 FW 相机来检测微型轴不同纹理区域的位置和质量。为实现正常工作，微型轴末端 12 毫米区域必须光滑且有光泽，而中间区域的纹理必须在一定程度上保持粗糙（或“消光”）。

纹理差异的原因是，安装后轴会在坯件端部转动，而组装过程中会在轴上模制一个塑料轮，为保证塑料能够有效紧贴金属，必须要有这个粗糙区域。

相机包含 Sony ICX285AL CCD 芯片，这是一款 2/3 英寸逐行扫描行间转移传感器，带有 1434 × 1050 像素格式的微镜头。CCD 的方形像素尺寸为 6.45 × 6.45 µm，动态范围为 63 dB，灵敏度为 0.02 lux，曝光时间为 100 ms。其配备内心镜头，同时使用同轴和背景光源。

Kappa PS 4-285 FW 相机可提供不受工作距离影响的适当图像比例，以及出色的灵敏度和信噪比 (63 dB)，因此适用于此工作站，也适用于 5 号工作站。相机提供以下可选接口：FireWire、Camera Link 和千兆以太网。Polydec 应用中的所有相机均使用 400-Mbit/s IEEE 1394a FireWire 接口，该接口提供从相机到每个关联 PC 中支持 DirectX9 的显卡的链路。

负责检测微型轴旋转对称的 5 号工作站同样使用 PS 4-285 FW 相机，但采用的是远心光源和远心镜头的成对配置。两台相机大约成 45° 角放置在微型轴的上方相对两侧。在 5 号工作站使用一对相机的好处是系统不必在检测期间对微型轴进行实际旋转，即可识别是否存在任何弯曲形变。此工作站必须使用远心镜头和光源，以便避免视差造成的透视失真。

最后一个图像处理工作站，即 3 号工作站，使用一对 Kappa PS 4-274 FW 相机，选择这款相机是因为其具有不受工作距离影响的高分辨率。这对相机的任务是测量微型轴的长度、直径和轴端倒角的角度。这些相机基于索尼 ICX274AL CCD 芯片，这是一款 1-1/8 英寸逐行扫描行间转移装置，采用 4.4 × 4.4 µm 方形像素，1688 × 1248 像素格式。其动态范围为 56 dB，灵敏度为 0.05 lux，曝光时间为 100 ms。

3 号工作站的相机安装在平行于微型轴的水平面上，位于微型轴的相对两侧，配备远心透镜，并利用远心光源防止视差导致误读。子系统中还包含一对反射镜。由于空间限制，相机不能垂直于微型轴安装来提供直接光路，因此加装这对反射镜以便将零件图像重定向到相机视场中，以便测量直径和倒角，同时对图像进行光学会聚以便测量微型轴长度。

工作站光源

不同的工作站使用不同类型的光源：3 号和 5 号工作站均采用远心光源从下方照明，这足以检测长度和直径等参数。工作站 3 中的双相机/镜面组件使用一盏垂直灯；5 号工作站的 45° 角双相机则使用 45° 角双灯。检查尺寸或对称时，需要白色背景上只有黑色零件图像的轮廓。

由于需要更详细的微型轴视图来检查纹理，因此与其执行的检测任务一样，2 号工作站的光源也更为复杂。对于 2 号工作站，颜色变化对于确定粗糙区域的强度非常重要。这是唯一以像素而非毫米为单位进行测量的工作站。

在此处，被测微型轴由圆形荧光光源照亮，而检测区域由 LED 阵列从下方进行背光照明。背光用于照亮背景并增加对比度。这种布置还可防止来自太阳光和其它潜在光源的寄生光效应。

环形荧光灯必须与微型轴同轴。从下方射出的光线只能显示形状。如果光线直接从上方照射该零件，则不会产生阴影，无法看到和测量显示粗糙区域粗糙度的暗区。因此，光线需要与相机在同一轴上。

环形结构可提供必要的几何形状。Polydec 希望显示粗糙区域的三维外观，因此需要从一定角度照亮零件，但要照亮整个周边。如果有任何一个微型轴未能通过任一工作站的检测，则不会对其执行进一步检测，并会保存检测结果以进行统计分析。4 号和 6 号工作站空置。

图像分析

完成所有检测后，7 号和 8 号工作站上的小型柱塞启动，解除真空保持，迫使微型轴进入包含（工作站 7）和不包含（工作站 8）合格组的零件收集容器中。每个工作站满载为 5 个微型轴，检测系统同时最多可装载 40 个微型轴。

Polydec 应用在 Kappa Xero 集成图像处理软件的控制下运行，使用 MVTec Software GmbH 的 HALCON 创建。Xero 图像处理库可提供完整性检查、粒子分析、亮度分布、轮廓测量和其他常见检测程序等功能模块。GUI 可显示五个微型轴的表面，以及中间部分消光程度的统计数据和高光端是否存在不合需要的棕色表面（图 3）。

微型轴检测系统中的三个成像工作站执行的图像处理任务有些相同，有些不同（见表）。例如，所有工作站都会执行分割和形态学任务，但只有 2 号工作站在其表面分析任务中应用边缘检测和 Blob 分析。3 号和 5 号工作站还使用更精确的亚像素边缘检测以及 2D 变换来执行任务：分别为 3 号工作站的长度、直径和倒角以及 5 号工作站的旋转对称。

作者：David Lieberman

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