一種工件缺陷自動檢測系統及方法與流程
2024-03-31 07:22:05
本發明涉及工件缺陷檢測技術領域，特別涉及一種工件缺陷自動檢測系統及方法。
背景技術：
採用面陣工業相機可以直接獲取工件表面數字圖像，進而實現工件表面缺陷檢測，目前，工件表面缺陷已可實現自動檢測。但是，如軸孔類工件，對工件內部缺陷檢測也是工業生產中必不可少的一個環節，然而，由於工件內部數字圖像獲取複雜，目前，工件內部缺陷檢測自動化程度不高。
技術實現要素：
本發明目的是提供一種工件缺陷自動檢測系統及方法，解決現有技術中存在的上述問題。
本發明解決上述技術問題的技術方案如下：
一種工件缺陷自動檢測系統，包括底座，所述底座上垂直設置有線性導軌，所述線性導軌相對所述底座的另一端固定設置有內窺鏡，所述內窺鏡外接工業相機；所述線性導軌上位於所述內窺鏡和所述底座之間的位置設置有運動平臺，所述運動平臺上設置有用於夾持待檢測工件的夾具，所述運動平臺還包括垂直運動控制器和旋轉運動控制器；所述系統還包括總控制器和機械臂，所述總控制器分別與所述工業相機、垂直運動控制器、旋轉運動控制器和機械臂電連接。
本發明的有益效果是：採用內窺鏡採集待檢測工件內部光學圖像，工業相機將採集的光學圖像轉換為數字圖像，並且，根據內窺鏡的物鏡視角大小及待檢測工件內部檢測區域大小，對待檢測工件進行預設次數旋轉圖像採集，實現待檢測工件內部檢測區域全部數字圖像的獲取；基於獲取的數字圖像分析待檢測工件是否存在缺陷，實現待檢測工件內部缺陷自動化檢測。
在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
進一步，所述內窺鏡為硬管內窺鏡；所述工業相機固定在所述硬管內窺鏡上方，通過視頻成像轉接口採集所述硬管內窺鏡的目鏡中的光學圖像。
採用上述進一步方案的有益效果是，硬管內窺鏡成像效果優於光纖內窺鏡，且成本較低，適用於苛刻的工業檢測環境，內部集成柔性導光光纜將照明光傳導到鏡頭頂端，保證檢測區域的照明亮度。
進一步，所述系統還包括鏡頭定位器，所述鏡頭定位器固定設置在所述線性導軌上，用於固定所述硬管內窺鏡的物鏡的位置。
採用上述進一步方案的有益效果是，固定硬管內窺鏡的物鏡，防止物鏡出現位置偏差。
進一步，所述線性導軌上設置有直線光柵尺，所述直線光柵尺與所述總控制器電連接。
採用上述進一步方案的有益效果是，直線光柵尺、總控制器和垂直運動控制器構成閉環位置控制系統，提高待檢測工件在線性導軌上的位置精度。
進一步，所述總控制器包括圖像分析儀和PLC(可編程邏輯控制器)，所述工業相機、圖像分析儀、PLC依次首尾電連接形成迴路，所述直線光柵尺、PLC、垂直運動控制器依次電連接，所述PLC還分別與所述旋轉運動控制器和機械臂電連接。
採用上述進一步方案的有益效果是，PLC功能強，性價比高，硬體配套齊全，用戶使用方便，適應性強。
本發明的另一技術方案如下：
一種工件缺陷自動檢測方法，採用上述系統，所述方法包括如下步驟：
步驟1，總控制器驅動機械臂將待檢測工件安裝於夾具上；
步驟2，總控制器發送垂直運動信號至垂直運動控制器，垂直運動控制器驅動運動平臺垂直運動，使所述待檢測工件位於檢測水平位置；
步驟3，總控制器發送旋轉運動信號至旋轉運動控制器，旋轉運動控制器驅動運動平臺旋轉預設角度，使所述待檢測工件旋轉所述預設角度；
步驟4，總控制器驅動工業相機採集內窺鏡中的光學圖像；工業相機將採集的光學圖像轉換為數字圖像，並將所述數字圖像傳輸至總控制器；
步驟5，總控制器根據所述數字圖像，分析所述待檢測工件是否存在缺陷；
是，則輸出不合格結果，結束所述待檢測工件的檢測；並驅動機械臂取下所述待檢測工件，取新的待檢測工件；返回執行步驟1；
否，則判斷所述待檢測工件是否已旋轉預設次數；是，則輸出合格結果，結束所述待檢測工件的檢測；並驅動機械臂取下所述待檢測工件，取新的待檢測工件；返回執行步驟1；否，則返回執行步驟3。
在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。
進一步，所述線性導軌上設置有直線光柵尺；所述步驟2具體實現包括如下步驟：
步驟a21，總控制器發送垂直運動信號至垂直運動控制器，垂直運動控制器驅動運動平臺垂直運動；
步驟a22，直線光柵尺檢測所述待檢測工件位置坐標，並將所述位置坐標傳輸至總控制器；
步驟a23，總控制器將所述位置坐標與檢測水平位置坐標進行比較，誤差小於預設值，則執行步驟3；反之，返回執行步驟a21。
進一步，所述總控制器包括圖像分析儀和PLC；
所述步驟2進一步具體實現包括如下步驟：
步驟b21，PLC發送垂直運動信號至垂直運動控制器，垂直運動控制器驅動運動平臺垂直運動；
步驟b22，直線光柵尺檢測所述待檢測工件位置坐標，並將所述位置坐標傳輸至PLC；
步驟b23，PLC將所述位置坐標與檢測水平位置坐標進行比較，誤差小於預設值，則執行步驟3；反之，返回執行步驟b21；
所述步驟3具體實現為PLC發送旋轉運動信號至旋轉運動控制器，旋轉運動控制器驅動運動平臺旋轉預設角度，使所述待檢測工件旋轉所述預設角度；
所述步驟4具體實現為PLC驅動工業相機採集內窺鏡中的光學圖像；工業相機將採集的光學圖像轉換為數字圖像，並將所述數字圖像傳輸至圖像分析儀；
所述步驟5具體實現為圖像分析儀接收所述數字圖像，根據所述數字圖像，分析所述待檢測工件是否存在缺陷；
是，則發送不合格信號至PLC；PLC輸出不合格結果，結束所述待檢測工件的檢測，並驅動機械臂取下所述待檢測工件，取新的待檢測工件，返回執行步驟1；
否，則發送合格信號至PLC；PLC判斷所述待檢測工件是否已旋轉預設次數，是，則輸出合格結果，結束所述待檢測工件的檢測，並驅動機械臂取下所述待檢測工件，取新的待檢測工件，返回執行步驟1；否，則返回執行步驟3。
進一步，所述根據所述數字圖像，分析所述待檢測工件是否存在缺陷包括如下步驟：
步驟S1，對所述數字圖像進行亮度不均勻性校正，獲取亮度校正圖像；
步驟S2，對所述亮度校正圖像進行紋理提取，生成二值紋理圖像；
步驟S3，根據所述二值紋理圖像，判斷所述待檢測工件是否存在缺陷。
採用上述進一步方案的有益效果是，對數字圖像進行亮度不均勻性校正，有效弱化圖像亮度不均帶來的不良影響；利用待檢測工件內部數字圖像的紋理特徵，有效的進行缺陷檢測。
進一步，所述步驟S1具體實現為採用頻率域同態濾波操作對所述數字圖像進行亮度不均勻性校正，獲取亮度校正圖像；
所述步驟S2具體實現為採用Sobe l算子計算所述亮度校正圖像的梯度值，對所述梯度值進行閾值處理生成所述亮度校正圖像的二值紋理圖像；
所述步驟S3具體實現為將所述數字圖像中待檢測工件可能存在缺陷的區域製作成掩膜，基於所述掩膜定位所述二值紋理圖像的待檢測區域，並對所述待檢測區域進行滑動缺陷檢測，判斷所述待檢測工件是否存在缺陷。
採用上述進一步方案的有益效果是，採用頻率域同態濾波操作對數字圖像進行亮度不均勻性校正，能夠有效避免處理過程中對圖像信息的損失；Sobe l算子對灰度漸變和噪聲較多的圖像處理較好；基於掩膜定位二值紋理圖像的待檢測區域，並對待檢測區域進行滑動缺陷檢測，只需檢測待檢測區域，對待檢測工件可能存在缺陷的區域在數字圖像中位置較固定的工件缺陷檢測，能夠有效降低數字圖像分析區域，提高工件缺陷檢測速度。
附圖說明
圖1為本發明一種工件缺陷自動檢測系統的機械結構圖；
圖2為本發明一種工件缺陷自動檢測系統的電路原理圖；
圖3為本發明一種工件缺陷自動檢測方法的方法流程圖。
附圖中，各標號所代表的部件列表如下：
1、底座，2、線性導軌，3、內窺鏡，4、工業相機，5、運動平臺，51、夾具，52、垂直運動控制器，53、旋轉運動控制器，6、待檢測工件，7、總控制器，71、圖像分析儀，72、PLC，8、機械臂，9、鏡頭定位器，10、直線光柵尺，11、直角板。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。
如圖1所示，本發明實施例1所述一種工件缺陷自動檢測系統，包括底座1，所述底座1上垂直設置有線性導軌2，為保證所述線性導軌2牢固且垂直的設置在所述底座1上，採用直角板11，且使所述直角板11的一條直角邊與所述線性導軌2的側壁固定連接，另一條直角邊與所述底座1的上表面固定連接；所述線性導軌2相對所述底座1的另一端固定設置有內窺鏡3，所述內窺鏡3外接工業相機4；所述線性導軌2上位於所述內窺鏡3和所述底座1之間的位置設置有運動平臺5，所述運動平臺5上設置有用於夾持待檢測工件6的夾具51，所述運動平臺5還包括垂直運動控制器52(如伺服電機)和旋轉運動控制器53(如步進電機)；所述系統還包括總控制器7和機械臂8，所述總控制器7分別與所述工業相機4、垂直運動控制器52、旋轉運動控制器53和機械臂8電連接。
本發明實施例2所述一種工件缺陷自動檢測系統，在實施例1的基礎上，所述內窺鏡3為硬管內窺鏡，在汽車配件軸孔類零件內部缺陷檢測中，硬管內窺鏡可採用防油防水特性的HSW公司的工業光學硬管內窺鏡，其視角為70度，硬杆直徑為4mm，後置LED(發光二極體)作為照明光源；所述工業相機4固定在所述硬管內窺鏡上方，通過視頻成像轉接口採集所述硬管內窺鏡的目鏡中的光學圖像，工業相機4可採用Basler乙太網接口的彩色CCD相機，其最高幀速率為90fps。
本發明實施例3所述一種工件缺陷自動檢測系統，在實施例2的基礎上，所述系統還包括鏡頭定位器9，所述鏡頭定位器9固定設置在所述線性導軌2上，用於固定所述硬管內窺鏡的物鏡的位置。
本發明實施例4所述一種工件缺陷自動檢測系統，在實施例1至3的任一實施例的基礎上，所述線性導軌2上設置有直線光柵尺10，所述直線光柵尺10與所述總控制器7電連接。
本發明實施例5所述一種工件缺陷自動檢測系統，在實施例4的基礎上，所述總控制器7包括圖像分析儀71和PLC72，所述工業相機4、圖像分析儀71、PLC72依次首尾電連接形成迴路，所述直線光柵尺10、PLC72、垂直運動控制器52依次電連接，所述PLC72還分別與所述旋轉運動控制器53和機械臂8電連接。
本發明實施例6所述一種工件缺陷自動檢測方法，採用實施例1至3任一所述系統，所述方法包括如下步驟：
步驟1，總控制器7驅動機械臂8將待檢測工件6安裝於夾具51上；
步驟2，總控制器7發送垂直運動信號至垂直運動控制器52，垂直運動控制器52驅動運動平臺5垂直運動，使所述待檢測工件6位於檢測水平位置；
步驟3，總控制器7發送旋轉運動信號至旋轉運動控制器53，旋轉運動控制器53驅動運動平臺5旋轉預設角度，使所述待檢測工件6旋轉所述預設角度；
步驟4，總控制器7驅動工業相機4採集內窺鏡3中的光學圖像；工業相機4將採集的光學圖像轉換為數字圖像，並將所述數字圖像傳輸至總控制器7；
步驟5，總控制器7根據所述數字圖像，分析所述待檢測工件6是否存在缺陷；
是，則輸出不合格結果，結束所述待檢測工件6的檢測；並驅動機械臂8取下所述待檢測工件6，取新的待檢測工件6；返回執行步驟1；
否，則判斷所述待檢測工件6是否已旋轉預設次數；是，則輸出合格結果，結束所述待檢測工件6的檢測；並驅動機械臂8取下所述待檢測工件6，取新的待檢測工件6；返回執行步驟1；否，則返回執行步驟3；其中，預設角度結合內窺鏡3的物鏡視角大小進行設置，預設次數結合內窺鏡3的物鏡視角大小及待檢測工件6的檢測區域進行設置，如：內窺鏡3的物鏡視角為70°，待檢測工件6為軸孔內零件，需檢測軸孔內部缺陷，為獲取軸孔內部完整圖像，預設角度和預設次數可分別應設置為60°和6次；獲取6幅數字圖像，只有6幅數字圖像均合格，此待檢測工件6才合格。
本發明實施例7所述一種工件缺陷自動檢測方法，在實施例6的基礎上，所述線性導軌2上設置有直線光柵尺10；所述步驟2具體實現包括如下步驟：
步驟a21，總控制器7發送垂直運動信號至垂直運動控制器52，垂直運動控制器52驅動運動平臺5垂直運動；
步驟a22，直線光柵尺10檢測所述待檢測工件6位置坐標，並將所述位置坐標傳輸至總控制器7；
步驟a23，總控制器7將所述位置坐標與檢測水平位置坐標進行比較，誤差小於預設值，則執行步驟3；反之，返回執行步驟a21。
本發明實施例8所述一種工件缺陷自動檢測方法，在實施例7的基礎上，所述總控制器7包括圖像分析儀71和PLC72；
所述步驟2進一步具體實現包括如下步驟：
步驟b21，PLC72發送垂直運動信號至垂直運動控制器52，垂直運動控制器52驅動運動平臺5垂直運動；
步驟b22，直線光柵尺10檢測所述待檢測工件6位置坐標，並將所述位置坐標傳輸至PLC72；
步驟b23，PLC72將所述位置坐標與檢測水平位置坐標進行比較，誤差小於預設值，則執行步驟3；反之，返回執行步驟b21。
本發明實施例9所述一種工件缺陷自動檢測方法，在實施例6的基礎上，所述總控制器7包括圖像分析儀71和PLC72；
所述步驟3具體實現為PLC72發送旋轉運動信號至旋轉運動控制器53，旋轉運動控制器53驅動運動平臺5旋轉預設角度，使所述待檢測工件6旋轉所述預設角度；
所述步驟4具體實現為PLC72驅動工業相機4採集內窺鏡3中的光學圖像；工業相機4將採集的光學圖像轉換為數字圖像，並將所述數字圖像傳輸至圖像分析儀71；
所述步驟5具體實現為圖像分析儀71接收所述數字圖像，根據所述數字圖像，分析所述待檢測工件6是否存在缺陷；
是，則發送不合格信號至PLC72；PLC72輸出不合格結果，結束所述待檢測工件6的檢測，並驅動機械臂8取下所述待檢測工件6，取新的待檢測工件6，返回執行步驟1；
否，則發送合格信號至PLC72；PLC72判斷所述待檢測工件6是否已旋轉預設次數，是，則輸出合格結果，結束所述待檢測工件6的檢測，並驅動機械臂8取下所述待檢測工件6，取新的待檢測工件6，返回執行步驟1；否，則返回執行步驟3。
本發明實施例10所述一種工件缺陷自動檢測方法，在實施例6至9任一實施例的基礎上，所述根據所述數字圖像，分析所述待檢測工件6是否存在缺陷包括如下步驟：
步驟S1，對所述數字圖像進行亮度不均勻性校正，獲取亮度校正圖像；
步驟S2，對所述亮度校正圖像進行紋理提取，生成二值紋理圖像；
步驟S3，根據所述二值紋理圖像，判斷所述待檢測工件6是否存在缺陷。
本發明實施例11所述一種工件缺陷自動檢測方法，在實施例10的基礎上，
所述步驟S1具體實現為採用頻率域同態濾波操作對所述數字圖像進行亮度不均勻性校正，獲取亮度校正圖像。
根據照明反射模型，所述數字圖像採用如下第一公式表示；
所述第一公式如下：
f(x,y)＝i(x,y)r(x,y)
其中，所述f(x,y)為數字圖像光強度，所述i(x,y)為數字圖像光強度的入射分量，所述r(x,y)為數字圖像光強度的反射分量；
按如下第二公式，採用頻率域同態濾波操作對所述數字圖像進行亮度不均勻性校正，獲取亮度校正圖像；
所述第二公式如下：
s(x,y)＝F-1[H(u,v)I(u,v)]+F-1[H(u,v)R(u,v)]
其中，所述s(x,y)為亮度校正圖像光強度，所述I(u,v)為i(x,y)取自然對數後的傅立葉變換，所述R(u,v)為r(x,y)取自然對數後的傅立葉變換，所述F-1[·]為傅立葉逆變換；
所述H(u,v)為頻率域同態濾波函數，對於通過內窺鏡採集的數字圖像，通常採用二階Butterworth高通濾波函數作為頻率域同態濾波函數，即：
其中，rh為二階Butterworth高通濾波器的高頻增益，rl為Butterworth高通濾波器的低頻增益，C為二階Butterworth高通濾波器的銳化係數，D(u,v)表示頻率(u,v)到二階Butterworth高通濾波器中心頻率(u0,v0)的距離，D0為(u,v)為(0,0)時D(u,v)的值,表示二階Butterworth高通濾波器截止頻率。
本發明實施例12所述一種工件缺陷自動檢測方法，在實施例10或11的基礎上，
所述步驟S2具體實現為採用Sobe l算子計算所述亮度校正圖像的梯度值，對所述梯度值進行閾值處理生成所述亮度校正圖像的二值紋理圖像。
Sobel算子是常用的一階導數的邊緣檢測算子，其通過3×3模板作為核與所述亮度校正圖像的每個像素點做卷積和運算，分別得到所述亮度校正圖像的水平方向梯度值和垂直方向梯度值，將兩個方向的梯度值進行合成，並令所述亮度校正圖像中梯度值大於或等於閾值的區域為白色，梯度值小於閾值的區域為黑色，生成所述亮度校正圖像的二值紋理圖像。
本發明實施例13所述一種工件缺陷自動檢測方法，在實施例10至12任一實施例的基礎上，
所述步驟S3具體實現為將所述數字圖像中待檢測工件6可能存在缺陷的區域製作成掩膜，基於所述掩膜定位所述二值紋理圖像的待檢測區域，並對所述待檢測區域進行滑動缺陷檢測，判斷所述待檢測工件6是否存在缺陷。
對所述待檢測區域進行滑動缺陷檢測具體為：採用固定大小的正方形滑動窗口，分別遍歷待檢測區域和掩膜的每一個像素，獲得待檢測區域和掩膜分別對應的滑動窗口灰度值之和，再根據兩個滑動窗口灰度值之和的大小判斷待檢測區域是否存在缺陷，以實現判斷待檢測工件6是否存在缺陷。
為驗證本發明檢測可靠性，採用本發明對200件汽車配件進行連續自動化內部缺陷檢測，測試結果如下表所示：
汽車配件內部缺陷的自動檢測結果統計
其中，漏檢是指將有缺陷工件錯誤檢測為合格品，誤檢是指將合格工件錯誤檢測為不合格品，檢測結果表明本發明能夠有效解決工件內部缺陷的自動化檢測，系統穩定性高，檢測結果可靠性強。
本發明實現工件內部缺陷自動化檢測，適用於工件內部塗抹不均勻和工件內部裂紋等工件內部缺陷檢測；且，不將內窺鏡深入工件內部，而是直接對於工件表面，亦可實現工件表面缺陷自動化檢測。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。