1、上海交通大学学位论文 iii基于LabVIEW和机器视觉铆钉表面缺陷在线检测系统研究 摘要 现代工业，对工件的质量要求不断提高。抽芯铆钉适用于不便采用普通铆钉（须从两面进行铆接）的铆接场合，广泛用于建筑、汽车、船舶、飞机、机器、电器、家具等产品上。其质量对产品的牢固程度、运动性能、使用寿命等都有至关重要的影响。然而由于生产工艺流程原因，部分铆钉表面会出现缺陷，如裂纹、裂缝等，严重影响产品质量。必须对铆钉质量进行严格检测。 本课题的主要研究内容是研发一种面向铆钉企业应用基于机器视觉的铆钉表面缺陷检测系统。本系统采用costar公司SI-M350工业自动化摄像机、NI公司PCI-1410数据采集卡
2、、自制LED光源、计算机等组建视觉检测系统的硬件平台。 软件处理部分，主要进行了对铆钉表面缺陷视频检测系统在虚拟仪器上实现过程的研究，应用了虚拟仪器和LabVIEW相关知识。充分利用了LabVIEW图形化编程便捷、快速的优点，结合NI IMAQ的强大功能和NI Vision的图像处理函数库，完成了对铆钉表面缺陷图像的采集、预处理、识别、结果输出等功能。实现了和硬件的无缝连接。 经过实践检验，本系统具有稳定、快速、准确的良好特性，满足了工业现场对铆钉表面缺陷检测的要求。 通过图像处理来进行工业检测，将比人工检测提高检测的效率和上海交通大学学位论文 iv检测质量。最终提高企业的效率和竞争力。因此，
3、铆钉表面缺陷视频检测系统的工业应用，有着广阔的市场前景和研究价值。 关键词：机器视觉，虚拟仪器，在线检测，表面缺陷 上海交通大学学位论文 vRESEARCH OF ONLINE RIVETS SURFACE DEFECT DETECTION SYSTEM BASED ON LABVIEW AND MACHINE VISION Modern industries ask for continually increasing demands of the quality of the work piece. Blind rivets with break pull mandrel used to
4、occasions which is inconvenience with ordinary Rivet riveting (riveting from two sides), widely used in construction, automotive, shipbuilding, aircraft, machinery, electrical equipment, furniture and other products. The quality has crucial influence to the strength of the product, sports performanc
5、e, service life, and so on. However, as some reasons in production process, there will be some rivets surface defects, such as cracks and fissures, which have seriously affected the quality of products. So we have to make a stringent inspection of the quality of rivets. The main topic of this resear
6、ch is to develop a Rivet surface defect detection system based on machine vision which is for rivet-oriented enterprise applications. To set up the hardware platform, the system employs costar SI-M350 industrial automation camera, NI PCI-1410 Image acquisition card, and self-made LED light source, i
7、ndustrial computer and so on. About software, mainly on LabVIEW virtual instruments and related knowledge, as well as the realization of rivets surface defect detection system on it. Achieve a seamless connectivity with hardware. 上海交通大学学位论文 viAfter practice, the system is stable, rapid and accurate,
8、 satisfying the industrial scene rivets surface defect detection requirements. Through image processing for industrial inspection, will improve the efficiency and the quality of detection. Ultimately improve business efficiency and competitiveness of the company. Therefore, image processing industri
9、al applications, has broad market prospects and research value. KEY WORDS: machine vision, virtual machines, online testing, surface defects 65上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学
10、位论文作者签名：丁超 日期： 2008-1-25 66上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：丁超 指导教师签名：范征宇 日期：2008-1-25 日期： 2008-1-25 上海交通大学学位论文 1第一章 绪论 1.1 课题
11、研究意义及背景 抽芯铆钉是一类单面铆接用的铆钉，这类铆钉特别适用于不便采用普通铆钉（须从两面进行铆接）的铆接场合，广泛应用于建筑、汽车、船舶、飞机、机器、电器、家具等产品上。在很多工业现代化中，随着高精度、高质量、高强度等要求的不断提高，每一个部件都有着具足轻重的作用。铆钉就是这样，铆钉虽小，却关系着整个设备，甚至整个工程的质量和安全，其质量对产品的牢固程度、运动性能、使用寿命等都有至关重要的影响。 历史上由于铆钉造成地事故不胜枚举。在二十世纪，发生过两起大家所熟知的灾难：泰坦尼克号的沉没和自由女神像的严重损坏。事后泰坦尼克号一直沉睡于海底，而自由女神像在八十年代美国发动全国进行了一次大的整修
12、。两次事故有一个共同点，那就是它们都出于同一原因：铆钉爆断。 造成这种事故的原因是铆钉的表面缺陷。由于生产工艺流程原因，部分铆钉表面会出现缺陷，如裂纹、裂缝等。铆钉是否存在表面缺陷也是检测一个铆钉是否合格的重要标准。因此，必须对铆钉质量，尤其是对裂纹、裂缝，进行严格的检测。 图1-1 铆钉及其表面缺陷 Fig. 1-1 Rivet and its surface defects 目前，在现代的很多企业里面，仍然采用人工视觉检测的方法进行铆钉表面质量上海交通大学学位论文 2的检测。人工检测具有主观性误差，使得检测合格率的可信度较低，因此对产品的质量都有重要影响。人工视觉的检测方式明显已经不能满足
13、高效率、低成本的要求。当今科学技术的飞速发展，面对这样的形势，我们必须认识到人工视觉检测存在着极大不足。图像检测技术在它不受主观性的限制,适用范围广。这些被检测区域可以是表面的锈斑、烧蚀、划伤、磨损等不规则区域，可根据表面特征的不同，用图像处理方法将特定区域提取出来。因此，本文采用机器视觉和图像处理的方法，利用虚拟仪器技术，对铆钉的表面缺陷进行检测。 1.2 机器视觉 人类在生产实践的过程中，面临自身能力的局限性，因而发明创造了许多智能机器，来辅助或代替人类完成任务。智能机器模拟人类的功能，感知外部世界并有效的解决人类不能解决的问题。人类从外部获取的信息中，有80%来自视觉。因此，对智能机器赋
14、予以类似于人类的视觉功能是及其重要的。 在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检查、测量、工件的识别应用，例如汽车零配件的尺寸检查和自动装配的完整性检查，电子装配线的元件自动定位，饮料瓶的包装检查，条码和字符识别等。这类应用的共同特点是连续大批量生产、对外观质量要求很高。通常，这种重复性和智能化的工作只能靠人工检测的方法来完成，这不仅浪费了企业大量的人力物力，还不能保证产品较高的合格率。而当今，随着企业之间竞争的加剧和人们对产品高性价比的不断追求，已经不允许一批产品中哪怕是很少的缺陷存在。更何况在有些场合下，如微光或红外光情况下的检测工作，微小尺寸的快速精确测量，形状匹配，颜色辨识等，用人眼
15、根本无法连续稳定的进行，其他物理传感器也无用武之地。 这时人们考虑将计算机的高速计算功能、可靠性、结果的可重复性与人类视觉的高智能化和抽象能力相结合，由此逐渐形成了机器视觉这门新的学科。 机器视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术1, 2。简单来讲，机器视觉就是指用计算机来实现人的视觉功能，也就是用计算机来实现对客观的三维世界的识别。机器视觉也可以理解为给机器加装上视觉装置，或者是加装有视觉装置的机器。给机器加装视觉装置的目的，是为了使机器具有类似于人类的视觉功能，从而提高机器的自动化和智能化程度3。 上海交通大学学位论文 31.2.1 机器视觉的发展 机器视觉是一个发展速
16、度非常快的新兴研究领域。国外机器视觉发展的大致历程是：人们对机器视觉的研究始于20世纪50年代对二维图像的统计模式识别。60年代Roberts开始对三维机器视觉开始研究。20世纪50年代开始研究对二维图像的统计模式识别，提出了机器视觉的概念；60年代Roberts开始对三维机器视觉开始研究；70年代中，M IT人工智能实验(MIT AI)室正式开设“机器视觉”课程，并吸引国际上许多知名学者进行机器视觉的深入研究，David Marr在此期间提出了视觉研究中迄今为止最完善的视觉理论；80年代，全球掀起了机器视觉的研究热潮，机器视觉因此得到了蓬勃的发展，直至今天，机器视觉仍然是非常活跃的研究领域。
17、 在机器视觉的发展历程中，有三个明显的标志：一是机器视觉最先应用于机器人的研制，然后在此基础上才发展起来；二是20世纪70年代CCD图像传感器的出现，CCD摄像机替代硅靶摄像是机器视觉发展史上的一个重要转折点；三是20世纪80年代CPU、DSP等高速处理硬件技术的飞速进步，为机器视觉飞速发展提供了基础条件。 我国机器视觉发展起步较晚，真正起步是20世纪80年代，20世纪90年代进入发展期，加速发展则是近几年的事情。中国已经成为全球的加工中心，许多国际先进水平的机器视觉生产线已迁移至中国，日益增多的市场需求也将国际机器视觉企业吸引而至，国内的机器视觉企业也在与国际机器视觉企业的学习和竞争中不断成
18、长。中国正在成为世界机器视觉发展最活跃的地区之一9。 不过，机器视觉仍处于十分不成熟的阶段，其发展仍落后于人们所期望的发展水平。图像的多义性、环境因素的影响、知识导引和大量要处理的数据都是机器视觉研究中面临的难题。为解决这些问题，研究人员不断寻求新的途径和手段，如主动视觉、面向任务的视觉、基于模型和知识的视觉，以及多传感器信息融合集成视觉等方法，这些方法为机器视觉的进一步发展奠定了基础。 1.2.2 机器视觉系统构成 机器视觉主要由三个部分组成：图像获取、图像分析和处理、输出显示或控制，如图1-2所示3。 上海交通大学学位论文 4图像增强二值化图像分割图像识别图像分析处理摄像机压缩变换传输图像
19、采集图像获取打印机显示器控制指令执行部件输出或显示图1-2 机器视觉系统模块构成 Fig. 1-2 Structure of machine vision system modules 图像获取，是机器视觉的基础，就是将被测物体的可视化图像和内在特征转换成能被计算机处理的一系列数据。场景中设置的摄像机提供了一维的或二维的图像信息，调制后提供给图像采集装置，在计算机中形成为数字图像信息或数据。 图像分析和处理，包括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征提取、图像识别和理解等内容。其目的是按照机器视觉最终的功能要求，对采集到的图像进行分析处理，这是机器视觉系统的核心。 输出显示或控制
20、，即对距离、尺寸、形状、姿态、颜色、速度等进行判别后，得到图像处理与分析的结果，据此进行显示，并输出信号，以驱动相应执行机构，实现机器视觉系统的功能，这是机器视觉的根本目标。 1.2.3 机器视觉系统应用 机器视觉系统的应用，一般根据以上三个环节进行设计。典型的机器视觉系统应用框图如图1-3所示4。将光源打在被检测物体的合适部位，通过镜头，用摄像头摄取待检测目标的图像，经过图像采集卡，转变为数字图像传入计算机；然后计算机根据一定的图像处理算法，对数字图像进行分析处理；最后将图像处理的结果进行显示，或经过输入/输出装置来控制执行机构。 上海交通大学学位论文 5摄像机图像采集卡计算机输入/ 输出控
21、制机构光源显示检测目标镜头图1-3 典型机器视觉系统应用框图 Fig. 1-3Typical machine vision system applications diagram 与传统的传感与控制相比较，机器视觉有着明显的优势：获取的信息量大且细致，可以适用于危险的工作环境，可以达到人工视觉无法涉及的场合，可以获得人工视觉无法获取的信息，可以有效降低劳动强度，提高生产率等。正是基于这些优势，机器视觉的应用已经越来越广泛，几乎涉及到工业、军事、民用和科学研究等领域的各个方面。 工业领域是机器视觉应用中比重最大的领域，主要可以分为四个方面：产品质量检测，产品分类，产品包装和机器人定位。军事领域包
22、括航天、航空、敌我目标识别、跟踪及测绘等方面。民用领域有智能交通、安全防范、文字识别和身份验证等。科学研究领域包括材料分析、生物分析、化学分析和生命科学等方面。 机器视觉是图像技术、模式识别技术，以及计算机技术发展的新的产物，是实现智能化、自动化、信息化的先进技术领域。机器视觉的应用，大大提高了装备的智能化、使用效率、可靠性等性能。随着新技术、新理论在机器视觉系统中的应用，机器视觉将在国民经济的各个领域发挥更大的作用。 1.3 本文研究内容 开发基于视觉技术的轴承铆钉表面检测系统，能够检测铆钉由于机械加工及搬运过程造成的表面缺陷，满足工业生产和科学研究的实际需要，提高我国的检测技术水平及产品的
23、国际竞争力。针对铆钉厂家现存工件检测中的问题，拟研制出非接触视觉检测系统。系统包括图像采集模块、图像处理模块、识别与执行模块、流水线实时控制模块、系统集成软件。 上海交通大学学位论文 6具体研制内容如下： 1流水线控制开发：开发出适于铆钉厂的铆钉检测的流水线及其基于小型化PLC设备的控制系统。 2图像采集模块开发：开发出铆钉图像实时采集系统。开发出普通精度的USB工业摄像头捕捉程序，以适用于不同要求的工作现场和等级。 3图像处理模块开发：开发出具有去噪、锐化、分割等功能的处理模块。针对铆钉表面的特殊性，研制出特定恶劣工作环境下的铆钉表面缺陷的预处理程序。 4识别与执行模块开发：开发出通过采集标
24、准图样制成的模板，匹配识别模块及执行机构。面对铆钉表面缺陷的极其复杂型，按照国家检测标准，制定识别模块及同步的执行模块。 1.4 技术要求及难点 1.4.1 技术总体要求 1实时性：系统应该能实时显示所拍摄的铆钉图像，并同时对所拍摄的图像进行处理，实时计算出所检测铆钉是否存在表面缺陷，并对具有表面缺陷的铆钉实时地进行剔除。被检测的铆钉需要不断的被拍摄、识别、剔除，整个过程不应有停滞。 2快速性：应企业方面的要求，铆钉的转盘工作台最高速度为每分钟3000个，这就要求系统能够快速地进行响应，包括传感器感知铆钉，摄像机采集图像，计算机图像处理以及执行部件的剔除操作。 3稳定性：因为生产现场干扰众多，
25、都会对摄取的图像信号产生干扰作用，影响检测结果，因此必须设计出稳定性强的抗干扰措施。因为整个铆钉生产线是一个连续的流程，只有表面缺陷检测正常无误，才不至于影响其他部门的生产检测。如果确实存在无法排解的客观故障，则及时进行报警。 4准确性：应该综合系统硬件和软件等各方面因素，尽量提高系统的检测效率。使得到的结果具有较低的误识别率和拒识别率，一般要求低于5%。 其实，上述四方面要求是有相互关联的：系统实时性提高了，准确性就会上海交通大学学位论文 7相应地提高；稳定性增强了，但与此同时图像处理算法可能会消耗更多的时间，系统的实时性和快速性就会减弱。因此，设计系统时应同时兼顾这四个方面的要求，综合进行
26、考虑。 1.4.2 技术难点 本文所研究系统设计的难点主要可以归纳为以下几条： 1运转速度快：铆钉的运动速度在每分钟120个到每分钟3000个之间，这就要求检测速度非常快。这样，留给每个铆钉的时间就非常短，在这个非常短的时间里边，我们要完成图像的触发采集，实时处理和剔除操作，难度比较大。 2铆钉为圆形：若判定某个铆钉是否有表面缺陷，必须对其圆周同时进行检测，这就需要多个摄像机。如何协调这三个摄像机的工作也是本系统设计的难点。 3干扰众多：生产现场的干扰主要包括时钟信号产生的高频干扰，电源产生的低频干扰，还有广播干扰等，都是会影响视频信号采集和传输的强干扰。这些干扰会影响到图像的采集和传输环节，
27、造成误采集甚至不采集。 4软硬件结合问题：本系统采用的是虚拟仪器LabVIEW作为图像处理和辨识的软件平台，因此需要很好的将LabVIEW软件平台和硬件平台结合起来发挥作用。 本课题来源于慈溪市重点攻关项目：铆钉缺陷视觉检测系统。 上海交通大学学位论文 82 第二章 铆钉缺陷视觉检测系统设计 软件方面，本系统采用NI公司的LabVIEW和NI vision作为开发环境，充分利用虚拟仪器在图像采集处理方面的优势。硬件方面，本系统采用costar公司SI-M350工业自动化相机、光电传感器、NI公司PCI-1410数据采集卡、自制LED光源、转台、计算机等组建视觉检测系统的硬件平台。 2.1 缺陷
28、形式及检测要求 2.1.1 机械性能等级 抽芯铆钉的机械性能等级由二位数字组成，表示不同的钉体与钉芯材料组合或机械性能。同一机械性能等级、不同的抽芯铆钉型式，其机械性能不同。铆钉机械性能等级如图2-1所示5。 图2-1 铆钉机械性能等级 Fig. 2-2Rivet mechanical performance levels 上海交通大学学位论文 92.1.2 铆钉的表面缺陷形式及形成原因 实验统计表明：在铆钉的失效形式中，由于铆钉表面的裂缝、凹陷等缺陷而引起的失效占到大多数。铆钉的表面缺陷主要有以下几种形式6。 1裂缝 裂缝是一种清晰(结晶体)的沿金属晶粒边界或横穿晶粒的断裂，并可能含有外来元
29、素的夹杂物。裂缝通常是金属在锻造或其他成型工序或热处理的过程中，由于受过高的应力而造成的，也可能在原材料中即存在裂缝。当工件被再次加热时，通常由于氧化皮的剥落而使裂缝变色。 裂缝包括淬火裂缝和锻造裂缝。在热处理过程中，由于过高的热应力和应变，都可能产生淬火裂缝，淬火裂缝通常是不规则相交、无规律方向的呈现在铆钉表面。锻造裂缝可能在切料或锻造上序中产生，并位于铆钉的头部，以及凹穴头部隆起部分。 2原材料的裂纹或条痕 原材料的裂纹或条痕通常是沿螺纹、光杆或头部纵向延伸的一条细直线或光滑曲线的缺陷，是制造紧固件的原材料中固有的缺陷。 3凹痕 凹痕是在锻造或墩锻过程中，由于金属未填满而呈现在铆钉表面上的
30、浅坑或凹痕。形成原因是由切屑或剪切毛刺或原材料的锈层造成的痕迹或压印，并在锻造或墩锻工序中未能消除。 4皱纹 皱纹是在锻造过程中，呈现在紧固件表面的金属折叠。形成原因是在墩锻的一次冲击过程中，由于体积不足和形状不一造成材料的位移而产生的。 上述的各种缺陷在加工过程都可能出现。实验证明，位于铆钉冒上距离顶部较近的横纹裂缝、条痕、凹痕和皱纹最易导致断裂失效。因此，本系统针主要对这个位置的缺陷进行检测。图2-2即为本系统所检测的一种距离铆钉冒顶部较近的横纹裂缝形式的表面缺陷。 上海交通大学学位论文 10图2-2 铆钉表面缺陷 Fig. 2-3 Rivet Surface Defects 2.1.3
31、检测要求 检测的最终目标是：人眼能够辨别和判断的缺陷都可以用机器视觉、图像处理的方法检出。检测的标准由实验样本给出。通过人工检测10000个样本获得人工检测工件的标准。 另外，结合抽芯铆钉国家标准GB/T 3098.19-2004，铆钉试验国家标准GB/T 3098.18-2004/ISO 14589:20007，紧固件表面缺陷国际标准ISO 6157-1;1988。并且充分考虑到铆钉的用户厂家对产品质量的要求之后。我们制定了铆钉表面缺陷的检测标准如下： 1要求检测内容：位于铆钉冒上距离顶部较近的横纹裂缝、条痕、凹痕和皱纹； 2单个铆钉缺陷部分累计长度超过4mm，宽度累计超过1mm或面积累计超
32、过4mm2 时，缺陷应该被检出。 3检测分辨率：0.05mm； 4测量精度：56dB； （6）隔行扫描或逐行扫描； （7）场(Field)和帧(Frame)集成模式； （8）电子或异步快门； （9）外部VD脉冲下长时间曝光 ； （10）为OEM应用提供用户定制Flex trig触发模式范围； （11）TTL电平HD/VD同步输入或输出； （12）曝光允许（EEN）和写允许(WEN)的输出； （13）支持亚像素精度； （14）友好的图像采集界面； （15）可调整的C-mount接口选择。 应本系统要求，被拍摄的工件是在不停止运动的情况下进行检测的，所以我上海交通大学学位论文 15们可以充分利用S
33、I-M350的优越性能，包括可调电子快门（调至1/1000s），可控外触发拍摄，可调光圈，可输入/输出行同步/场同步信号等，很好的满足了本系统对于工业相机性能的需求10。 3镜头及其他配置的选择 另外，为了满足近距离拍摄的需求，我们在镜头的选择和配置上做了改进。首先，选择Computar手动光圈、微距镜头。主要性能为：（1）1/2 C 12-120mm F1.8-560C （2）焦距：12-120mm （3）光圈：F1.8-560C （4）尺寸：7079.5123.5mm 。 为了进一步满足近距离拍摄的需要，还在Computar镜头和Costar工业相机之间的连接处，加上了近摄接圈，使得相机焦
34、距可以调节到12cm的距离。 4图像采集系统整体配置图 相机整体配置如图2-7所示，包括镜头、接圈和工业相机等。 图2-7 相机系统图 Fig. 2-7 Camera system 2.2.2 光源的选择 光源是机器视觉系统中非常重要的组成部分。机器视觉系统不能只是局限于实验室的实验环境，而要走出实验室真正应用到工业生产中。这就意味着机器视觉系统应该在不断变化的环境光和其他工业条件下，对不同的材料、不同Computar镜头 接圈Costar工业相机上海交通大学学位论文 16的机器都可以摄取到高质量的图像。因此，选择或设计一合适的、能够克服各种变化因素的光源对机器视觉系统的适应性与稳定性就非常重
35、要。 光源的选择或设计通常与以下几个要素有关： 1 机器视觉系统的视野 被摄物体图像处理区域的大小决定相机取景的范围，根据取景区的大小选择合适的光源。 2 光源与目标的距离 开发过程中，开发人员通常要了解相机与被摄物体的距离以及光源到被摄物体的距离； 3 被摄物体的形状、条件、颜色 被摄物体表面的形状和条件决定使用何种光源，例如，光滑表面、凹凸不平表面、镜面等。被摄物体本身或被检测区域的颜色决定使用光源的颜色。 4 成像的内容 被检测物体成像的内容也影响光源的选择，如:显示物体的缺陷、读取物体表面的文字等。 为了得到重复性好的图像分析结果，必须为图像区域提供稳定的均匀的照明。但是工业生产的条件
36、千差万别，不可能找到一个通用的光源为各种工业应用提供解决方案。为此人们对以往机器视觉系统所用光源的特点进行总结，制造了可为人部分视觉系统所用的一系列光源11。如荧光灯光源、丝状光源、LED光源及光纤光源等。这些光源的特点归纳如下： 1荧光灯光源 荧光灯光源适用于大面积照明，高达30KHz的开关频率消除了闪烁和光 强的波动，并提高了寿命。如果有柔光板配合，就可得到非常均匀的照明。 2丝状光源(卤素灯) 丝状光源适用于小范围的强光照射。它产生定角度的光，并可以通过光 学反射和透射系统进一步增强聚焦。但是，必须考虑突出部分的阴影和在光滑平面的所有反射造成的影响。 3光纤光源 光纤光导可在小面积内提供
37、均匀照明，特点是高照度和角度可变。使用冷光上海交通大学学位论文 17源，卤素光通过光纤束来传导。在相当短暂的快门动作时间内，如果需要光源提供光照度，以获得丰富的饱和度时，选用工业闪光灯是很好的解决方案。闪烁的时刻由视觉系统的触发并保持同步，光强可由电位器来调整。实际的照明还是山光导产生。 4LED光源 LED（Lighy Emitting Diode），又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光12。 LED光源的照度不如前几种光源，它常用一于定角度照明或背光照明。发 射光的光谱位于红光或近红外光。它
38、具有以下几个方面的优点： （1）形状多：一个LED光源由多个LED组成，因而可做成不同的尺寸； （2）寿命长：LED光源持续工作30000小时后，亮度开始衰减，但比其它类型的光源寿命长近10倍。用闪光系统使其间断工作，可抑制其发热，使寿命延长一倍以上； （3）响应快：LED发光时间很短，这意味着视觉系统可保证多个光源之间或 一个光源的不同模式之间快速切换； （4）颜色多； （5）功耗低。 对于机器视觉系统来说，通常需要从诸多种类的光源中选择最佳的一种，当然有时还需要自行设计或通过厂商定制专用光源。在上述几种光源中，我们选择了LED作为本系统的发光光源，自行设计的光源如图2-8所示。 图2-8光
39、源设计图 Fig. 2-8 Lamp-house design 上海交通大学学位论文 18另外，经过对需要检测的工件表面进行观察，发现被测工件表面为圆柱形，材料为金属铝，反光性能较强，出现裂痕的部位往往出现深浅不一的凹槽13。因此本系统采用了圆环形的LED光源。另外为了方便散热，还为光源设计了散热风扇和散热孔。 光源的照射角度如图2-9所示所示。 图2-9 光源照射示意图 Fig. 2-9 Lamp-house irradiation 可见，如果工件表面没有缺陷，由于工件光滑金属表面的镜面反射，大部分光线不会进入相机，只有少量的散射光会被相机捕捉。如果工件表面有缺陷，则缺陷的部位反射的光线就会
40、进入相机。因此，缺陷工件的表面，缺陷部位会比其他正常部位亮度更高。 2.2.3 图像采集卡的选择 本系统选用的是美国NI公司生产的PCI-1410图像采集卡，NI公司为图像采集卡提供了配套的驱动模块，用户调用驱动模块就可以实现对图像采集卡的操作。图2-10是PCI-1410图像采集卡外观图。 上海交通大学学位论文 19图2-10 PCI-1410图像采集卡 Fig. 2-10 PCI-1410 image acquisition card NI公司的PCI-1410是一款高性能的单色四信道的图像采集卡，支持非标准模拟相机，可采集非标准图像14。关于PCI-1410的具体参数请参考IMAQ PC
41、I-1410 User Manual。 2.2.4 传感器的选择 因为要在工件经过的同时进行拍摄，即工件触发传感器工作产生一个信号，此信号立即触发工业相机进行拍摄，以保证检测的实时性。选择的传感器必须是灵敏度高、反应速度快、稳定性好。本系统选择光电传感器作为感应设备。 光电传感器一般至少有9种以上传感模式，使用两个光源，有三种封装尺寸，5种以上的检测范围，并可以使用各种安装方式、输出与工作电压的组合。因此有种类繁多的传感器，使人难以选择。光电传感器主要参数包括：尺寸、传感模式、传感范围、安装方式、输出、工作模式、工作电压、光源、连接方式、封装材料等。在选择传感器的过程中主要考虑的两个方面是：首
42、先需要考虑检测对象；其次是传感器的工作环境。 本系统采用的是Keyence-基恩士高灵敏度光电传感器。这是一款双值数字显示光纤传感器,可确保在工作状态下轻松调整光轴以及进行持续稳定的检测。为了检测的准确性，我们另光纤的发射端和接收端分别位于工件路径的两边，传感上海交通大学学位论文 20器模式设为dark模式（即光线被挡住时触发）。传感器及其安装方式图片如图2-11所示。 图2-11 传感器及其安装方式 Fig. 2-11 Sensor and its installation 2.2.5 自制接线盒 接线盒的作用有两个： 1将相机、传感器、图像采集卡之间的接线汇集在接线盒上，方便拆卸和查找问题
43、。 2转换传感器信号。由于传感器的触发信号并非工业相机所需的TTL触发信号，因此，在接线盒内，使传感器信号通过单稳态触发器产生与相机触发信号一致的TTL触发电平。并且由一个与门电路将多个触发信号组合成相机最终需要的触发信号。 图2-12和2-13为自制接线盒的外观和内部接线图。 图2-12接线盒外部 图2-13 接线盒内部 Fig. 2-12 Junction box outside Fig. 2-13 Junction box inside 上海交通大学学位论文 212.2.6 其他硬件设备 1 工业计算机 本系统选用一款工业计算机，配置为：CPU P43.0GHZ；内存512M；独立显卡（
44、显存128M）；硬盘容量80G。这样的配置完全可以满足系统对图像处理方面的需求，并有一定的升级空间。 2 转台 由车床加工的圆形金属平台。一周可以放置12个待检测工件转动速度可调节。 3 接线盒 图像采集卡的配套接线盒为IMAQ-6822，如图2-14所示。 图2-14 IMAQ-6822 Fig. 2-14 IMAQ-6822 2.3 软件系统构成 2.3.1 软件平台的开发包选择 上海交通大学学位论文 22在机器视觉领域，NI提供了自动检测视觉生成器NI Vision Builder AI和Vision Assistant软件辅助图像处理。在它们交互式菜单驱动的环境下，用户无需编程，即可简
45、便的进行机器视觉应用开发。此外，Vision Builder和Assistant还可以自动生成LabVIEW或者C代码，这在很大程度上简化了编程的工作，同时也为开发平台的扩展提供了可能15。 NI视觉开发模块包括NI Vision Assistant供需要不通过编程就实现将LabVIEW应用快速成型的直观环境；以及IMAQ视觉-拥有强大视觉处理函数的库。与其它视觉产品不同，NI Vision Assistant和IMAQ视觉的紧密协同工作简化了视觉软件的开发。NI Vision Assistant可自动生成LabVIEW程序框图，该程序框图中包含NI Vision Assistant建模时一系
46、列操作的相同功能。我们可以很方便的将程序框图集成到自动化或生产测试应用中，用于运动控制、仪器控制和数据采集等。此环境具有以下几个功能特点16： （1）高级机器视觉、图像处理功能以及显示工具； （2）高速模式匹配可以定位大小方向各异的多种对象，甚至在光线不佳时也可实现； （3）用于计算82个参数的颗粒分析(Blob analysis)，包括对象的面积、周长和位置； （4）用于纠正透镜变形和相机视角的图像校准功能； （5）灰度、彩色和二进制图像处理及分析； 总而言之，NI Vision 8.0开发模块是一图像软件包，此开发模块将模式匹配的精确度提高了10倍17。这一新版本的模块同时还通过提高图像学
47、习速度，更小的模板尺寸以及两倍以上的搜索速度，使得模式匹配有了更高的性能。以非破坏性覆盖保持图像完整性和用分析几何工具进行测量。NI图像开发模块包括IMAQ Vision Builder和IMAQ Vision，两者共同简化图像软件的开发工作。IMAQ Vision Builder是一个交互式环境，用户只要深入了解编程即可快速为图像应用解决方案设计程序原型，进行实验仿真并可以调整实验方案，直至最终达到实现某个局部功能的子VI，供人应用时参考。它已成为视觉工程师的有力辅助工具18-22。IMAQ Vision8.0是一个含有400多种机器视觉和科学图像处理的函数库。用于创建完整的测量和自动化解决
48、方案且方便使用是NI IMAQ系列产品一大特上海交通大学学位论文 23点。 本系统主要是利用IMAQ Vision8.0的强大功能。 2.3.2 NI Vision assistant 8.0 NI Vision assistant 8.0 是一款非常方便用户使用的图像处理软件，包含了很多已有的图像处理成熟算法。注册后的版本可以将算法生成LabVIEW子VI（相当于子函数）或者C源代码23。因此，大大节省了开发时间，并且具有很好的兼容性。NI Vision assistant 8.0的界面如图2-15所示。 图2-15 NI Vision assistant 8.0用户界面 Fig. 2-15
49、 NI Vision assistant 8.0 user interface 2.3.3 系统的软件设计和模块组成 本课题中的软件部分充分利用LabVIEW8.0强大的图形编程能力和Vision assistant 8.0完善的图像处理函数库。系统软件功能包括：图像采集、图像平滑、图像增强、图像边缘锐化、图像二值化、图像分割、边缘提取、图像识别、结果判断等。图像处理的模块构成如图2-16所示。 上海交通大学学位论文 24图2-16 软件结构图 Fig. 2-16 Software structure 2.4 本章小结 本章主要介绍了缺陷形式及检测要求，系统的硬件组成和软件组成方法。在充分考虑了铆钉用户厂家的要求和相关国家标准后，结合本课题，拟定了铆钉缺陷在线检测的相关标准和指标。成功搭建了从光源、工业相机到图像采集卡和工业计算机的一整套硬件平台。并且，采用LabVIEW8.0和NI vision作为系统软件处理的基础。 提取边缘
