基于圖像識別的零件缺陷在線檢測系統(tǒng)

零件缺陷的檢測是企業(yè)在實際生產(chǎn)過程中的一個必不可少的環(huán)節(jié)。目前，我國大部分的中小型生產(chǎn)廠家都還采用人工篩選的方法來保證產(chǎn)品的質(zhì)量，一方面，人工測量降低了檢測的效率和正確率，人工篩選一般采用肉眼觀察的方法，隨著時間工作的推移，失誤率逐漸提高，識別速度也會越來越慢 ；另外一方面，國內(nèi)的人力人本在不斷提高，企業(yè)考慮到成本不可能對每個零件都進行測量，一般只在同一批次中進行抽樣檢測，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，基于視覺的尺寸檢測技術(shù)得到了快速的發(fā)展，在機械和電子等眾多行業(yè)中，已逐步取代人工故障檢測的方法。 在這種形勢下，開發(fā)一種能夠在線精確檢測零件尺寸，并根據(jù)檢測結(jié)果，對不合格產(chǎn)品進行篩選的系統(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)硬件平臺的設計是在充分考慮系統(tǒng)功能和視覺檢測對環(huán)境需求的基礎上完成的，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。整個系統(tǒng)由遮光罩、openMV 相機模塊、無畸變鏡頭、光源、stm32 單片機系統(tǒng)、伺服電機、迪文屏、光電傳感器、舵機等部件所組成。待測零件在經(jīng)過振動分揀裝后被逐個運送傳送帶上，經(jīng)過openMV 攝像頭模塊內(nèi)置的圖形圖像算法的運算后，獲得零件的尺寸信息并輸出給 stm32 單片機，單片機通過控制舵機實現(xiàn)對零件的分揀，并通過光電傳感器感知單個零件檢測完畢。

圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設計

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

圖 2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

電源模塊在設計時需要考慮它的最大功率，由于帶有舵機、光源等外設，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，本設計采用的是美國芯源系統(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 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 和保險絲構(gòu)成前置保護電路，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MP175 內(nèi)部MOS 管處于截止狀態(tài)時， L2 放電為整個系統(tǒng)供電，值得注意的是，在蓄流回路中，二極管反向恢復的速度會直接影響芯片轉(zhuǎn)換效率，為此，需要選擇超快恢復二極管 ；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 設計時， 線路布局也非常的關鍵，需考慮以下幾點 ：（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，反饋的電壓信號的穩(wěn)定性至關重要，為此走線時必須遠離電感等干擾源，且回饋點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 軟件設計

系統(tǒng)軟件由 openMV 中的零件檢測程序及stm32 中的自動控制程序 2 個部分所組成， 其流程如圖 4 所示，基于視覺的缺陷檢測步驟如下 ：抓取圖片，并根據(jù)顏色閾值，查找圖中零件 ；找到零件后，首先對其進行二值化，然后再查找其邊沿 ；利用最小轉(zhuǎn)動慣量法查找零件中心軸， 計算零件內(nèi)中心軸的長度，從而判斷出零件是否合格 ；通過串口發(fā)送零件信息至單片機。stm32 單片機的運行步驟如下：

圖 4 軟件處理流程

系統(tǒng)上電初始化，等待迪文屏啟動按鍵按下，一旦按下，則通知 openMV 進入工作狀態(tài) ；設備處于運行狀態(tài)時，stm32 產(chǎn)生一路 PWM 波，控制伺服電機運行 ；當接收 openMV 發(fā)送的零件是否合格的信息后，stm32 產(chǎn)生相應 PWM 控制舵機將葉片旋轉(zhuǎn)至正確位置 ；當零件通過光電開關后，一次檢測結(jié)束，舵機葉片歸零。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合 openMV 及 stm32 單片機設計了一種基于圖像識別的零件缺陷在線檢測系統(tǒng)，通過檢查零件尺寸是否準確從而實現(xiàn)對不合格產(chǎn)品進行過濾，具有體積小，成本低，自動化程度高的特點，適用于識別精度要求不高的工業(yè)現(xiàn)場。