裝置視覺檢測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

摘" 要：隨著電力行業(yè)二次機箱裝置產(chǎn)品的裝配精度越來越高，對機箱裝置生產(chǎn)裝配過程的檢測要求也越來越高。加強機箱裝置裝配過程的質(zhì)量管控，優(yōu)化人工檢測成本，該文設(shè)計一種機箱裝置檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含輔助計算機設(shè)備、圖像采集單元、光學(xué)鏡頭、CCD攝像機和LED燈等模塊。系統(tǒng)各功能模塊和生產(chǎn)數(shù)據(jù)平臺之間具有通信連接，通過AOI（自動光學(xué)檢測系統(tǒng)）檢測算法，進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和分析，實現(xiàn)機箱裝置產(chǎn)品的裝配檢測過程的自動化。檢測內(nèi)容包括字符絲印內(nèi)容、裝置二維碼類型位置、按鍵安裝位置和導(dǎo)軌數(shù)量等特征。該檢測系統(tǒng)的應(yīng)用使得裝配過程無須安排人工重復(fù)檢測，實現(xiàn)機箱裝置產(chǎn)品的自動化、批量化檢測，提高產(chǎn)品的檢測效率和準確性，大大降低人工檢測的工時成本，起到降本增效的目的。

關(guān)鍵詞：視覺檢測；視覺對比；AOI檢測算法；質(zhì)量管控；降本增效

中圖分類號：TP391" " " 文獻標志碼：A" " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0136-05

Abstract： As the assembly accuracy of secondary chassis device products in the power industry becomes higher and higher， the testing requirements for the production and assembly process of chassis devices are becoming higher and higher. In order to strengthen the quality control of the chassis device assembly process and optimize the cost of manual inspection， the author designed a chassis device inspection system， which includes auxiliary computer equipment， image acquisition unit， optical lens， CCD camera， LED light and other modules. There is a communication connection between each functional module of the system and the production data platform. Through the AOI（Automatic Optical Inspection System） inspection algorithm， real-time transmission and analysis of production data are carried out to realize the automation of the assembly and inspection process of chassis device products. The testing content includes character screen printing content， device QR code type location， button installation location， number of guide rails and other characteristics. The application of the testing system eliminates the need to arrange manual repeated testing during the assembly process， realizes automated and batch testing of chassis device products， improves product testing efficiency and accuracy， greatly reduces the man-hour cost of manual testing， and reduces costs while increasing efficiency.

Keywords： visual inspection; visual contrast; AOI detection algorithm; quality control; cost reduction and efficiency improvement

常州博瑞電力自動化設(shè)備有限公司（以下簡稱“我司”）二次電力控保裝置產(chǎn)品需求量大且逐年增長，裝配過程人工重復(fù)工作強度大，占用人員多，自檢速度慢，導(dǎo)致產(chǎn)品整體出貨效率低。本文筆者通過引進裝置視覺檢測系統(tǒng)來減少人工工時和數(shù)量，提高檢測周轉(zhuǎn)效率，進而提高裝置產(chǎn)品的整體出貨率。

目前視覺檢測已經(jīng)走向成熟，隨著圖像處理、光學(xué)成像、傳感器和處理器等技術(shù)的快速崛起與發(fā)展，視覺檢測在人們生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來越廣泛，從工業(yè)生產(chǎn)到安防以及交通領(lǐng)域，其正在推動包括制造業(yè)在內(nèi)的眾多行業(yè)快速轉(zhuǎn)型。全球“工業(yè)4.0”和自動化需求背景下，兼具精準高效特點的機器視覺目前正受到制造業(yè)的關(guān)注與追捧。

1" 機箱裝置視覺檢測系統(tǒng)需求背景

我司裝置產(chǎn)品目前生產(chǎn)現(xiàn)狀：①裝置產(chǎn)品年均生產(chǎn)訂單需求逐年增加，產(chǎn)品本身數(shù)量大種類多，每臺裝置產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)需要大量的人工自檢工作；②不同裝置導(dǎo)軌裝配位置要求不同，板卡裝配過程中人工自檢難度大，效率低。急需引入智能化視覺檢測系統(tǒng)，集CCD視覺檢測識別、智能周轉(zhuǎn)、報警顯示等功能于一體，用來替代人工裝配檢測的作業(yè)模式。

2" 裝置視覺檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

檢測系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)采用型材搭建的方式，主要結(jié)構(gòu)組成包括：三色燈、顯示器、相機移動組件、產(chǎn)品工裝載板、電源模塊、UPS模塊和工控機等。配備單面透明玻璃門，從外側(cè)可視化觀察到內(nèi)部對產(chǎn)品檢測狀況（因視覺光源檢測要求可視化，所以采用茶色亞克力板，同時可以降低外部光源對內(nèi)部視覺檢測的干擾）。工作臺兩側(cè)配置2臺視覺相機和可以左右移動的視覺檢測系統(tǒng)，對待測產(chǎn)品的不同部位特征進行自動化的視覺掃描，從而大大減少檢測人員的投入數(shù)量，系統(tǒng)整體形式如圖1所示。

相機模組由前后面板相機、平板光源、移動導(dǎo)軌組件等組成，如圖2所示。前面板和后面板各配置2個相機移動組件，伺服電機模組控制視覺相機坐標方向移動，實現(xiàn)相機在前后、左右、上下（X、Y、Z坐標）3個方向的位置任意調(diào)節(jié)，輔助相機對不同尺寸產(chǎn)品的取樣信息采集。開孔平板光源固定在相機組件頭部，通過移動導(dǎo)軌來測量不同尺寸的產(chǎn)品。機箱裝置產(chǎn)品通過產(chǎn)品工裝載板平行于導(dǎo)軌進入測量工位。光電感應(yīng)到機箱后傳送帶停止。根據(jù)產(chǎn)品的長度，導(dǎo)軌模組移動若干次拍照后，按照前期預(yù)設(shè)定好的參數(shù)進行指定區(qū)域的檢測。

3" 裝置視覺檢測系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

3.1" AOI檢測算法

為實現(xiàn)對裝置產(chǎn)品特征缺陷的高精度檢測，本文筆者設(shè)計了一種基于AOI檢測技術(shù)的機箱裝置外觀檢測系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，集成計算機設(shè)備、圖像采集卡、光學(xué)鏡頭、CCD攝像機和LED燈多個模塊，通過建立多個模塊之間的通信連接，實現(xiàn)對裝置產(chǎn)品外觀特征的實時掃描與數(shù)據(jù)分析。

該系統(tǒng)運用視覺相機掃描提取樣本特征，形成二維圖像，將其存儲在圖像特征庫中作為標準樣板。通過對裝置產(chǎn)品的圖像抓拍、圖像處理和特征比對，精準提煉出檢測圖樣和樣本區(qū)別，從而識別分析具體缺陷情況并輸出檢測結(jié)果。

AOI檢測算法具體流程：按照指定位置擺放產(chǎn)品→光電觸發(fā)后傳送帶停止→模組移動帶動CCD相機進行分段拍照→檢測配方中規(guī)定的檢測內(nèi)容→結(jié)果分析→結(jié)果信號輸出。傳送模塊設(shè)計與現(xiàn)場倉庫料臺同寬同高，方便料臺與檢測系統(tǒng)之間的對接流轉(zhuǎn)。傳送帶通過移動工裝載具將裝置產(chǎn)品輸送至光電觸發(fā)位置后，伺服電機模組驅(qū)動相機組件在3坐標方向分段移動拍照，拍照圖片與系統(tǒng)存檔的產(chǎn)品標準樣板對比，檢測結(jié)束后警示燈依據(jù)檢測結(jié)果進行提示。

AOI檢測算法特點在于通過靶標快速定位、裁剪作為一個預(yù)處理方式，減小了后續(xù)圖像處理的圖像大小，保證了AOI檢測的輸入一致性。將CCD相機掃描到的特征圖形裁剪成單個獨立圖案，同時使用多線程同步檢測來提高系統(tǒng)檢測分析的效率。

3.2" CCD相機布局設(shè)計

產(chǎn)品放置在工裝載板上的定位基點，距離攝像頭的基礎(chǔ)拍攝距離為190 mm，為了保證每次拍攝點位的準確定位，光源及相機支架設(shè)置為±30 mm可調(diào)節(jié)形式，便于調(diào)節(jié)最佳圖像效果。光源角度和產(chǎn)品成45°布局放置，保證產(chǎn)品外觀面可以清晰成像，因為產(chǎn)品外觀金屬漆面反光的原因，光源架的光源角度和距離設(shè)置可調(diào)。CCD相機的參數(shù)選擇：視野（X）80 mm，快門速度1/500 s，工件背景均一色。相機布局高度不超過產(chǎn)品高度。調(diào)試安裝時使用隨附的樹脂材料安裝零件進行絕緣安裝。CCD相機布局如圖3所示。

3.3" 視覺檢測內(nèi)容

視覺檢測內(nèi)容包括裝置產(chǎn)品正反面印字、面板按鍵、導(dǎo)軌等外形特征缺失、遺漏的識別；支持直觀的顏色抽取、亮度變化以及顏色不均勻的檢測。將視覺相機掃描得到的產(chǎn)品特征圖片顏色處理為白色，其他則為黑色的彩色二值化處理，充分利用彩色CCD的特性，可區(qū)別黑白CCD所難以做到的金色和銀色的區(qū)分，并執(zhí)行抽取。除了直觀鼠標點擊方式的設(shè)定操作以外，還可通過數(shù)值指定進行個別設(shè)定。此外，抽取方法采用了分[飽和度][色相][明度]的HSV方式，可以根據(jù)亮度變化以及顏色不均勻等抽取狀態(tài)的變化原因分別調(diào)整參數(shù)、實現(xiàn)更穩(wěn)定的檢測，視覺檢測分析原理如圖4所示。

印字字符特征檢測：對標準產(chǎn)品印字特征掃描并制作模板保存系統(tǒng)；查找圖形中標記位置，根據(jù)模板中標記位置和角度（模板默認為0°）進行比對，檢測印錯/反/缺失狀態(tài)；沒有找到的印字標記的情況結(jié)果列表個數(shù)為0，這種情況下有報警提示，如圖5所示。

導(dǎo)軌特征檢測：對標準導(dǎo)軌特征和排布位置進行掃描制作模板；視覺檢測查找圖形中導(dǎo)軌的數(shù)量、位置及角度；根據(jù)模板對比進行導(dǎo)軌個數(shù)位置比較判斷，對導(dǎo)軌數(shù)量的缺失，位置錯位的結(jié)果進行報錯，如圖6所示。

面板按鍵特征檢測：對標準產(chǎn)品按鍵特征掃描并制作模板保存系統(tǒng)；安裝位置以及正反識別，對檢測字符的匹配分值低于閾值，或者坐標角度與樣板對比的記錄值相差過大的情況進行報警提示，如圖7所示。

4" 裝置視覺檢測系統(tǒng)的應(yīng)用成果

4.1" 提高產(chǎn)品的檢驗精度

以往的機箱裝置產(chǎn)品檢驗采用批量抽檢、人工目視的檢驗?zāi)Ｊ?，相同工位由不同輪崗人員輪流檢驗，各環(huán)節(jié)檢驗人員的檢驗效率和檢測能力不同，導(dǎo)致機箱產(chǎn)品的整體檢驗節(jié)奏波動大、效率低，檢測穩(wěn)定性差，交貨產(chǎn)品整體質(zhì)量把控能力較低，一旦不良品率增高，就會給公司造成巨大的產(chǎn)能缺口。因此，機箱產(chǎn)品的裝配檢驗過程中，這種人工檢驗的模式往往適合產(chǎn)品種類單一，批量裝配少的生產(chǎn)作業(yè)模式。對于我司這種種類多樣、訂單量大的裝置產(chǎn)品，設(shè)計引入裝置視覺檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)裝配自檢環(huán)節(jié)的工序模塊化、標準化。以實時掃描的產(chǎn)品圖像對比標準的檢驗?zāi)０?，將產(chǎn)品檢驗精度提升至100％，徹底解決人工自檢效率低，產(chǎn)品檢驗精度低的問題。

4.2" 提高產(chǎn)品的裝配效率

由于機箱產(chǎn)品的檢測貫穿在整個裝配產(chǎn)線的各個環(huán)節(jié)，因此各環(huán)節(jié)的人工檢測速度直接影響著機箱產(chǎn)品整體的裝配效率。在企業(yè)日益追逐自動化和利潤率的背景下，這種效率較低的人工自檢模式不僅嚴重拖累了整體的生產(chǎn)裝配節(jié)拍，也影響著后端采購訂單的交付周期。因此設(shè)計并應(yīng)用機箱產(chǎn)品檢測系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)用AOI視覺識別技術(shù)和現(xiàn)代化通信技術(shù)的智能化結(jié)合，通過CCD視覺相機來代替人工的肉眼重復(fù)檢測，實現(xiàn)裝置產(chǎn)品檢測環(huán)節(jié)的自動化和智能化。使用智能化視覺檢測系統(tǒng)的引入，實現(xiàn)了產(chǎn)品正反面絲印字體、logo、顏色、形狀、位置和導(dǎo)軌輪廓等多個人工自檢工位的合并，使得整個機箱裝配產(chǎn)線的節(jié)拍可以穩(wěn)定控制在2 min以內(nèi)，換算成一天7.5 h的有效工作時長，理論可達到225臺/d的極限出貨產(chǎn)量，足夠滿足交期緊張的產(chǎn)能需求。這樣的智能化檢測模式大大提升了生產(chǎn)的效率，提升了車間裝配的整體產(chǎn)能。

4.3" 降低人工工時成本

傳統(tǒng)檢測模式的多工位、多工序的人工肉眼檢測，不僅耗費大量工時成本，而且周轉(zhuǎn)運輸過程同樣冗雜繁瑣。機箱視覺檢測系統(tǒng)占用空間小、通用性高，針對不同大小、不同結(jié)構(gòu)、不同外觀的機箱產(chǎn)品均可進行智能化檢測，是一種高度集成的自動化，智能化的檢測設(shè)備。其具體集成了自動流轉(zhuǎn)、自動識別、自動報錯等多個功能，大幅度減少人工參與，將原本裝配環(huán)節(jié)中分散的多個檢測環(huán)節(jié)進行集成合并，避免了產(chǎn)品裝配過程的反復(fù)搬運，同時還能夠避免人工搬運環(huán)節(jié)造成的二次污染，大大降低了人工成本，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。

5" 機箱自動貼標產(chǎn)線的應(yīng)用價值

本視覺檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了裝置產(chǎn)品正反面絲印字體、logo、顏色、形狀、位置和導(dǎo)軌輪廓等多檢測工位的自動化改造升級，與現(xiàn)有的人工檢測模式相比更具集成化，具有較高的智能化、標準化、模塊化水平。相對傳統(tǒng)的人工檢測，裝置視覺檢測系統(tǒng)檢測精度高、檢測效率高、適用范圍廣和通用性高。通用型的定位工裝和多組CCD相機布局可適用不同大小，不同結(jié)構(gòu)種類的裝置產(chǎn)品檢測需求。同時，裝配生產(chǎn)開展的過程中可以直接在控制面板中調(diào)整檢測模板與檢測標準，精準地控制整個機箱產(chǎn)品的生產(chǎn)檢測進度，確保產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量精度與裝置產(chǎn)品的圖紙要求相符。

該視覺檢測系統(tǒng)的應(yīng)用，可實現(xiàn)機箱裝配過程檢測100%自動化和100%的檢測精度，折合提升每臺產(chǎn)品檢測效率提至50％，裝配線平均人員投入由原來的4人減少為2.5人，且操作人員勞動強度大大降低，從原來的連續(xù)單點的人工檢驗?zāi)Ｊ睫D(zhuǎn)變?yōu)榕孔詣踊魉畽z測模式，檢驗時間大幅縮短。若設(shè)備投入按20萬元計算，操作人員薪資按12萬/a，按操作人員薪資計算，預(yù)計 20÷（12×（1+0.5））=1.1 a回本。具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

6" 結(jié)束語

在智能化制造模式不斷升級的工業(yè)背景下，將人工作業(yè)的工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑⒆詣踊纳a(chǎn)模式，切實有效地提高產(chǎn)能，減少人工成本，是每一個制造企業(yè)首要考慮的問題。將現(xiàn)有依賴人工作業(yè)的產(chǎn)線進行改造，由局部到整體逐漸升級成自動化產(chǎn)線，多產(chǎn)線改造并舉，最終達到降本增效，精益改善的效果。從長遠角度不僅提高生產(chǎn)制造的整體經(jīng)濟效益，也為企業(yè)智能化車間建設(shè)提供了一種有效的思路。

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