基于機器視覺的電機轉子質量在線檢測系統(tǒng)研究

孫英華 梁健文 龍紫筠 梁世昌

（江門市星光自動化科技有限公司，廣東江門529100）

1 項目技術可行性分析

1.1 主要研究內(nèi)容

目前，國內(nèi)大部分電機制造企業(yè)仍依賴傳統(tǒng)的人工肉眼借助放大儀器對電機轉子質量進行檢測，由于人工肉眼檢測存在人工勞動強度大、視覺疲勞、質量標準不一的問題，大大降低了電機質量檢測的標準，且檢測工作的高效性、可靠性、穩(wěn)定性得不到保障。因此，我公司通過調研小電機制造業(yè)電機轉子裝配過程中存在的檢測共性問題，提出有效的解決方案，研制基于機器視覺的電機轉子質量在線檢測系統(tǒng)。該項目應用光機電一體化技術、現(xiàn)代設計技術、機器視覺技術及數(shù)據(jù)管理技術，實現(xiàn)電機轉子質量全自動、高速、高精度的在線識別檢測、瑕疵分類處理及數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控等，旨在為珠西地區(qū)電機制造業(yè)提供電機轉子質量在線檢測與處理的解決方案，完全取代人工肉眼進行在線質量檢測。

1.2 總體技術方案設計

本項目針對電機轉子裝配的工藝與材料要求，開發(fā)出基于機器視覺的電機轉子專用檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)電機轉子的自動送料、定位、檢測、瑕疵分類處理、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理等功能，其中，檢測功能主要包括：轉子換向器表面、轉子換向器裝配、轉子端蓋等部分的質量檢測。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 電機轉子質量在線檢測系統(tǒng)框圖

1.3 機器視覺檢測方法研究

項目通過研究基于機器視覺的圖像采集技術、自適應運動目標的識別檢測技術等，設計開發(fā)電機轉子機器視覺檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)轉子換向器表面、換向器裝配質量檢測、轉子端蓋裝配質量檢測等功能。

1.3.1 轉子換向器表面檢測

通過CCD圖像傳感器將換向器圖像傳送給圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)取定的像素分布和亮度、顏色等信息，轉換成特定信號，圖像處理系統(tǒng)對轉換的信號進行各種運算來抽取縫隙的特征，再根據(jù)預設的樣品定子滑環(huán)殘留檢測允許度進行圖像對比及BLOB分析，實現(xiàn)自動識別檢測功能。

1.3.2 換向器裝配檢測

根據(jù)轉子換向器的裝配要求，采集換向器與鐵芯裝配后圖像并進行特征匹配與提取，通過圖像處理及分析像素分布后，采用圖像對比、像素面積、距離測量等工具綜合判斷換向器的裝配質量。

1.3.3 轉子端蓋裝配質量檢測

城市天際線的層次是指城市建筑群因距離差異而在可視界面上所形成的不同層次[3]100。對目前的相關研究進行總結，可將天際線層次美觀程度的影響因素歸納為天際線層次數(shù)量[13]及天際線各層次面積比例[3]100-105（圖2）。

針對轉子端蓋的裝配要求，通過圖像傳感器采集端蓋與鐵芯裝配后的圖像，并進行圖像處理，根據(jù)處理后的圖像像素分布，對其進行特征匹配與提取，最后采用圖像對比、像素面積、距離測量等工具綜合分析檢測結果，判斷端蓋的裝配質量。

1.4 電機轉子質量在線檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)

電機轉子質量在線檢測系統(tǒng)的軟件可采集、存儲、分析轉子質量在線監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)可視化方法直觀地顯示整個質量檢測的全過程，具有在線檢測、實時監(jiān)控、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)交互通信及系統(tǒng)管理等功能。

（1）在線檢測：本項目通過噪聲抑制、背景減除、圖像分割、動態(tài)閾值、特征提取等算法的應用提高系統(tǒng)的成像精度、提高檢測實時性、準確率及效率，并采用圖像對比、像素面積分析、距離測量等工具，實現(xiàn)轉子換向器表面檢測、換向器裝配質量檢測、轉子端蓋裝配質量檢測等功能，并滿足電機換向器表面質量高精度、動態(tài)檢測的需求。

（2）實時監(jiān)控：電機轉子質量檢測過程中，本系統(tǒng)通過高分辨率攝像頭對圖像進行數(shù)據(jù)采集,然后將采集圖像傳輸?shù)綄崟r監(jiān)控平臺,再利用計算機的數(shù)字圖像處理，通過圖像處理計算機顯示，實時檢測轉子質量缺陷，并根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)處理及分析結果，使信息能清晰有效地傳達與溝通，使管理者可以直接通過電腦對轉子質量檢測過程進行實時監(jiān)控。當出現(xiàn)異常情況時，會有報警信息并根據(jù)設定通知相關工作人員進行處理。

（3）參數(shù)設置：項目建立電機轉子的檢測參數(shù)數(shù)據(jù)庫，通過CCD圖像傳感器采集合格品特征圖像，并通過圖像分割、特征提取等工具，自動分析提取檢測產(chǎn)品各區(qū)域長度、寬度、像素平均值等特征參數(shù)，形成一組參數(shù)模型并自動保存至參數(shù)數(shù)據(jù)庫中，使檢測過程能自動根據(jù)數(shù)據(jù)庫中參數(shù)調整檢測區(qū)域、閾值大小、判斷依據(jù)等，實現(xiàn)檢測過程中參數(shù)的一鍵設置功能，簡化了系統(tǒng)的設置過程，降低了系統(tǒng)對使用者的技術要求。

（5）系統(tǒng)管理：包括用戶管理、權限管理、信息管理、密碼管理等功能。

1.5 電機轉子質量在線檢測裝置

1.5.1 轉子換向器表面質量檢測裝置

根據(jù)轉子換向器表面的檢測要求及物料的結構特點，研制轉子換向器表面檢測裝置，可根據(jù)需求將機構置于繞線機后與原生產(chǎn)線合理銜接。機構主要包括：送料裝置、定位裝置、電機旋轉裝置、不良品處理裝置等四個部分，裝置設計圖如圖2所示。

圖2 轉子換向器表面質量檢測裝置設計圖

1.5.2 換向器、端蓋裝配質量檢測裝置

根據(jù)換向器、端蓋的裝配檢測要求、物料及生產(chǎn)設備的結構特點，研制換向器、端蓋裝配質量的檢測裝置。機構主要包括：機械臂送料及定位裝置、不良品處理裝置兩個部分，裝置設計圖如圖3所示。

圖3 換向器、端蓋裝配質量檢測裝置設計圖

2 項目擬解決的關鍵技術問題

（1）研究基于電機驅動的高精度線陣CCD圖像采集技術，通過圖像噪聲抑制、圖像修正等方法克服掃描運動的影響，使機械傳動的誤差不直接影響最終的圖像識別精度。

（2）研究自適應運動目標的識別檢測技術，通過背景減除、圖像分割等方法解決運動中的檢測目標背景復雜、旋轉運動圖像模糊等問題，并提高檢測效率。

（3）研究應用機械結構設計、電氣自動化控制、機器視覺檢測、計算機信息等技術，研制出集自動送料、檢測與不良品處理等功能為一體的電機轉子質量在線檢測裝置；設計快速更換夾具或可調治具，使機構可適用多種型號的電機轉子檢測，保證系統(tǒng)的通用性。

（4）研究應用圖像分析技術、計算機技術、信息處理技術，實現(xiàn)檢測過程中產(chǎn)品參數(shù)的自動調整與一鍵設置功能。

（5）研究信息的可視化顯示方法，解決轉子質量檢測的數(shù)據(jù)監(jiān)控過程中關鍵信息描述不夠清晰的問題，并能在生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常時主動向相關管理人員進行信息反饋。

3 項目產(chǎn)品市場分析

電機作為機電能量轉換的重要裝置，是電氣傳動的基礎部件，對能源利用、環(huán)境保護和人們生活質量的提高起著關鍵作用。隨著全球工業(yè)自動化、智能化程度和人們生活水平的提高，小電機在信息處理設備產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)、家用電器產(chǎn)業(yè)、電子音像產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動化等領域的應用越來越廣泛。伴隨著電機行業(yè)應用領域的不斷拓展，電機零部件行業(yè)面臨難得的發(fā)展機遇。

隨著我國技術水平的提高，我國電機零部件產(chǎn)業(yè)取得了長足的進步，呈現(xiàn)以下特點：

（1）制造水平提高較快，成本優(yōu)勢相對突出；

（2）生產(chǎn)集中度較高，形成了許多產(chǎn)業(yè)集群，如以深圳、廣州為中心的珠三角集群，以上海為中心的長三角集群等；

（3）產(chǎn)品全球競爭力不斷提高。

我公司立足于珠西地區(qū)并面向廣東省乃至全國的電機制造市場，旨在為珠西地區(qū)電機制造業(yè)提供電機轉子質量在線檢測與處理的解決方案，完全取代人工肉眼進行在線質量檢測。項目所研發(fā)的技術為小型電機制造行業(yè)中首創(chuàng)，處于國內(nèi)領先水平；項目的實施切合市場需求及行業(yè)發(fā)展趨勢，提高了電機制造行業(yè)的質量在線檢測水平，將為實現(xiàn)電機制造業(yè)生產(chǎn)過程全自動化提供有力保障，并加快了電機制造行業(yè)的自動化步伐，推動了電機制造企業(yè)的轉型升級，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

4 社會效益分析

電機轉子質量檢測系統(tǒng)的應用，與傳統(tǒng)的人工肉眼檢測相比，能夠在線進行高速、精確地電機轉子表面缺陷檢測，不僅大大提高了質量檢測工作的高效性、可靠性、穩(wěn)定性，全面替代人工，還結合現(xiàn)場工藝在線瑕疵處理、報警、報表統(tǒng)計等，為電機制造企業(yè)生產(chǎn)信息化和確保產(chǎn)品質量提供了有效的解決方案，將進一步提升企業(yè)的電機制造水平，并將在電機制造企業(yè)迅速推廣發(fā)展。

本項目屬于高端制造裝備關鍵技術，具有技術含量高、產(chǎn)業(yè)鏈長的特點，本項目完成后，將會形成新的經(jīng)濟增長點，帶動地區(qū)相關配套企業(yè)增加投入，提高技術水平，為加快經(jīng)濟結構方式的轉變，促進地方經(jīng)濟的發(fā)展，起到積極的作用。

5 結語

電機轉子質量檢測系統(tǒng)的研究與應用，可幫助電機及其零部件制造企業(yè)實現(xiàn)自動化、信息化、網(wǎng)絡化、智能化、集成化的電機生產(chǎn)系統(tǒng)，從工藝、裝備、人才、自動化等領域找出解決方案，推動企業(yè)的改造升級，促進產(chǎn)業(yè)平臺的擴能增效，助力制造業(yè)向“智造”時代邁進。