一种高速连续模冲裁条带的检测方法设计

海争平　杨志红

摘要：高速冲刺后的片状条带产品的检测目前主要依赖于线下的人工或依据CCD设备检测，不能实时反映条带加工的符合情况，严重时会导致批量不合格条带的出现，造成生产的极大浪费。CCD（电荷耦合单元）技术应用在产品检测上已经比较成熟。采用一种方式能实时在线检测高速冲刺条带的符合性是一种很好的思路。

Abstract： The inspection of sheet strips post high-speed punching mainly relies on the manual off-line inspection with basic inspection equipment or CCD equipment. Such inspections cannot reflect the real-time conformity of strip machining， and in severe cases， lead to rejects in batches， causing a tremendous waste in production. Now that the application of charge-coupled device （CCD） technology in product inspection is relatively mature， it would be a very good thought to adopt the CCD technology to realize real-time online inspection of conformity of the high-speed punched strips.

关键词： CCD；条带；在线自动检测；级进模

Key words： CCD technology；strip；online automatic inspection；progressive die

中图分类号：TN386 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）06-0249-02

0 引言

连续模由多个工位组成，各工位按顺序关联完成不同的加工，在冲床的一次行程中完成一系列不同的冲压加工。一次行程完成以后，由冲床送料机按照一个固定的步距将材料向前移动，在一副模具上就可以完成多个诸如冲孔、落料、折弯、切边、拉伸等工序。

连续模加工具有如下特点：①连续模是多任务序冲模，在一副模具内，可以包括冲裁、弯曲成型和拉伸等多种多道工序，具有很高的生产率；②进模操作安全；③可以采用高速冲床，生产易于自动化。由于连续模具有这些特点，所以在金属加工尤其是片状零件加工中应用很广。

CCD中文名叫电荷耦合单元，也称CCD图像传感器，它是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD植入的微小光敏物质称作像素。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的图面分辨率也越高。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。CCD装置由于体积小，重量轻、分辨率高、灵敏度高、工作电压低、功耗小、寿命长、抗冲击和抗震性好、不受电磁场干扰等一系列优点，被广泛应用到工业非接触测量领域中。被广泛应用到在线检测尺寸、位移、速度和自动调焦等方面。

如图1所示条带的生产是通过高速级进模完成，冲裁效率为20～30条/分钟。该条带主要特点为材料价格昂贵、检测尺寸特征多、细小特征比较多，尺寸精度不高、表面质量要求高、零件的厚度较薄、加工的数量大。

目前生产过程中的检测方法有两种：①检测人员依靠传统的检测仪器和设备按照检测规范进行检测；②检测人员采用专用的CCD（电荷耦合器件）检测仪器进行检测。所有的检测都在线下进行，劳动强度大，人为影响检测数据的概率大大增加。由于不能进行在线检测，如果零件冲刺时出现问题，将会导致大量的次品和废品出现，所以在批量生产该条带过程中采用一种自动检测的方式将大大减轻检测人员的工作量、提高检测的效率和提高检测的精度。

1 检测工作流程框架

条带传统的检测主要借用检测仪器进行手工检测，检测的结果与检测人员的素质、熟练程度、检测方法和仪器的精度有关，在单个零件的特征很多的情况下，生产效率很低，出错率很高。基于条带的结构及加工特点，在高速冲刺的过程中新的检测主要采用CCD快速成像技术来实现，考虑到该条带的冲刺为高速冲刺，整体检测设计思路采用在线由初略检测到详细检测的二步式进行，即初略检测阶段通过二维成像技术检测所有条带的主要外形特征和零件的裂纹及毛刺，详细检测阶段按照抽样比例（比如1条/分钟）选取检测的条带，通过形成局部的三维重建模型，与标准模板进行比对，通过三维尺寸、形位公差等多方面的检测，快速发现缺陷产品。整个检测在线上进行，两个阶段协同工作，在任何一个阶段出现尺寸超差的产品，将进行报警处理。如图2为该方案实施流程图。

2 技术实现过程

图3为本方案在线检测工作台组件示意图。主要包括基体、摄像头、玻璃板、夹持器1、夹持器2和定位销等。基体中间镂空，基体工作面由一个斜面组成，斜面的角度保证条带在正常情况下可自由的下滑，斜面上有滑道，滑道宽度比条带稍宽，滑道的两侧是光滑平直的平面，一侧用作条带的定位面，滑道的中间部分镶嵌有一块透明玻璃，玻璃的下端装有可上下移动的定位销，滑道上玻璃的侧面装有夹持器1和夹持器2，工作时分别靠紧一个条带，玻璃的上方和下方各摆放一个摄像机，摄像机通过传送装置（没画出）在玻璃上方移动照相。

2.1 接检、机械找正阶段

由于高速冲刺属于连续作业，频率高、速度快，检测时条带基准的确定显得非常重要。本机械找正过程主要通过夹持器1、夹持器2和定位销相互配合来完成该动作。

夹持器1、夹持器2和定位销的动作通过PLC控制气动或电动来实现。如图3，条带冲刺完成后顺着滑道往下滑，滑到定位销时停住，此时，夹持器1和夹持器2作用，将上下两个条带分别靠紧滑道的另一边，通过夹持器定位找正。

扫描完成后，首先将定位销下落，而后松开夹持器2，测量的条带顺滑道下滑，过了定位销后，定位销上升，夹持器1松开，上面的条带往下滑到定位销，两个夹持器同时工作，将两条带夹紧。

2.2 扫描、分析和判定阶段

如图4为检测流程图。具体步骤如下：

①采用激光器向条带投射激光栅格（或十字线），以便摄像机在近距离摄影时对焦。

②双目摄像机在电机驱动下按照预定的轨迹扫描，实时获取不同位置和视角的视频图像。

③分析处理。本阶段主要包括两个内容：粗略检测即二维成像检测和详细检测即局部三维成像检测摄。初略检测是对所有条带进行分析。首先对摄像机获取的视频图像进行预处理，提取边缘特征（零件的长、宽等），并与标准边缘模板进行匹配，根据相似度（如图2种的细长槽特征、长槽特征、凸起特征等）快速发现由于模板误用或某个加工环节遗漏所导致的产品缺陷；然后改变成像分辨率，对条带正反两面进行高分辨率拍摄，分析其表面特征，快速发现具有明显裂痕、划痕的缺陷产品。

详细检测是按照所选定比例（比如1条/分钟）抽取条带，对条带三维尺寸、形位公差进行检测。根据双目摄像机的安装结构和成像模型，建立双路视频图像帧的粗略对应关系，在此基础上利用基于局部特征的配准方法，实现视频图像帧亚像素级别精确对应，然后建立扫描目标的深度图，形成局部部位的三维重建模型（如图2中长槽特征的A、B、C、D尺寸及厚度尺寸）。

④根据分析的结果，与标准模板进行比对，符合公差范围即判定条带合格，如果粗略检测和详细检测中任意一项内容超出公差范围，即判定条带不合格，报警。

3 技术难点

①本仪器的工作任务包含对多种指标的混合检测，检测指标众多且精度要求高，为算法的实现和优化带来了难度。其解决思路是在检测算法的设计过程中，侧重结合目前处理器的多核化发展趋势，有效利用新一代处理器指令集中引入的异或（XOR）运算等加速指令，提高算法的执行效率；同时优化点云数据结构，最大限度减少三维数据在检索、存储过程中的时间开销。

②送检条带由锆合金材料制成，材料反光度较高、纹理信息不丰富；另一方面，为了实现高精确检测，双目摄像机、三目摄像机在视频图像获取过程中与内条带的间距不足200mm，视场极小。在这种情况下，摄像机镜头很难精准对焦，形成清晰视频图像。解决思路是在视频获取之前，通过激光器投射激光栅格（或十字线），辅助镜头对焦和深度距离的计算。

③传送装置、双目测量和三维重建，每一个工作环节不可避免带有一定程度的误差。当多方面的误差叠加时，很难有效抑制。解决思路是在初略检测和详细检测过程中，图像处理时通过对目标进行虚拟姿态校正，从而降低检测精度与机械装置运动精度的相关性，最大限度减少误差。

④CCD系统对工作环境的要求很高，在生产中对CCD运行有影响的灰尘、振动等一定要采取措施。系统应尽量放置在通风、干燥和干净的场地，必要时可在设备上加装玻璃防护罩；防止振动方面主要有两个：避开共振区，根据实际情况改变系统的固有频率，使系统不在共振区工作；采取隔振措施，使冲压设备与地基隔离，或者让系统与地基隔离，减少冲压设备对周围设备的影响。

参考文献：

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[2]李国宁，刘妍妍，金龙旭.用于动态目标跟踪的面阵CCD 成像系统[J].光学精密工程，2008，16（3）.

[3]王新华.复合模连续模制作工艺技术[M].机械工业出版社，2012.