基于机器视觉的漆包线线径在线检测系统设计

陈家焱，景利孟，洪 涛，蒋天齐

(1.中国计量大学，浙江 杭州 310018; 2.杭州质慧信息技术有限公司，浙江 杭州 310018)

0 引 言

随着变压器行业的发展和技术的不断进步，人们对于变压器设备的额定性能数据和抗过载性能等提出了更高的要求。其中漆包线作为变压器的重要零件之一，其质量和安全性直接关系到变压器产品的性能。为了满足要求，漆包线的性能参数一直被人们重视，线径尺寸作为漆包线常规参数之一，也是一个重要的方面。

目前漆包线行业中普遍使用的检测设备都还停留在较为初级阶段。其线径检测方法主要包括线下检测和在线检测。线下检测，取整匝线圈的端部产品作为样品，在实验室用千分尺进行测量，存在选取的样本不具有代表性的缺点，不能全面真实地反应整条生产线的合格率。在线检测，通过质检人员或相关操作人员持手持机的方式进行人工巡检，并把检测结果记录到相关的检测表中，用来评估整条漆包线生产线的合格率。这种方法会增加人员成本，并且人工记录的过程易出现失误，不利于保证检测的准确性。如何在保证检测精度的前提下进行自动化的在线检测[1]，是现在研究的主要方向之一。与常规流水线产品不同，漆包线作为一种连续的、不间断的产品在流水线上生产，不存在这一个产品和上一产品的区别，所以这就要求了漆包线在检测其线径尺寸时不能全检，只能采用均匀抽取的方法进行尺寸检测，即每隔固定的长度进行一次检测。

机器视觉技术在检测产品缺陷[2-3]、尺寸[4-6]、外观[7]等方面得到了广泛的应用。漆包线生产线是非密闭空间，受到光照、噪声和人员的影响较大。基于上述的实际情况，本文设计开发了一套基于机器视觉的漆包线线径在线检测系统，其检测装置在不影响漆包线正常生产的前提下，安装在稳定运行的漆包线生产设备上。操作工人只需将漆包线通过手动方式放置在检测装置的漆包线定位板上，即可实时、在线地检测漆包线的线径。提高了漆包线生产企业的自动化程度。

1 检测系统的方案设计

整个检测系统包括：检测装置模块、图像处理模块、可视化显示模块3个部分。在整个检测系统完成后，通过现场测试，验证其检测精度是否符合企业要求。

检测装置模块，由安装在正稳定运行的漆包线生产设备上的检测装置和计算机组成，主要包括CCD相机、LED蓝色背光光源、图像采集卡、漆包线定位板、移动平台。在安装的过程中通过调节移动平台的旋钮可以调整相机的位置。

图像处理模块，是视觉检测的核心部分之一，通过对采集到的图像进行特征分析，结合企业检测的具体要求，采用合适的图像处理算法得出漆包线线径尺寸，从而完成整个检测系统的功能。

可视化显示模块，主要由LabVIEW进行编写[8]，对采集到的图像和检测结果进行显示，对整个系统进行参数设置、图像的显示和监测数据的显示与存储，是人机交互过程的重要组成部分。

系统检测分为图像获取、图像处理和结果输出3个过程，其原理如图1所示。

图1 系统检测原理图

整个检测系统在完成以后，在合作的某企业进行现场测试，具体过程如下所示：

1）将在线检测装置安装在稳定运行的2号机器的1号工位上；

2）调整漆包线的位置使其自上而下经漆包线定位板通过检测装置；

3）通过移动平台的调节旋钮，调整相机的位置，使CCD相机能够得到清晰的漆包线图像；

4）运行检测系统，进行工作；

5）从检测系统中导出漆包线尺寸数据，进行误差分析，判断是否满足该企业的精度要求。

2 检测装置设计

2.1 检测装置的设计要求

本系统是针对于合作的企业进行设计的，在设计开始之前对车间现场情况进行调查分析，得出如下的设计要求：

1）可用空间小 现有的漆包线生产设备并没有预留出检测装置的空间；

2）震动过大 生产线运行过程中震动过大，直接将视觉检测系统应用于生产线上，得到的图像较为模糊，不利于后期图像处理算法的设计；

3）光线不稳定 漆包线生产车间为24 h车间，光线条件不够稳定，不利于视觉检测系统的直接应用；

4）尺寸较小 漆包线的线径尺寸较小，分辨率要求达到0.001 mm。

2.2 漆包线震动问题分析

如图2所示，红色部分为漆包线未加检测装置的生产过程运行路线；其中，上下两个滑轮之间的跨度约为500 mm，悬空距离较大，并且漆包线是自下而上的倾斜运行，由于生产设备自身震动带来的影响，导致漆包线的震动幅度较大，超过其本身的线径尺寸，不能够满足本视觉检测设备正常运行的条件需求。

图2 震动问题分析图

黄色部分为加上漆包线定位板以后的漆包线运行路线，由局部放大图可知，通过大小两个滑轮组来对漆包线进行两次定位，大滑轮组的间距约为100 mm，主要用来引导漆包线通过检测装置，起到导向和辅助固定的作用，小滑轮组的间距约为40 mm，可以起到精确定位的作用。使漆包线在通过CCD相机视野范围时的跨度缩短为40 mm，这样可以使漆包线震动的幅度保持在0.1 mm范围以内，有效降低了震动过大对漆包线原始图像的采集过程带来的影响。

2.3 检测装置的实现

根据合作企业车间的实际情况，将漆包线检测装置设计为一个长×宽×高为450 mm×70 mm×90 mm的半封闭式黑盒，能够满足车间现场的空间要求。去除一侧挡板后的示意图如图3所示，其中相机固定在一个50 mm长的移动平台上，方便调焦。并且整个装置的半封闭式黑盒设计能够保护光源相机等不受外界干扰，从而保证检测的精度和提高系统的抗干扰性。

自主设计漆包线定位板为L形，具体如图4所示，在定位板上有两个上下对称的滑轮组，用来固定漆包线的位置，解决漆包线在通过检测装置的过程中震动过大的问题，同时在中间位置开一个边长30 mm×10 mm的矩形孔，使光源的光线在经过漆包线以后达到CCD相机的感光元件，减少其他光线的影响。

图3 检测装置示意图

图4 漆包线定位板

选用LED蓝色背光光源，加入特定的光源能够解决车间光线不稳定的问题，同时蓝色光波长较短，适合于精度测量[9]。

3 漆包线在线检测图像处理算法研究

检测系统的图像处理部分，主要包括对采集图像的预处理，选取ROI范围和漆包线线径尺寸的计算，如图5所示。

图5 图像处理算法流程图

3.1 图像的预处理

漆包线的硬件部分采集到如图6（a）所示原始图像，经过预处理后进行相关分析，主要包括中值滤波[2]和二值化。本系统中选取黑白的CCD相机，采集到的图像即为灰度图像。整个检测装置设计成半封闭式的黑盒，由蓝色背光光源作为视觉系统的光源，光照条件好。得到的原始图像中目标物体（漆包线）与背景图像灰度值差别较大。图7为原始图像直方图，存在明显的双峰特征，可直接使用双峰法确定阈值。故可设定谷底所对应的灰度级T为阈值进行分割，灰度值≥T时为白色，记为背景；灰度值＜T时为黑色，记为目标物体（漆包线）。从而实现目标物体（漆包线）与背景图像的分离。图6（b）为经过中值滤波后的图像，滤波后进行二值化处理得到图6（c）二值化图像。

图6 漆包线图片

图7 原始图像直方图

3.2 选取ROI范围

采集的原始图像在显示到系统界面后通过人工设定的方式选取ROI范围，系统内部将选取的ROI范围作用在原始图像上并作为漆包线线径尺寸的检测区域，具体如图8所示。相关的质量或操作人员通过系统的设置模块进行ROI 的选取，选取的原则如下所示：

图8 ROI范围图

1）完整包含漆包线的上下边缘，只有同时包含上下边缘才能检测出漆包线的线径尺寸；

2）不可以选取图像边缘的位置，相机越靠近图像边缘畸变越大，选取图像靠近中间的位置可以减少由于相机畸变带来的精度问题；

3）选取的范围尽可能大，漆包线在生产的过程中可能由于生产设备的问题产生一定的突刺或凹槽，较大的检测范围可以减少突刺和凹槽对检测结果带来的影响。

3.3 漆包线线径尺寸的计算

漆包线线径尺寸检测具体方法如图9所示。

图9 漆包线线径尺寸计算原理图

在尺寸检测的过程，经过预处理的图片，以从上往下逐行扫描的方式，得到漆包线的两组边缘点，分别记为

上边缘点：

下边缘点：

然后通过最小二乘法拟合[10-11]得上边缘直线，具体过程如下：

设直线的方程为

其中ei为边缘点的误差。

平均损失函数：

通过Q最小即可求得这条直线的解析式，确定β0和β1的值。把它们看成是Q的函数，就变成一个求极值的问题，可以通过求导得到。

求Q对两个带参估计的偏导数：

解得:

上下两组边缘点带入得：

记为直线：

通过点到直线的距离公式求出每个上边缘点到下边缘直线的距离，记为

再去除两个极值点后重新排序得到n-2个上边缘点到下边缘直线的距离：

同理求距离、去极值可得n-2个下边缘点到上边缘直线的距离：

再通过以下公式可得出漆包线尺寸的最小值、最大值、平均值：

L上1,L上2,···,L上n-2,L下1,L下2,···,L下n-2从小到大排序以后记为：L1,L2,L3,···,L2×(n-2)，则中位值为

4 检测系统人机交互页面的设计

漆包线在线检测系统用LabVIEW8.5和SQL server2000进行开发，其中在线检测系统的人机交互页面，能够实时显示检测结果和方便系统操作人员进行相关设置[12]。程序开始运行后的整体页面如图10所示。

图10 检测系统整体页面图

整体页面包括图像显示区域、参数设置区域、数据显示区域和异常显示区域4部分。帮助生产、质量人员或其他相关工作人员更加直观地观察漆包线的图像和线径尺寸的实时数据。

4.1 图像显示区域

图像显示区域分为左右两部分，如图10所示。左侧图片是相机实时拍摄的原始图像，右侧图片是设定ROI范围后的图像。

4.2 参数设置区域

参数设置区域主要是对系统功能进行具体操作的区域，主要包括：1）项目设置；2）宽度设置，主要是进行矩形的ROI范围、标准像素和标准尺寸的设置；3）用户管理，主要是在企业使用的过程中，所注册过的用户名和密码的管理和查看；4）查询，是对于在数据显示区域的记录进行查询、输出到本地的操作；5）其他3个分别是运行、停止和退出按钮，用来对系统的整体运行进行控制；6）检测数量和检测速度的实时显示。

4.3 数据显示区域

数据显示区域显示检测结果（最大值、最小值、中位值、平均值）和产品ID，并且可以通过参数设置区域的查询功能进行所有数据的查询和导出为excel数据类型到本地。

4.4 异常显示区域

本区域主要功能是当系统不能正常运行时显示错误列表，与漆包线线径检测本身功能无关。

5 检测系统的标定与测试

一般用于尺寸测量的视觉检测系统在经算法处理后得到的结果并不是检测产品的实际尺寸，通常需要标准件进行标定，通过标定系数转换为产品的实际尺寸，本系统采用了基于激光检测仪的检测结果进行标定的方法。

5.1 系统标定

测量过程的结果是以像素为单位的，要想得到实际的尺寸必须对系统进行标定[13]。本系统在标定的过程中设定两个标定系数，像素数k和标准尺寸p。标定公式如下所示：

由于漆包线生产过程的特殊性，如果用标准漆包线进行标定只能标定静态检测的过程，不能进行动态测量的标定，所以本系统利用激光检测仪的检测结果进行标定，具体实现方法如下：

1）把检测精度为0.000 1 mm的激光检测仪与本文中开发的视觉在线检测设备安装在同一条漆包线生产线上，前后相差600 mm，同时进行检测；

2）视觉在线检测系统的像素数和标准尺寸设置为1，此时测量值L为像素级别的尺寸；

3）视觉检测系统的像素数设置为L的值，将标准尺寸设置为生产中的漆包线的标准尺寸；

4）此时视觉检测系统的L测量值即为漆包线的实际尺寸。

5.2 系统测试

5.2.1 在线能力测试

将本文中所设计的漆包线在线检测装置投入企业使用，检测运行情况，具体如下：安装在2号机器1号工位，漆包线线径要求(0.162±0.001) mm，漆包线运行速度1 m/s，本次在线测试时间3 min，检测漆包线长度为180 m。

整个在线检测数据的时间序列图如图11所示，图中虚线部分为上下公差线。整个数据随着时间变化无周期性规律，无上升或下降的趋势，呈现一种随机状态，显示过程处于相对稳定状态，满足在线检测的要求。

5.2.2 重复性测试

重复性测试的环境与5.2.1中的在线能力测试的环境完全相同，共进行9次测试，每次测试时间20 s，检测漆包线长度为20 m。以每次测量的平均值作为本次测量的结果，由于漆包线产品在生产过程中是连续运行的，对于某个位置的线径尺寸只能够检测一次，且企业中对于漆包线线径尺寸关注的是一定长度漆包线的线径尺寸，故对具体一个位置的线径尺寸讨论没有意义，应以多个连续的测量点作为一个整体，这样能够代表某段长度漆包线线径的尺寸。实验中以连续测量的759个位置为一组，以759个测量值的平均值作为一次测量的结果。整个实验结果如表1所示。

图11 测量值时间序列图

表1 漆包线线径的测量结果

由于漆包线在线检测的特殊性，无法对其进行重复性测试，所以对同一批漆包线产品，连续进行了9次测试，其检测系统的设置、测试环境相同，近似认为是重复测量。每次测试得到759个测量值，以759个测量值的平均值作为本次测试的结果。由表1数据可得：

绝对误差＜0.001 mm，满足企业的漆包线线径检测要求。

5.3 误差分析

图像在进行二值化的过程中，采用不同的阈值可能会得到不同的上下边缘点，进而影响漆包线的线径尺寸；漆包线在经漆包线定位板通过检测装置的过程中，产生的微小震动会使相机采集到的漆包线图像边缘产生一定的模糊；漆包线生产中的上一个工艺为喷漆工艺，可能会使漆膜不均匀产生一定的偏移，造成漆包线偏心，可能使本系统对漆包线产品线径尺寸的合格判定出现偏差。

6 结束语

本文设计的基于机器视觉的漆包线线径在线检测系统，用于在线漆包线线径的检测。针对于漆包线生产过程中震动幅度过大的问题，通过使用自主设计的漆包线定位板来改变漆包线的运行线路，减少震动的幅度，实现漆包线原始图像的采集。设计了基于最小二乘拟合直线的方法完成对漆包线线径尺寸的测量过程，并完成硬件系统的搭建和软件部分的开发。最后通过企业现场测试，证明了漆包线线径在线检测系统的相对误差为-0.056%，满足其检测要求。本系统可以提高企业的自动化水平，具有一定的推广价值，为了进一步提高检测系统的精度，需要对动态标定方面进行研究。