电机转子缺陷检测系统的硬件选型及方案设计

张宇萌

（河北 承德 067000）

1 常见缺陷类型及检测标准

该研究课题主要针对标准电机控股有限公司F140 型电机转子DV 片焊工艺后，焊点和DV 片的外观质量缺陷检测问题进行研究，开发专用机器视觉在线检测设备，其主要由换向器、DV 片、焊锡、硅钢片和绕组组成，1 个电机转子有3 个焊接部位。其中环形DV 片的外圆半径为4.75 mm，内圆半径为2.95 mm，厚度为0.83 mm。F140 型电机转子组成如图1 所示。

图1 F140 型电机转子组成

DV 片的表面缺陷主要有DV 片倾斜和DV 片上表面有起泡、划痕和DV 片断裂。DV 片倾斜，会造成电机转子在运转过程中端盖跳动幅度增加，产生振动或出现杂音，甚至使电机转子发生局部烧伤，DV 片上表面有起泡、划痕或DV 片断裂不仅影响产品的外观，而且对DV 片的抗氧化性和伏安特性等都有不同程度的影响。焊点的缺陷主要有漏焊、锡量不足、焊位偏移，漏焊会直接造成电机无法工作，而锡量不足、焊位偏移会造成电机运行时内部电路接触不良，严重时也会造成电机无法工作。这些常见的5 种表面缺陷类型与故障的检测标准如下。1）能识别DV 片倾斜，当电机转子垂直放立于工位时，合格的DV 片从侧面看倾斜角度小于0.5°，DV片倾斜检测要求测量精度为0.1°。2）能识别电机转子焊点是否合格，电机转子焊接的主要缺陷有漏焊、锡量不足、焊位偏移3 种缺陷。3）对于DV 片上表面的检测，要求能识别DV 片断裂、上表面有划痕和表面起泡，针对缺陷面积最小的划痕，能识别最小宽度为0.05 mm，长1 mm 的划痕缺陷。4）在生产线上能够对每个电机自动上料、检测和分选，为了与车间流水线速度一致，每个工位检测时间为3 s，检测机的机械、电气设计框架符合标准电机控股有限公司的技术标准，能够与现有自动生产线无缝对接，要求检测的漏检率小于3%，综合检测成功率大于95%。5）检测设备软件能够记录检测数据，包括检测数量和有缺陷的电机数量，对于需要识别的缺陷也要做记录，能通过数据统计分析DV 焊工艺后的良品率。

特别是对于第一台样机的缺陷检出率要大于90%，误检率小于10%的情况，如果判断产品缺陷类型属于DV 片倾斜，则不需对该产品其他缺陷进行记录。

2 图像采集系统的硬件选型

2.1 相机

该研究选取CCD（电荷耦合器件）作为图像各种缺陷检测的图像传感器。在DV 片上表面检测中所选择的相机型号为陕西维视图像的MV-EM200C 千兆以太网工业相机，在DV 侧面倾斜检测与焊点缺陷检测中所选择的相机型号为陕西维视图像的MV-EM500C 千兆以太网工业相机，这2 款工业相机具有体积小、传输速度快、支持第三方图像处理软件（例如LabVIEW）直接调用等特点[1]。

2.2 千兆以太网图像采集卡

该文所使用的2 款相机是MV-EM 系列千兆以太网工业相机，需要2 台相机共同传输图像，所以图像采集卡选用MV-EGigE Dual 千兆图像采集网卡，它可同时连接2 台GigE图像采集设备，使用六类网线将相机与采集卡连接即可支持2 台相机同时高速稳定的采集图像。

2.3 光源

光源是为了配合相机与镜头采集图像的照明装置。最常见的用于小物体检查的照明装置是LED、荧光和卤素灯。近年来LED 光源由于其性价比大大提高、应用灵活性强（主要指调节范围大和可塑性强）、照明稳定性好、寿命长、强度适中且易于计算机控制，在工业照明中得到广泛应用。选择合适的光源是一项重要的工作。没有合适的光源，细节与背景区域就不会有很高的对比度。光源作为视觉成像好坏的首要影响因素，光源的光照方式与强度会影响图像处理中感兴趣区域或缺陷区域提取的难易程度。在光源颜色的选择中，在缺陷色彩成分未知的情况下通常会使用彩色相机成像，由于彩色相机采集到的彩色图像色彩饱满艳丽，彩色图像的成像通常使用白色光源。白色光源适用范围大，发光强度高。在考虑被检样品时，其表面几何形状、纹理特征、方向和颜色是影响其与光照照射特性相互作用的许多重要因素，光照的照射特性分为直射光照、反射光照和漫反射光照。

2.3.1 直射光照

光照亮度高，如果需要检测的物体表面比较粗糙时，会发生一定的漫反射效果，目标的明暗对比将会加大，目标也更突出。相反，物体表面如果较为光滑，就会产生镜面反射效应，不利于目标检测[1]。

2.3.2 反射光照

以单一方向反射入射光，就像抛光的金属表面。高光反射经常使图像较为饱和，因为高光反射的强度与光源相当，如果依靠反射光照成像，对物体的微位移就要求较高，因为如果物体和相机之间的角度或位置发生微小变化，光强强度分布就会完全改变。

2.3.3 漫反射光照

光的漫反射是指以不同的角度散射入射光线，就像一张亚光白纸。漫反射相比直射与反射要稳定得多，因为漫反射所反射的光强度大大降低，而且反射光强度不会随着物体相对于相机的角度或位置发生显著变化。

照明方向是照明设置中的又一个主要因素。光照方向的变化有亮场、暗场、背光之分。

2.3.4 亮场

在亮场照明中，光线大致以垂直于物体表面到与物体表面呈45°之间称为亮场照明，整个物体被照亮，特征在灰度上以不同的水平显示。亮场照明也是生活中最常见和最基本的视觉照明技术，阳光的照射就属于亮场照明。同轴照明是一种极端形式的亮场照明，光源与相机和镜头在同一轴上，这种照明不仅适用于某些镜面，而且能消除一些由深度产生的阴影，但是同轴照明主要用于检测反光强烈的平面物体，对于反光强烈的曲面物体有时并不合适。

2.3.5 暗场

使光源以一定低的角度（一般为0°～45°）照射于物体表面的照明，当时用暗场照明时相机成像是通过接收物体表面的衍射的杂散光或反射光，但是角度比较低的暗场照明由于其需要在离物体比较近的上方照明，这在工业在线检测中有时会不方便安装。

2.3.6 背光

顾名思义，这种照明方法是在被检查对象的后面。物体背光的主要用途是观察半透明的物体或获得轮廓。轮廓提供了一个简单的二值图像匹配模式，测量几何形状，检查孔，或检查零件的位置和方向，通常会在检测物体的轮廓形状与尺寸时使用[2]。

对于DV 片上表面这种有一定粗糙度的物体，亮场照明会发生一定的漫反射效果，目标的明暗对比将会加大，目标也会突出，暗场照明也会使缺陷更加突出。而对于侧面DV 片图像和焊点图像，主要是为了检测DV 片的倾斜角度和焊点的缺陷。由于焊点形状是有一定曲率的不规则球面，而且体积极小，对于这种体积较小的物体照明通常会使用点光源。点光源通常很小，可以安装在离被检查对象有一定距离的地方，点光源产生的光强度高，成像区域的面积小，可以忽视周围物体只突出局部小细节。如果希望图像具有锐利的边缘和表面特征细节，点光源是很好的选择，但是点光源并不适合产生镜面反射的物体，因为它的反射光有时会映射到一些黑暗的区域，所以对于焊点的这种表面光滑且有一定曲率的表面并不适用。

最佳方法是使用漫射光来均匀强度，为了使整个焊点能均匀清晰的成像，用加有漫反射匀光装置的低角度环形光源。通过实验对比，发现采用30°低角度漫反射暗场照明光源在焊点成像上取得效果较好，对机械及传动装置的设计也不会有的较高的要求。

3 其他硬件选型

该文的控制系统框架采用的是PC 机与运动控制卡相结合。运动控制卡选用DMC3400A 型号。提供Windows 系统下的LabVIEW（实验室虚拟仪器工程平台）动态链接库，同时也兼容LabVIEW 的Motion 模块，方便软件系统的开发。其可以同时控制多个步进电机及IO 器件控制，适用于各种插补的运动、编码器位置检测、在线变速和在线变位置等场合。同时自带MOTION3000 调试软件，方便程序员对硬件的逐一检测。

4 结语

该文的电机转子机器缺陷检测系统分为运动控制、图像采集和图像处理3 个模块。首先通过PC 机发送信号使相机打开，同时发送信号给运动控制模块，运动控制模块将电机移动到待检测区域，触发图像采集，图像处理模块对采集到的图像进行图像处理处理和缺陷识别，将电机转子缺陷识别结果反馈给工控机，工控机通过识别结果发送信号给运动控制模块，对于无缺陷的电机转子由传送带输送至下一道工位，对有缺陷的电机转子进行不良品剔除。