弹性薄膜可视化检测系统

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由于人工检视员缺少客观可靠的途径来决定工件缺陷的存在与否，因此对宽四英尺、周长八英尺的弹性带的人工检查十分困难。总体上来讲，工件的缺陷是指比周围材料颜色更暗或更亮的区域。位于迈阿密斯堡的Invotec工程处被生产弹性薄膜带的公司询问，机器检查是否可以用来制定一个客观的规格体系，从而可以多次提供检查结果。Invoctec的工程师们同客户合作，共同研发了一套规格体系，同时考虑到了工件的尺寸、过亮或过暗区域，以及缺陷同周围材料的反差。
       
        这一方法与两台Cognex In-Sight 5000系列视觉系统一起实现了自动化，在16秒内完全检查了一个薄膜带。系统在工件的不同区域截取了几幅图像。开始的几幅图是用来调整出适当的增量，来补偿薄膜由于在摄影机前面旋转而造成的可能的工件厚度变化。Invotec的副总裁兼技术指导—达瑞尔格雷维特说：“我们在机械可视参数的基础上研发了这套客观的规格体系，同时展示了在此规格系统上建立的可重复操作的工件检查能力，从而实现了快速的完全检查。”
       
        确保重要组成部分质量的挑战
       
        由于弹性薄膜是应用于医疗器械，因此严格剔除存在针孔、薄的斑点、内含物和嵌入粒子的工件显得尤为重要。以前，这些缺陷都是由人工检查的，通过背光处理并将该薄膜夹在两个锭中间旋转，然后由检查员寻找缺陷。
       
        自然地人工视觉意味着如果存在一定的明显缺陷，每个检查员都能检查得出。然而仍然存在许多小缺陷或细微变化，一些检查员认为这是一个缺陷，而另一些检查员认为它不是缺陷。许多检查员甚至前一天通过了一个存在微小缺陷的工件，而第二天又将它剔除。
       
        薄膜的生产厂家要求Invotec参与这样一个工程，因为该公司在机械视觉应用方面有着广泛的经验。Inovtec为客户提供设计装配、检测和试验系统，同时为许多不同制造业的制造公司提供工装、工具和量规。
       
        Invotec的工程师选取Cognex的Insight视觉系统作为应用的开发平台，“Insight视觉系统为开发一个强大的视觉应用提供了一切所需的条件，而且结构紧凑。”Greywitt说。Insight为让我们能够使用广泛的Cognex视觉工具库，这些工具几乎能够处理任何视觉应用。。这些工具是智能的，可以忽略非显著的表面变化，而关注于能够决定工件被接受度的显著的特征。他们不要求大量的图像预处理来达到最后的解决方案，而是要求视觉工程师更快的应用开发和为公司缩减生命周期损耗。
         
       
         
        图1、放大视觉系统用来检查弹性薄膜
        （薄膜已从图片中移除）
        视觉应用的开发
       
        在原型阶段，Invotec的工程师与客户工程师在数学上定义每一类型的缺陷，同时开发照明和视觉工具以便持续识别缺陷。他们决定需要多项检查过程来鉴别产品质量。“在寻找区域缺陷，例如内含物和薄的斑点，系统会采用两个直方图来寻找高对比度的区域。”Invotec管理工程师Mike Updike说。一个直方图用来寻找暗的区域，另一个直方图用来寻找亮的区域。如果没有发现这样的区域，我们就确定这片地方没有缺陷。如果发现了一个高对比度的区域，无论是暗点或是亮点，应用一个区域工具寻找潜在的缺陷。这个区域工具用直方图中的信息更好地识别了缺陷的尺寸。一旦受检区域被区域工具锁定后，另外一个直方图工具和缺陷检查工具组就会被直接应用，来检查潜在的缺陷。后面两个工具组的结果是一个对比等级、缺陷尺寸和缺陷位置。用这三个值与预设的拒绝阈值进行比较。
       
        当寻找边缘缺陷的时候，摄影机在一个极小的区域应用十个与薄膜材料边缘垂直的边缘工具，每一个工具导出一个边缘位置的可读数值。薄膜材料在摄影机下穿过的时候，摄影机得到了这些读数的平均值，来找到边缘。为了找到边缘缺陷，每一个独立的读数都要与平均值对比，如果它们比预置的限制变动值还要大，那么该区域就被定义为缺陷。系统的缺陷变动值有对比限制、亮度、大小限制、亮度、对比限制，暗度、大小限制，暗度、边缘方差正极限以及边缘方差负极限。
       
        Invotec采用先进照明红色背光来照亮薄膜以便成像。该光线波长为660纳米，光强为0.550mw/cm2，在检测过程中提供了薄膜良好的对比度和着色度。两个视觉系统在提供必要的检测分辨率的同时覆盖了薄膜带的宽度。第一个嵌入该设置的视觉系统是Insight 5403，分辨率为1600*1200像素，这一分辨率使该设备能够精确检测几乎百分之六十的薄膜宽度。Invotec增加了一个Cognex Insight 5603视觉系统来与Insight 5403组合，以覆盖薄膜的全部宽度。Insight 5603与Insight 5403有相同的分辨率，但是它的处理器速度几乎是后者的两倍。两台Insight 5603已被嵌入同一台系统，以缩短运行周期。
           
         
        图2、由视觉系统截取的典型的缺陷在生产环境中
       
        Invotec开发出一款手动载入和驱动的原型设备，这是应用于生产环境中的第一步。这台设备用两条直径一英尺的小棒固定薄膜，这些小棒的间距让监测的部分受到较小的张力。前一根小棒是手动旋转的，以便使薄膜对准摄像机，后面的旋转轮具有相当高的旋转摩擦力。在后面的旋转轮旋转之前，可以为轻微伸展的薄膜增加一些伸展力。
           
         
       
        图3、完整的机械视觉设备在使该应用完全适应产品还面临巨大的挑战，即薄膜如何在视觉系统中移动并在固定锭上伸展。在薄膜伸展的时候，视觉感应装置下区域的薄膜厚度会发生改变。Invotec的工程师意识到，要得到可重复操作的检查结果，补偿这一厚度变化很重要。他们通过将摄像机下的画面分为三个与薄膜带运动方向平行的附属区域，实现了这一目标。
           
          当薄膜的一个部分移动到第一次区域，视觉系统就会对该区域实施一次检查，同时测量背景的平均亮度，当这一区域移入下一次区域，视觉系统的输入数据就会做相应调整以补偿背景亮度，同时拍下另一幅照片。这幅照片中同样会计算平均亮度，当这一区域在移入下一子区域时，输入数据也会做同样调整。结果是，无论薄膜如何移动，或是被伸展，视觉系统都能提供连续的检查结果。