CN110487821A - 一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置及其检测方法，属于透明材料的缺陷智能检测技术领域，解决检测透明板材内部缺陷和表面缺陷检测误检、漏检和效率低技术问题。解决方案为：本装置包括工业相机、工业镜头、工业光源和步进电机组成的检测***，检测***放置在暗箱中，光源安装在输送带和被测材料侧面，工业相机安装在被测材料上方垂直位置进行拍摄。检测***采用计算机与工业相机实现以太网通信来获取图像，并采用“先二值化降噪，再高斯滤波，后再二值化增强”的方法对图像进行处理，获得轮廓信息。采用拍摄刻度尺进行比对的方式，计算出缺陷尺寸信息和缺陷面积。本发明能够节省人工，降低成本，提高检测准确率，尺寸检测误差范围为0.5‑5.0%。
Description
技术领域
本发明属于透明材料的缺陷智能检测技术领域，涉及的是一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置及其检测方法，具体涉及一种基于机器视觉、打光技术和图像处理的透明玻璃材料缺陷检测方法。
背景技术
现阶段，以玻璃为主的平板型透明材料作为原材料得到了越来越广泛应用。为了使透明材料更适用于各种工作环境，材料制造企业转向生产多种不同颜色、不同透光度以及表面形态的板材，由此大大增加了材料缺陷产生的概率，常见的缺陷有表面划痕、内部裂纹、砂砾和气泡。在生产透明材料板材的过程中产生的缺陷仅依靠人眼很难对缺陷大小进行精确和快速的判断，使用传统的人工检测方法容易产生更多的误检、漏检和低效率现象。设计一种高效的自动缺陷检测方法尤为重要。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，解决检测透明板材内部缺陷和表面缺陷检测误检、漏检和效率低技术问题，本发明提供一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置及其检测方法，用于机器视觉在线检测***。通过图像采集和图像处理技术实现实时检测平板透明材料的内部缺陷和表面缺陷，并将检测结果信息提供给主控制器，为生产管理***提供依据。透明材料的常见缺陷主要有：表面划痕、内部裂纹、砂砾和气泡，材料生产部门依据不同的缺陷标准判断产品合格率，以满足不同的使用需求。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置，它包括工业相机、工业镜头、工业光源、步进电机和暗箱，其中：
所述暗箱的底部根据输送带的输送方向分别设置有进料口和出料口，输送带贯穿暗箱的进料口和出料口延伸至暗箱的外部，待测透明板材放置于输送带上；
在所述暗箱中：
横跨输送带的上方设置有门字形吊架，所述工业光源设置于门字形吊架立柱的根部，工业光源设置为线光源，光束方向与待测透明板材的表面平行，光束从待测透明板材的侧面射入；
吊架上位于横梁的一端设置有水平移动滚珠丝杠滑台，横梁上设置有与水平移动滚珠丝杠滑台相配合的水平丝杠，水平丝杠上设置有垂直移动滚珠丝杠滑台底座，水平移动滚珠丝杠滑台上设置有用于驱动水平丝杠转动的水平移动步进电机，水平移动步进电机通过水平移动滚珠丝杠滑台和水平丝杠驱动垂直移动滚珠丝杠滑台底座沿水平丝杠往复运动；垂直移动滚珠丝杠滑台底座上安装有垂直移动滚珠丝杠滑台，垂直移动滚珠丝杠滑台上设置有垂直移动步进电机，垂直丝杠的上端安装于垂直移动滚珠丝杠滑台上，垂直丝杠的下端固定安装有工业相机，工业镜头设置于工业相机的下方，垂直移动步进电机通过垂直移动滚珠丝杠滑台和垂直丝杠驱动工业相机沿竖直方向往复运动。
进一步地，所述暗箱的材质为黑色POM塑料，暗箱的内表面磨砂处理。
进一步地，所述工业光源设置为线光源，工业光源的光照宽度大于待测透明板材的厚度。
进一步地，所述工业相机将采集的光信号转换为电信号，工业相机通过信号线将电信号输入计算机中，计算机通过控制箱控制步进电机、输送带和工业相机工作或者停止。
进一步地，所述工业相机选用黑白相机，像素范围为500万-2000万；工业镜头焦距范围为9mm-25mm。
进一步地，所述工业相机的物距范围是100mm-1000mm，视野范围是20-1700mm，曝光时间范围3ms-5ms。
进一步地，所述输送带为黑色。
一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置的检测方法，包括以下步骤：
S1、安装好本装置后，通过水平移动步进电机和垂直移动步进电机调整工业相机的位置，使工业相机位于输送带的上方；调试与工业镜头的焦距，使输送带能够在工业镜头中清晰成像；
S2、待测透明板材放置在输送带上，由暗箱的进料口输送至暗箱中，开启工业光源，使工业光源的光束从待测透明板材的侧面射入，遇待测透明板材内的微观缺陷时发生折射或反射，向上折射或反射的光信息由工业相机接收，向下折射或反射的光线由输送带吸收；
S3、工业相机取像后通过千兆以太网将数字化的图像传给计算机，计算机将所得图像进行图像处理并输出检测结果，其中缺陷尺寸测量采用在相同视野中拍摄刻度尺并与缺陷图像进行对比的方式。
进一步地，所述步骤S2中微观缺陷为表面划痕、内部裂纹、砂砾和气泡，所述步骤S3中图像处理的步骤为：先二值化降噪，再高斯滤波，再二值化增强。
进一步地，二值化降噪阈值选择范围为48，低通高斯滤波器选用15×15的滤波器模板，二值化增强阈值选择范围为50。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
目前，最有效最普遍的透明材料缺陷检测方法是采用材料底部用直线灯管照射，人工在上方观察并做标记的方法，存在着误检率、漏检率较高、检测不精确，工人劳动强度大等问题。本发明能够节省人工，降低成本，提高检测准确率，保证产品质量，提高效率，产生了良好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置的结构示意图；
图2为本发明侧面打光原理图；
图3为实施例1中侧面打光后采集的存在表面划痕缺陷的图像；
图4为图3经图像处理后透明硼硅玻璃板存在表面划痕缺陷的图像；
图5为实施例1中侧面打光后采集的存在内部裂纹缺陷的图像；
图6为图5经图像处理后透明硼硅玻璃板存在内部裂纹缺陷的图像；
图7为实施例2中侧面打光后采集的存在砂砾缺陷的图像；
图8为图7经图像处理后透明PEO塑料板存在砂砾缺陷的图像；
图9为实施例3中侧面打光后采集的存在气泡缺陷的图像；
图10为图9经图像处理后透明PYREX玻璃板存在气泡缺陷的图像。
图中，1.工业相机，2.工业条形光源，3.工业相机和条形光源的固定支架，4.水平移动步进电机，5.垂直移动步进电机，6.水平移动滚珠丝杠滑台，7.垂直移动滚珠丝杠滑台，8.计算机，9.控制箱，10.黑色传送带，11.待检测透明材料，12.暗箱，13.工业镜头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
如图1和图2所示的一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置，它包括工业相机1、工业镜头13、工业光源2、步进电机和暗箱12，其中：
所述暗箱12的底部根据输送带10的输送方向分别设置有进料口和出料口，输送带10贯穿暗箱12的进料口和出料口延伸至暗箱12的外部，待测透明板材11放置于输送带10上；
在所述暗箱12中：
横跨输送带10的上方设置有门字形吊架3，所述工业光源2设置于门字形吊架3立柱的根部，工业光源2设置为线光源，光束方向与待测透明板材11的表面平行，光束从待测透明板材11的侧面射入；
吊架3上位于横梁的一端设置有水平移动滚珠丝杠滑台6，横梁上设置有与水平移动滚珠丝杠滑台6相配合的水平丝杠，水平丝杠上设置有垂直移动滚珠丝杠滑台底座，水平移动滚珠丝杠滑台6上设置有用于驱动水平丝杠转动的水平移动步进电机4，水平移动步进电机4通过水平移动滚珠丝杠滑台6和水平丝杠驱动垂直移动滚珠丝杠滑台底座沿水平丝杠往复运动；垂直移动滚珠丝杠滑台底座上安装有垂直移动滚珠丝杠滑台7，垂直移动滚珠丝杠滑台7上设置有垂直移动步进电机5，垂直丝杠的上端安装于垂直移动滚珠丝杠滑台5上，垂直丝杠的下端固定安装有工业相机1，工业镜头13设置于工业相机1的下方，垂直移动步进电机5通过垂直移动滚珠丝杠滑台7和垂直丝杠驱动工业相机1沿竖直方向往复运动。
进一步地，所述暗箱12的材质为黑色POM塑料，暗箱12的内表面经磨砂处理防止反射产生光干扰，暗箱能够屏蔽外界自然光干扰。
进一步地，所述工业光源2设置为线光源，工业光源2的光照宽度大于待测透明板材11的厚度。
进一步地，所述工业相机1将采集的光信号转换为电信号，工业相机1通过信号线将电信号输入计算机8中，计算机8通过控制箱9控制步进电机、输送带和工业相机工作或者停止。计算机8上安装有Anaconda软件，支持Python语言编程，可以与工业相机1实现通信，获取工业相机1传输的图像和进行图像处理，实现对待测透明板材11缺陷的检测。
进一步地，所述工业相机1选用黑白相机，像素范围为500万-2000万；工业镜头13焦距范围为9mm-25mm。
进一步地，所述工业相机1的物距范围是100mm-1000mm，视野范围是20-1700mm，曝光时间范围3ms-5ms。
进一步地，所述输送带10为黑色。
一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置的检测方法，包括以下步骤：
S1、安装好本装置后，通过水平移动步进电机4和垂直移动步进电机5调整工业相机1的位置，使工业相机1位于输送带10的上方；调试与工业镜头13的焦距，使输送带10能够在工业镜头13中清晰成像；
S2、待测透明板材11放置在输送带10上，由暗箱12的进料口输送至暗箱12中，开启工业光源2，使工业光源2的光束从待测透明板材11的侧面射入，遇待测透明板材11内的微观缺陷时发生折射或反射，玻璃板内的划痕、内部裂纹、砂砾、气泡缺陷阻止来自侧面的平行光线直接穿透透明材料板，导致到达缺陷边缘处的光线向其他方向折射或反射，向上折射或反射的光信息由工业相机1接收，向下折射或反射的光线由输送带10吸收，从而避免对向上的正常光信号产生干扰，使得缺陷边缘图像就更为清晰，缺陷轮廓更高亮；
S3、工业相机1取像后通过千兆以太网将数字化的图像传给计算机8，计算机8将所得图像进行图像处理并输出检测结果，其中缺陷尺寸测量采用在相同视野中拍摄刻度尺并与缺陷图像进行对比的方式。
进一步地，所述步骤S2中微观缺陷为表面划痕、内部裂纹、砂砾和气泡，所述步骤S3中图像处理的步骤为：先二值化降噪，再高斯滤波，再二值化增强，使展现出的被检测材料缺陷轮廓信息最接近原图像的轮廓信息。
进一步地，二值化降噪阈值选择范围为48，低通高斯滤波器选用15×15的滤波器模板，二值化增强阈值选择范围为50。
在本实施例1中，将本发明提供的装置和检测方法应用于3mm厚透明硼硅玻璃板表面划痕、内部裂纹、砂砾和气泡检测，采用890万像素的黑白工业相机，选用焦距为12.5mm的工业镜头，物距167.74mm，视野189.63mm×100mm，曝光时间4.4ms，采集的图像分辨率为4096×2160。二值化降噪阈值选择范围为48，低通高斯滤波器选用15×15的滤波器模板，二值化增强阈值选择范围为50。
测得硼硅玻璃表面划痕宽度5.0mm，相对误差3.9%；划痕长度35.5mm，相对误差3.2%；气泡宽度3.0mm，相对误差4.1%；气泡高度2.5mm，相对误差3.0%；内部裂纹宽度1.7mm，相对误差2.1%；内部裂纹长度25.1mm，相对误差2.6%；砂砾宽度5.0mm，相对误差0.9%；砂砾高度4.9mm，相对误差1.1%。
实施例2
本实施例2中一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置结构与实施例1相同，在此不做赘述。
在本实施例2中，将本发明提供的装置和检测方法应用于4mm厚透明PEO塑料板表面划痕、内部裂纹、砂砾和气泡检测，采用890万像素的黑白工业相机，选用焦距为9mm的工业镜头，物距241.55mm，视野379.27mm*200mm，曝光时间4.6ms，采集的图像分辨率为4096×2160。
二值化降噪阈值选择范围为46，低通高斯滤波器选用15×15的滤波器模板，二值化增强阈值选择范围为49。
测得划痕宽度6.5mm，相对误差3.2%；划痕长度42.7mm，相对误差4.1%；气泡宽度3.5mm，相对误差3.3%；气泡高度2.8mm，相对误差3.1%；内部裂纹宽度1.5mm，相对误差3.1%；内部裂纹长度34.7mm，相对误差1.6%；砂砾宽度5.5mm，相对误差0.7%；砂砾高度4.8mm，相对误差0.8%。
实施例3
本实施例3中一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置结构与实施例1相同，在此不做赘述。
在本实施例3中，将本发明提供的装置和检测方法应用于1mm厚透明PYREX玻璃板气孔、表面划痕、内部裂纹、砂砾和气泡的检测，采用890万像素的黑白工业相机，选用焦距为25mm的工业镜头，物距268.38mm，视野151.7mm*80mm，曝光时间4.2ms，采集的图像分辨率为4096×2160。二值化降噪阈值选择范围为47，低通高斯滤波器选用15×15的滤波器模板，二值化增强阈值选择范围为51。
测得气孔宽度6.0mm，相对误差2.4%；划痕长度22.3mm，相对误差1.2%；气泡宽度4.00mm，相对误差2.1%；气泡高度3.2mm，相对误差3.3%；内部裂纹宽度1.0mm，相对误差3.1%；内部裂纹长度30.7mm，相对误差3.9%；砂砾宽度4.1mm，相对误差2.9%；砂砾高度4.4mm，相对误差2.2%。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置，它包括工业相机（1）、工业镜头（13）、工业光源（2）、步进电机和暗箱（12），其特征在于：
所述暗箱（12）的底部根据输送带（10）的输送方向分别设置有进料口和出料口，输送带（10）贯穿暗箱（12）的进料口和出料口延伸至暗箱（12）的外部，待测透明板材（11）放置于输送带（10）上；
在所述暗箱（12）中：
横跨输送带（10）的上方设置有门字形吊架（3），所述工业光源（2）设置于门字形吊架（3）立柱的根部，工业光源（2）设置为线光源，光束方向与待测透明板材（11）的表面平行，光束从待测透明板材（11）的侧面射入；
吊架（3）上位于横梁的一端设置有水平移动滚珠丝杠滑台（6），横梁上设置有与水平移动滚珠丝杠滑台（6）相配合的水平丝杠，水平丝杠上设置有垂直移动滚珠丝杠滑台底座，水平移动滚珠丝杠滑台（6）上设置有用于驱动水平丝杠转动的水平移动步进电机（4），水平移动步进电机（4）通过水平移动滚珠丝杠滑台（6）和水平丝杠驱动垂直移动滚珠丝杠滑台底座沿水平丝杠往复运动；垂直移动滚珠丝杠滑台底座上安装有垂直移动滚珠丝杠滑台（7），垂直移动滚珠丝杠滑台（7）上设置有垂直移动步进电机（5），垂直丝杠的上端安装于垂直移动滚珠丝杠滑台（5）上，垂直丝杠的下端固定安装有工业相机（1），工业镜头（13）设置于工业相机（1）的下方，垂直移动步进电机（5）通过垂直移动滚珠丝杠滑台（7）和垂直丝杠驱动工业相机（1）沿竖直方向往复运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置，其特征在于：所述暗箱（12）的材质为黑色POM塑料，暗箱（12）的内表面磨砂处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置，其特征在于：所述工业光源（2）设置为线光源，工业光源（2）的光照宽度大于待测透明板材（11）的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置，其特征在于：所述工业相机（1）将采集的光信号转换为电信号，工业相机（1）通过信号线将电信号输入计算机中。
5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置，其特征在于：所述工业相机（1）选用黑白相机，像素范围为500万-2000万；工业镜头（13）焦距范围为9mm-25mm。
6.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置，其特征在于：所述工业相机（1）的物距范围是100mm-1000mm，视野范围是20-1700mm，曝光时间范围3ms-5ms。
7.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置，其特征在于：所述输送带（10）为黑色。
8.一种如权利要求1所述的基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、安装好本装置后，通过水平移动步进电机（4）和垂直移动步进电机（5）调整工业相机（1）的位置，使工业相机（1）位于输送带（10）的上方；调试与工业镜头（13）的焦距，使输送带（10）能够在工业镜头（13）中清晰成像；
S2、待测透明板材（11）放置在输送带（10）上，由暗箱（12）的进料口输送至暗箱（12）中，开启工业光源（（2）），使工业光源（2）的光束从待测透明板材（11）的侧面射入，遇待测透明板材（11）内的微观缺陷时发生折射或反射，向上折射或反射的光信息由工业相机（1）接收，向下折射或反射的光线由输送带（10）吸收；
S3、工业相机（1）取像后通过千兆以太网将数字化的图像传给计算机（8），计算机（8）将所得图像进行图像处理并输出检测结果，其中缺陷尺寸测量采用在相同视野中拍摄刻度尺并与缺陷图像进行对比的方式。
9.根据权利要求8所述的一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置的检测方法，其特征在于：所述步骤S2中微观缺陷为表面划痕、内部裂纹、砂砾和气泡，所述步骤S3中图像处理的步骤为：先二值化降噪，再高斯滤波，再二值化增强。
10.根据权利要求9所述的一种基于机器视觉的透明板材缺陷检测装置的检测方法，其特征在于：二值化降噪阈值选择范围为48，低通高斯滤波器选用15×15的滤波器模板，二值化增强阈值选择范围为50。
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