最好MVC薄膜瑕疵检测系统方案

MVC薄膜瑕疵检测系统方案

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MVC薄膜瑕疵检测系统方案来源:中国五金商机日期:薄膜瑕疵检测系统用于检测各类薄膜产品在生产过程中表面出现的污点、蚊虫、孔洞、杂质等常见缺陷,系统可以在生产过程中及时的发现产品表面出现的疵点信息，实时反映生产线表面的缺陷信息，并进行瑕疵分类处理，完全取代人工肉眼进行瑕疵检测。

薄膜瑕疵检测系统用于检测各类薄膜产品在生产过程中表面出现的污点、蚊虫、孔洞、杂推动相邦复合材料公司与中国商飞北京研究院、西南铝业等签订合作协议质等常见缺陷,系统可以在生产过程中及时的发现产品表面出现的疵点信息，实时反映按耐温等级大体可分为超耐热型、中耐热型、低耐热型3种生产线表面的缺陷信息，并进行瑕疵分类处理，完全取代人工肉眼进行瑕疵检测。

一、 设计要求

1.检测对象

用灰黑色不透明薄膜，幅宽不大于1000mm，厚度范围为0.2～0.5mm，每张待检薄膜厚度一致, 生产线速度不大于25米/分钟。如下图所示：

运动速度：25米/分钟≤1m

图1 检测对象示意图

2.检测要求

a) 检测幅面：1000 mm。

b) 检测速度：25米/分钟，即417mm/秒。

c) 检测能力：直径≥0.1mm的孔洞。

d) 在系统检测能力范围内，发现孔洞时，能在孔洞位置用快干墨喷上标记，且可在收卷处的轴侧做出标记。

二1定要定期进行检查（正常使用310个工作日左右）、 设计方案和可行性分析

本系统采用机器视觉技术对薄膜质量进行检测，机器视觉检测系统一般由以下几个部分组成：照明单元、相机单元、图像采集单元、图像处理单元、计算机、显示单元、执行单元和报警单元，如下图所示。要保证系统最终的检测能力，成像系统的设计很关键，下面针对各环节进行设计和设备选型。

图2  机器视觉系统结构框图

1.光源照明

在缺陷检测中，常用两种照明方式：一是反射式，二是透射式，如下面两图所示。

尽管两种方法均可以将孔洞成像，但是对孔洞的成像效果有较大差异，好的成像系统要求特征鲜明，对比度高。在孔洞很小时，反射式所成图像中的孔洞与薄膜灰度会比较接近，不易发现。由于检测对象为灰黑色不透明塑料膜，在透射照明方式下薄膜没有光线照射，成像灰度很低；只有在孔洞处光线能透射过来照射在CCD靶面上，成像灰度很亮，与薄膜图像灰度差异显著，非常利于检测，如下图所示。因此，建议选用透射的照明方式。

图4  透射图像示例

在透射成像式，要考虑到光衍射现象的影响。衍射一般发生在光源波长和孔洞直径相当的情况，可见光的波长范围为380～780nm，远远小于孔洞直径，只要不采用激光光源，衍射现象不会很严重。即使有轻微的衍射现象，会导致孔洞图像比实际孔洞略大，反而利于孔洞检测。在定位孔洞位置时，由于衍射现象是均匀发生在孔洞轮廓上的，不会影响孔洞的定位。

另外，要采用密光设计，使用箱体将成像光路包裹起来，以减少周围其他光源的影响。箱体内增加消光齿、发黑、光栏等措施，进一步减小光路入口处的杂光。

2.光源

光源是系统设计的关键，是系统的参考信号，目标信号将调制在参考信号上。对光源的要求是稳定、均匀、抗干扰能力强，且半衰期长。透射和反射光源均要保证成像区域照明均匀，照度适当，而且光源长度要求能够覆盖全视场。综合这些要求来考虑，光源只能选用线状光源。由于采用透射的照明方式，对光源的光谱范围无特殊要求，只要在可见光谱段就可以。

考虑到检测区域较宽，为1000mm，有两种光源可以选择，一是高频线状日光光源，二是LED光源。

高频线状日光光源寿命在一年左右，亮度高，光场分布均匀，价格较低。需要配用高频电子镇流器。主要参数见下表：

表1  高频线状光

源参数名称

参数

光谱范围

nm

寿命

≥2000小时

长度

1000mm

数量

1根

LED光源寿命很长，光强很稳定，可以以频率很高的脉冲信号频闪，但是价格比较贵。主要参数有：

表2  LED光源参数

名称

参数

型号

均匀性

10%

稳定性

1%

光谱范围

nm

功率

6.6W/12V

寿命

≥10000小时

外形尺寸

1000mm

数量

1个

两者综合考虑，在成像方面均能够保证质量，价格和寿命是需要衡量的因素。如果对系统成本控制要求高，建议选用高频线状日光光源；如果对成本要求不高，

而对设备维护和保养要求高，则建议选用LED光源。

3. 检测幅宽

检测对象的有效宽度为1000mm，考虑到薄膜在运动过程中可能出现的小范围摆动和偏离，因此不能只按照有效宽度设计，而要考虑幅面余量。以两边各10mm作为设计偏离余量，检测宽度定为1020mm。

4. 象元分辨力

设计要求中对孔洞的几何检测能力要求为0.1mm，按照几何分辨力为象元分辨力的1.6～2.5倍关系换算，象元分辨力需要0.063～0.04mm。考虑到透射成像时孔洞与薄膜的对比度差异很大，根据创视新科技的成熟项目经验，选择0.063mm的像元分辨率能够满足检测要求。

    由于系统的设计检测幅宽为1020mm，因此所需像元数量为16190。考虑到高分辨率相机的象素数一般为1K（1024）的整数倍，所以本系统的像元数设计为16K，实际分辨力为0. 062mm。

5. 检测对象的设计检测幅宽为1020mm，在纵向上的每秒位移为417mm，所以每秒 待处理的图像大小约为16K×6700，具有视场大，分辨率高的特点，不适于使用面阵相机进行检测。如果使用2K2K 的高分辨率面阵相机，则至少需要24台相机才能满足要求，相机的成本将会非常高，不便于安装和调试，而且由于视场大，也很难做到整个视场范围照度的均匀。

因此采用线阵相机是较好的解决方案。高分辨率线阵相机一般有2K、4K、8K、12K等几种类型。根据16K的像元数量要求，可供选择的方案为：

表3 相机方案对比表

方案

相机类型

像元尺寸

单价

对镜头要求

所需相机数量

1

2K

14 μm

低

8台

2

4K

10μm

中

4台

3

8K

7μm

高

2台

4

12K

5 μm

高

2台

在相机的选择上，主要有以下几个约束条件：象元尺寸、幅面大小、价格和系统复杂度。

 相机的象元尺寸越大，对应的空间频率越低，系统的MTF（传函）越高，像质越好。在所选镜头一定的情况下，4K相机的成像质量要好于8K相机，8K相机的成像质量要好于12K相机。

 幅面越大，视场越大，边缘视场像质越差，对镜头的要求也越高。2K相机对镜头的要求要低于4K相机，4K相机对镜头的要求要低于8K相机。

 在相机单价上，2K相机最低，4K和8K相机居中，12K相机最高。但是要考虑到配套的镜头和板卡个数。

 在系统复杂度方面，相机越多，系统安装和维护越复杂，因此如果成像质量能够满足要求，优先考虑选用数目较少相机的方案。

为满足检测要求，首先要从成像质量气门弹簧实验机是检测气门弹簧专用的检测装备来考虑。对于本系统而言，成像时并不关心薄膜上的细节，只是关心有无孔洞，对系统传函、像质要求不高。因此，四套方案均可以满足成像要求，但是方案四的成像最差。另外，从成本和系统复杂度的角度来考虑，方案一、二分别需要8台2K和4台4K相机完成整场覆盖，所需的镜头和采集卡数量也增加，硬件成本并不低，而且系统结构复杂，不便于安装和调试，不建议采用。方案三系统相对简单，成本较低，能够满足成像质量要求。方案四系统虽然也比较简单，但是价格较高。综合多种因素考虑，建议选用方案三，即2台8K相机的方案。

系统将采用2台8K相机拼接的方法完成视场的覆盖，两台相机间的重叠象素数为50个，重叠区域宽度3.15mm，每台相机的实际检测幅宽为506.6mm。下图为该方案的示意图：

图5  检测方案示意图

根据像元分辨率和薄膜的运动速度，可以计算积分时间为0.15ms，要求的行频为6.7KHz。

在相机的型号上，选择了性价比较好的加拿大Dalsa公司的Dalsa PK40相机，行频能够满足要求，它的象元尺寸为7μm。主要参数见下表。

表4  主要性能参数

名称

参数

象元尺寸

7*7 

有效象元数

8192

响应度

76 DN/J/cm2

最高行频flinemax

9KHz

最高数据率fdatamax

240MHz

谱段

0.4～1.0

传输接口

Base CamLink接口

A/D量化值

8bit

防溢出功能

有

镜头接口

645

动态范围

496:1

数量

2台

6. 镜头

由于在系统的安装空间上没有特殊限制，在镜头的选择上有很大的灵活性。一般我们选用焦距接近相机CCD尺寸的镜头。对于8K相机，像元尺寸为7m，则CCD尺寸为57mm，因此选用焦距为60mm的镜头比较合适。

根据CCD尺寸和每台相机的实际检测幅宽，可以计算出成像系统的放大倍数为0.11倍。根据焦距和放大倍数，可以计算物距为597mm。

选用Schneider公司的Apo-Componon 4.0 / 60镜头，Schneider公司是国际知名的镜头制造商，镜头的性价比很高。在物距为522mm时，所需视场角约为46.0。镜头的主要参数见下表：

表5  镜头主要参数

名称

参数

焦距

60mm

最大视场角

相对孔径范围

4.0~

工作距离

∞~0.45 m

尺寸

74mm*60.5mm

重量

410g

数量

两台

该款镜头的畸变率徆低，在成像80％范围内畸变值小于0.1％，在成像边缘处的畸变值小于0.2％。使用8K相机时在边缘处的最大畸变才为0.5mm，因此基本不用考虑畸变的影响。

7. 图像采集卡

建议采用一块Coreco公司X64-CL-iPro 图像采集卡，可选66MHz、板上内存32M。该款图像采集卡支持Cam Link传输协议，价格比较便宜，功能强大，数据传输率高达528MB/秒，能够同时支持两路8K相机的输入。该经验已经在凌云公司的有关项目中成功应用。

8.展平装置

由于薄膜为柔性材料，在采集图像时要进行展平控制。如果薄膜不平，透射光线指向角变化，会引起图像灰度急剧变化，造成漏检。建议方法是安装辊轴。

9 .为了实时检测、准确测量移动距离，能够检测后在孔洞位置喷上标记，

要求具有同步装置。一般的方法是安装与辊轴同心的编码器，使得编码器输入轴运动与薄膜运动保持同步。

10.计算机

计算机负责系统的全部管理动作，提供人机交互界面。当检测到孔洞时，可以显示缺陷画面，同时发出控制指令，控制喷墨机打印标识。

本系统采用2台高分辨率（8K）相机采集图像，根据行频可以计算每台相机的数据量约为55MB/s，图像数据量很大，因此要选用高性能的计算机完成处理任务。根据图像数据量，建议选择1台PCI-64位、66MHz的工业控制计算机。

11.检测算法

在检测算法上，由于只是检测孔洞的有无和位置，检测算法不复杂。先对图像进行二值化，然后采用Blob分析技术即可，可靠性也比较高。软件编程及现场调试大约在周左右。

三、系统设计结论

本系统的结构示意见图6（侧视图）和图7（底视图）。系统工作在可见光光谱段，采用透射的成像方式。薄膜经过辊1和辊2进行展平后，通过2台8K线阵CCD相机采集图像。经采集卡传入计算机后进行图像处理，计算图像特征，判断是否存在孔洞。如果存在，计算机发送控制信号，完成对薄膜表面质量的检测。如果现场工作环境温度较高，还要考虑对CCD相机冷却降温，以保证相机的正常工作。