CN112924462A - 一种反射表面缺陷检测装置和控制方法 - Google Patents

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CN112924462A CN202110096579.6A CN202110096579A CN112924462A CN 112924462 A CN112924462 A CN 112924462A CN 202110096579 A CN202110096579 A CN 202110096579A CN 112924462 A CN112924462 A CN 112924462A
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陶迁
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Abstract

本发明涉及一种反射表面缺陷检测装置，包括支撑框架、偏折术系统组件和移动平台组件，支撑框架包括上层框架和下层框架，上层框架的内部设有电脑主机、可编程逻辑控制器(PLC)和伺服电机驱动器，外侧设有控制面板和显示器，偏折术系统组件位于下层框架中，下层框架的底部设有支撑腿，移动平台组件的一端固定在下层框架中的偏折术系统组件的下方，另一端延伸出下层框架且底部设有支撑腿。与现有技术相比，本发明具有提高缺陷检测的准确性和稳定性、降低进行缺陷检测的成本等优点。

Description

一种反射表面缺陷检测装置和控制方法
技术领域
本发明涉及一种检测装置，尤其是涉及一种反射表面缺陷检测装置和控制方法。
背景技术
基于视觉的缺陷检测技术在产品质量控制中得到广泛的应用。针对这些表面的缺陷检测，因机器视觉设备检测的不可靠性，当下大部分的企业始终使用传统的工人质检形式。这种方式不仅效率低下，而且会因检测人员的视觉疲劳以及对缺陷标准评判不一导致大量的误检和漏检。在实际应用中，普通视觉对反射表面的检查会存在额外挑战。一方面，大多数基于视觉的表面检测方法都依赖于漫反射。另一方面，这些方法的如果用于检测反射表面需要额外辅助，例如，要确定手机屏幕上的划痕，可能需要复杂的专用设备，这对企业来说显然是障碍。为了改进反射表面的缺陷检测，相位测量偏折术被提出并应用。
相位测量偏折(Phase Measuring Deflectometry，PMD)通过LCD屏幕将编制好的正弦条纹或余弦条纹投射到被测物体表面上，经过物体表面调制后形成变形条纹，工业相机采集变形条纹并传给计算机，经过求解包裹相位(解相位主值)和相位展开，得到实际相位分布，并代入到相位-高度计算公式计算出被测物体表面的高度。
目前现有技术中使用相位测量偏折术主要用于镜面的三维重建，例如在CN105806257B中公开了用两个LCD屏幕和一个工业相机构成一种高反射物体表面光场偏折术测量系统，用于高精密物体表面三维重建。由于相位测量偏折术对镜面表面形状变化十分敏感，并且在测量相对变形时对系统标定误差的容忍度更高，因此将相位测量偏折术应用于镜面测量和缺陷检测越来越受到人们的重视。例如在CN111257338A中公开了利用双目系统及投影装置以获得反射表面相位信息，基于相位信息识别出缺陷区域，但并未排除非条纹投影区域对反射表面缺陷检测的影响，导致最终的检测结果存在较大误差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种反射表面缺陷检测装置和控制方法，对条纹投影区域(有效区域)和非条纹投影区域进行分割，避免了非条纹投影区域对反射表面缺陷检测的影响，再使用边缘检测算法对条纹投影区域内的缺陷进行提取，达到了缺陷检测的效果。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种反射表面缺陷检测装置，包括支撑框架、偏折术系统组件和移动平台组件，所述支撑框架包括上层框架和下层框架，所述上层框架的内部设有电脑主机、可编程逻辑控制器(PLC)和伺服电机驱动器，外侧设有控制面板和显示器，所述偏折术系统组件位于下层框架中，所述下层框架的底部设有支撑腿，所述移动平台组件的一端固定在下层框架中的偏折术系统组件的下方，另一端延伸出下层框架且底部设有支撑腿。
所述偏折术系统组件包括相机固定横梁、相机固定座、工业相机、条纹投影屏幕、屏幕固定件、屏幕固定横梁、梯形连接块和立柱，所述立柱的底部与支撑框架的底板通过螺钉进行固定。
进一步地，所述相机固定横梁由四根3030铝型材组成，通过螺钉与立柱的顶端连接，相机固定座通过螺钉连接在相机固定横梁的中部下侧，相机固定座与相机固定横梁的连接处设有铰链，工业相机通过螺钉连接固定在相机固定座上。
进一步地，所述屏幕固定横梁通过螺钉与梯形连接块连接，梯形连接块通过螺钉与立柱的顶部相连，屏幕固定件通过螺钉连接固定在屏幕固定横梁上，条纹投影屏幕为高亮度、高对比度的平面LCD屏幕，通过螺钉连接在屏幕固定件上。
所述条纹投影屏幕与水平面之间的倾斜角为60°。
所述移动平台组件包括限位块、同步带轮固定块、同步带轮、同步带、导轨、平台板、电机固定块、伺服电机、滑块、型材和同步带压板，所述型材为移动平台组件的主要承载部件，通过螺钉连接安装在支撑框架的底板上。
进一步地，所述限位块通过螺钉固定在型材的一端；导轨的数量为2个，通过螺钉平行固定在型材上；滑块的数量为4个，分别设置在平台板的四角，滑块以2个为一组分别与2个导轨滑动连接；电机固定块通过螺钉固定在型材上远离限位块的一端，伺服电机通过螺钉连接安装在电机固定块上。
进一步地，所述同步带轮的类型包括主同步带轮和从同步带轮，主同步带轮安装在伺服电机的输出轴上，从同步带轮安装在同步带轮固定块上，同步带轮固定块设于型材上限位块所在的一端，主同步带轮与从同步带轮之间通过同步带进行连接，同步带通过同步带压板与平台板连接。
所述支撑腿由6060型材组成。
所述控制面板为触摸屏人机交互界面，控制面板上多个控制按键，所述控制按键的类型包括开始按键、暂停按键和停止按键。
所述显示器作为检测监控和结果显示的窗口。
一种使用所述反射表面缺陷检测装置的控制方法，具体包括以下步骤：
S1、待检测物体通过平台板移动至支撑框架内，位于偏折术系统组件的工业相机和条纹投影屏幕下方，待检测物体表面与条纹投影屏幕和工业相机之间满足反射定律；
S2、条纹投影屏幕根据预设的条纹周期，分别生成一张纯白图案、一张纯黑图案、格雷码条纹图案和四步相移法的正弦条纹图案或余弦条纹图案并投射到待检测物体的表面；
S3、工业相机采集待检测物体表面上调制后形成的变形条纹，分别对变形条纹中工业相机拍摄的格雷码的变形条纹和相移的变形条纹进行解码；
S4、通过四象限反正切函数对解码后的变形条纹进行相位展开，得到绝对相位图，并从绝对相位图中分割出投影区域；
S5、通过边缘检测算子检测出投影区域边缘和区域内缺陷的边缘，经过阈值分割和连通域分析提取出缺陷图像，缺陷图像发送到显示器进行显示。
所述正弦条纹图案和余弦条纹图案均包括水平和垂直类型，其中垂直余弦条纹图案的生成公式具体如下：
Figure BDA0002914205930000031
水平余弦条纹图案的生成公式具体如下：
Figure BDA0002914205930000032
其中，f(x,y)为(x,y)像素点处的灰度值；G为灰度值的最大值，T为条纹周期；
所述相移的变形条纹的强度表达式为：
Figure BDA0002914205930000041
其中，In(x,y)为捕捉的图像中(x,y)像素点处的灰度值，a(x,y)为平均强度，b(x,y)为强度调制，Φ(x,y)为x或y方向的绝对相位值。
进一步地，所述绝对相位值由包裹相位进行相位展开来求取，包裹相位通过对多步相移法图案解码得到，具体公式如下：
Figure BDA0002914205930000042
其中，
Figure BDA0002914205930000043
为包裹相位；
由包裹相位计算绝对相位值的公式如下：
Figure BDA0002914205930000044
其中，K(x,y)为格雷码的条纹序列。
所述步骤S3中格雷码的变形条纹的解码过程具体如下：
S31、对格雷码的变形条纹对应的所有照片进行二值化处理；
S32、获取纯白色图案和纯黑色图案投影下像素点的灰度值，以及第n张相机捕捉的反射图案里像素点的灰度值，判断反射图案里像素点的灰度值是否大于纯白色图案和纯黑色图案投影下像素点的灰度值的平均值，若是则像素点为1，反之则为0；
S33、按照格雷码图案的投影顺序并读取像素点二值化处理结果，并将结果从左向右排列获得格雷码，先将格雷码转化为二进制数，再将二进制数转化为十进制数，得到的十进制数即为条纹序列。
所述投影区域可提取连续相位，属于低频信号；非投影区域为斑点噪声，属于高频信号；表面缺陷在绝对相位图中表现为局部梯度畸变，也属于高频信号。通过判断反射图案里像素点的灰度值是否大于纯白色图案下像素点的灰度值与纯黑色图案投影下像素点的灰度值的差值，若是则像素点位于投影区域内，反之，则在非投影区域。
所述步骤S5中通过边缘检测算子进行检测时，滞后阈值的低阈值大小小于投影区域分割时预设的低阈值，使区域边缘和区域内缺陷被突显出来。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用单个工业相机加上格雷码条纹结合相移条纹作为投影结构光的系统设置，来获取待检测物体的反射表面的相位信息，对条纹投影区域和非条纹投影区域进行分割，避免了非条纹投影区域对反射表面缺陷检测的影响，再使用边缘检测算法对条纹投影区域内的缺陷进行提取，提高了缺陷检测的准确性和稳定性，同时降低了进行缺陷检测的成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明偏折术系统组件的结构示意图；
图3为本发明移动平台组件的结构示意图；
图4为本发明反射定律的原理图；
图5为本发明缺陷检测的流程示意图。
附图标记：
1-支撑框架；2-偏折术系统组件；3-移动平台组件；4-支撑腿；5-控制面板；6-显示器；21-相机固定横梁；22-相机固定座；23-工业相机；24-条纹投影屏幕；25-屏幕固定件；26-屏幕固定横梁；27-梯形连接块；28-立柱；31-限位块；32-同步带轮固定块；331-从同步带轮；332-主同步带轮；34-同步带；35-导轨；36-平台板；37-电机固定块；38-伺服电机；39-滑块；310-型材；311-同步带压板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，一种反射表面缺陷检测装置，包括支撑框架1、偏折术系统组件2和移动平台组件3，支撑框架1包括上层框架和下层框架，上层框架的内部设有电脑主机、可编程逻辑控制器(PLC)和伺服电机驱动器，外侧设有控制面板5和显示器6，偏折术系统组件2位于下层框架中，下层框架的底部设有支撑腿4，移动平台组件3的一端固定在下层框架中的偏折术系统组件2的下方，另一端延伸出下层框架且底部设有支撑腿4。
如图2所示，偏折术系统组件2包括相机固定横梁21、相机固定座22、工业相机23、条纹投影屏幕24、屏幕固定件25、屏幕固定横梁26、梯形连接块27和立柱28，立柱28的底部与支撑框架1的底板通过螺钉进行固定。
相机固定横梁21由四根3030铝型材组成，通过螺钉与立柱28的顶端连接，，相机固定座22通过螺钉连接在相机固定横梁21的中部下侧，相机固定座22与相机固定横梁21的连接处设有铰链，工业相机23通过螺钉连接固定在相机固定座22上。
屏幕固定横梁26通过螺钉与梯形连接块27连接，梯形连接块27通过螺钉与立柱28的顶部相连，屏幕固定件25通过螺钉连接固定在屏幕固定横梁26上，条纹投影屏幕24为高亮度、高对比度的平面LCD屏幕，通过螺钉连接在屏幕固定件25上。
条纹投影屏幕24与水平面之间的倾斜角为60°。
如图3所示，移动平台组件包括限位块31、同步带轮固定块32、同步带轮、同步带34、导轨35、平台板36、电机固定块37、伺服电机38、滑块39、型材310和同步带压板311，型材310为移动平台组件的主要承载部件，通过螺钉连接安装在支撑框架1的底板上。
限位块31通过螺钉固定在型材310的一端；导轨35的数量为2个，通过螺钉平行固定在型材310上；滑块39的数量为4个，分别设置在平台板36的四角，滑块39以2个为一组分别与2个导轨35滑动连接；电机固定块37通过螺钉固定在型材310上远离限位块31的一端，伺服电机38通过螺钉连接安装在电机固定块37上。
同步带轮的类型包括主同步带轮332和从同步带轮331，主同步带轮332安装在伺服电机38的输出轴上，从同步带轮331安装在同步带轮固定块32上，同步带轮固定块32设于型材310上限位块31所在的一端，主同步带轮332与从同步带轮331之间通过同步带34进行连接，同步带34通过同步带压板311与平台板36连接。
支撑腿4由6060型材组成。
支撑框架1由4040铝型材搭建构成。
控制面板5为触摸屏人机交互界面，控制面板5上多个控制按键，控制按键的类型包括开始按键、暂停按键和停止按键。
显示器6作为检测监控和结果显示的窗口。
如图5所示，一种使用反射表面缺陷检测装置的控制方法，具体包括以下步骤：
S1、人工将待检测物体放置在移动平台组件3的平台板36上，保证物体在平台板36的中间位置，人工按下控制面,5上的开始按键，伺服电机38开始工作，通过主同步带轮332、从同步带轮331、同步带34和同步带压板311的传动，将平台板36平移到支撑框架1内，保证待检测物体表面与条纹投影屏幕24和工业相机23满足如图4所示的反射定律；根据物体表面积和反射率的大小，在控制面板5上的选择适合的条纹周期，按下启动按键；
S2、条纹投影屏幕24根据预设的条纹周期，分别生成一张纯白图案、一张纯黑图案、格雷码条纹图案和四步相移法的正弦条纹图案或余弦条纹图案并投射到待检测物体的表面；
S3、工业相机23采集待检测物体表面上调制后形成的变形条纹，分别对变形条纹中工业相机23拍摄的格雷码的变形条纹和相移的变形条纹进行解码；
S4、通过四象限反正切函数对解码后的变形条纹进行相位展开，得到绝对相位图，并从绝对相位图中分割出投影区域；
S5、通过边缘检测算子检测出投影区域边缘和区域内缺陷的边缘，经过阈值分割和连通域分析提取出缺陷图像，缺陷图像发送到显示器6进行显示。
正弦条纹图案和余弦条纹图案均包括水平和垂直类型，其中垂直余弦条纹图案的生成公式具体如下：
Figure BDA0002914205930000071
水平余弦条纹图案的生成公式具体如下：
Figure BDA0002914205930000072
其中，f(x,y)为(x,y)像素点处的灰度值；G为灰度值的最大值，T为条纹周期；
相移的变形条纹的强度表达式为：
Figure BDA0002914205930000081
其中，In(x,y)为捕捉的图像中(x,y)像素点处的灰度值，a(x,y)为平均强度，b(x,y)为强度调制，Φ(x,y)为x或y方向的绝对相位值。
绝对相位值由包裹相位进行相位展开来求取，包裹相位通过对多步相移法图案解码得到，具体公式如下：
Figure BDA0002914205930000082
其中，
Figure BDA0002914205930000083
为包裹相位；
由包裹相位计算绝对相位值的公式如下：
Figure BDA0002914205930000084
其中，K(x,y)为格雷码的条纹序列。
步骤S3中格雷码的变形条纹的解码过程具体如下：
S31、对格雷码的变形条纹对应的所有照片进行二值化处理；
S32、获取纯白色图案和纯黑色图案投影下(x,y)像素点的灰度值分别为W(x,y)和B(x,y)，第n张相机捕捉的反射图案里(x,y)像素点的灰度值为Gn(x,y),若Gn(x,y)大于等于W(x,y)与B(x,y)的平均值，则(x,y)像素点为1，反之则为0。
S33、按照格雷码图案的投影顺序并读取像素点二值化处理结果，并将结果从左向右排列获得格雷码，先将格雷码转化为二进制数，再将二进制数转化为十进制数，得到的十进制数即为条纹序列。
投影区域可提取连续相位，属于低频信号；非投影区域为斑点噪声，属于高频信号；表面缺陷在绝对相位图中表现为局部梯度畸变，也属于高频信号。若Gn(x,y)≥W(x,y)-B(x,y)，(x,y)像素点被认为在投影区域内，反之，则在非投影区域。
步骤S5中通过边缘检测算子进行检测时，滞后阈值的低阈值大小小于投影区域分割时预设的低阈值，使区域边缘和区域内缺陷被突显出来。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反射表面缺陷检测装置，其特征在于，包括支撑框架(1)、偏折术系统组件(2)和移动平台组件(3)，所述支撑框架(1)包括上层框架和下层框架，所述上层框架的内部设有电脑主机、可编程逻辑控制器和伺服电机驱动器，外侧设有控制面板(5)和显示器(6)，所述偏折术系统组件(2)位于下层框架中，所述下层框架的底部设有支撑腿(4)，所述移动平台组件(3)的一端固定在下层框架中的偏折术系统组件(2)的下方，另一端延伸出下层框架且底部设有支撑腿(4)。
2.根据权利要求1所述的一种反射表面缺陷检测装置，其特征在于，所述偏折术系统组件(2)包括相机固定横梁(21)、相机固定座(22)、工业相机(23)、条纹投影屏幕(24)、屏幕固定件(25)、屏幕固定横梁(26)、梯形连接块(27)和立柱(28)，所述立柱(28)的底部与支撑框架(1)的底板通过螺钉进行固定。
3.根据权利要求2所述的一种反射表面缺陷检测装置，其特征在于，所述相机固定横梁(21)通过螺钉与立柱(28)的顶端连接，相机固定座(22)通过螺钉连接在相机固定横梁(21)的中部下侧，相机固定座(22)与相机固定横梁(21)的连接处设有铰链，工业相机(23)通过螺钉连接固定在相机固定座(22)上。
4.根据权利要求2所述的一种反射表面缺陷检测装置，其特征在于，所述屏幕固定横梁(26)通过螺钉与梯形连接块(27)连接，梯形连接块(27)通过螺钉与立柱(28)的顶部相连，屏幕固定件(25)通过螺钉连接固定在屏幕固定横梁(26)上，条纹投影屏幕(24)为平面LCD屏幕，通过螺钉连接在屏幕固定件(25)上。
5.根据权利要求1所述的一种反射表面缺陷检测装置，其特征在于，所述移动平台组件包括限位块(31)、同步带轮固定块(32)、同步带轮、同步带(34)、导轨(35)、平台板(36)、电机固定块(37)、伺服电机(38)、滑块(39)、型材(310)和同步带压板(311)，所述型材(310)为移动平台组件的主要承载部件，通过螺钉连接安装在支撑框架(1)的底板上。
6.根据权利要求5所述的一种反射表面缺陷检测装置，其特征在于，所述限位块(31)通过螺钉固定在型材(310)的一端；导轨(35)的数量为2个，通过螺钉平行固定在型材(310)上；滑块(39)的数量为4个，分别设置在平台板(36)的四角，滑块(39)以2个为一组分别与2个导轨(35)滑动连接；电机固定块(37)通过螺钉固定在型材(310)上远离限位块(31)的一端，伺服电机(38)通过螺钉连接安装在电机固定块(37)上。
7.根据权利要求6所述的一种反射表面缺陷检测装置，其特征在于，所述同步带轮的类型包括主同步带轮(332)和从同步带轮(331)，主同步带轮(332)安装在伺服电机(38)的输出轴上，从同步带轮(331)安装在同步带轮固定块(32)上，同步带轮固定块(32)设于型材(310)上限位块(31)所在的一端，主同步带轮(332)与从同步带轮(331)之间通过同步带(34)进行连接，同步带(34)通过同步带压板(311)与平台板(36)连接。
8.一种使用如权利要求1所述的反射表面缺陷检测装置的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、待检测物体通过平台板(36)移动至支撑框架(1)内，位于偏折术系统组件(2)的工业相机(23)和条纹投影屏幕(24)下方；
S2、条纹投影屏幕(24)根据预设的条纹周期，分别生成一张纯白图案、一张纯黑图案、格雷码条纹图案和四步相移法的正弦条纹图案或余弦条纹图案并投射到待检测物体的表面；
S3、工业相机(23)采集待检测物体表面上调制后形成的变形条纹，分别对变形条纹中工业相机(23)拍摄的格雷码的变形条纹和相移的变形条纹进行解码；
S4、通过四象限反正切函数对解码后的变形条纹进行相位展开，得到绝对相位图，并从绝对相位图中分割出投影区域；
S5、通过边缘检测算子检测出投影区域边缘和区域内缺陷的边缘，经过阈值分割和连通域分析提取出缺陷图像，缺陷图像发送到显示器(6)进行显示。
9.根据权利要求8所述的一种使用反射表面缺陷检测装置的控制方法，其特征在于，所述正弦条纹图案和余弦条纹图案均包括水平和垂直类型，其中垂直余弦条纹图案的生成公式具体如下：
Figure FDA0002914205920000021
水平余弦条纹图案的生成公式具体如下：
Figure FDA0002914205920000022
其中，f(x,y)为(x,y)像素点处的灰度值；G为灰度值的最大值，T为条纹周期；
所述相移的变形条纹的强度表达式为：
Figure FDA0002914205920000031
其中，In(x,y)为捕捉的图像中(x,y)像素点处的灰度值，a(x,y)为平均强度，b(x,y)为强度调制，Φ(x,y)为x或y方向的绝对相位值。
10.根据权利要求9所述的一种使用反射表面缺陷检测装置的控制方法，其特征在于，所述绝对相位值由包裹相位进行相位展开来求取，包裹相位通过对多步相移法图案解码得到，具体公式如下：
Figure FDA0002914205920000032
其中，
Figure FDA0002914205920000033
为包裹相位；
由包裹相位计算绝对相位值的公式如下：
Figure FDA0002914205920000034
其中，K(x,y)为格雷码的条纹序列。
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