CN113155863A - 一种基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置 - Google Patents

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王立起
王轶哲
王敏雪
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Abstract

本发明公开是关于一种基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，涉及电极帽表面缺陷检测技术领域。顶部光源集成安装在所述外壳的顶部，用于垂直向下打光，将光纤打在平面反射镜上，再由平面反射镜一次反射到电极帽侧面，经过两组三棱柱平面反射镜二次反射到电极帽的帽端的位置，使样件得到光源的照明；侧面光源固定在外壳的侧面，与集成相机由USB线供电及采集的数据传输；集成相机，安装在所述顶部光源的下端，用于对电极帽进行图像采集。占用空间小，在不影响现场作业环境与作业效率为前提而设计，且满足检出标准。电极帽表面缺陷检测装置为封闭环境，对现场复杂的光源明暗及灰尘污染环境要求低，具有较高的抗光亮干扰与抗灰尘干扰性。

Description

一种基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置
技术领域
本发明公开涉及电极帽表面缺陷检测技术领域，尤其涉及基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置。
背景技术
电极帽属于焊接电极的一种，用于电阻焊接设备的焊接，如固定式点焊机、悬挂式点焊机及机械手点焊机等，因为套于电极连杆上，故而称作电极帽。材质大多为铬锆铜，也有弥散铜。焊接一定的次数后(一般为1000-1200点)，由于磨损而需要修磨或更换，属于焊接消耗品。
电极帽在加工过程中会产生两种缺陷，一是电极帽顶端氧化，表面会发乌变黑，影响其导电性能；第二种为尾端的磨损，磨损到环形凹痕位置，即达到报废状态。在对电极帽的检测过程中，主要检测项如下表所示：
检测类型 单位 检测精度 位置
氧化变黑 mm 0.1×0.1 端面
磨损程度 mm 0.1×0.1 侧面
在现有技术中，对电极帽的检查往往通过人工检测，但是人工检测效率较低，并且检测标准受人为因素影响，因而误检率较高。因此亟需一种结构简单、成本要求低，检测效率高、检测准确的装置来代替人工检测。
电极帽检测的难度在于：如何将两种缺陷集中到一张图上，使检测流程便捷化简单化，降低采集难度；检测装置的微型化，降低占用空间，降低检测设备的成本；根据检测的缺陷，如何调整选取光源组合，使采集的图像缺陷被明显拍摄，便于后期算法处理。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置。所述技术方案如下：
该基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置设置有由六面板构成的外壳；
顶部光源，集成安装在所述外壳的顶部，用于垂直向下打光，将光纤打在平面反射镜上，再由平面反射镜一次反射到电极帽侧面，经过两组三棱柱平面反射镜二次反射到电极帽的帽端的位置，使样件得到光源的照明；
侧面光源：固定在外壳的侧面，与集成相机由USB线供电及采集的数据传输；
集成相机，安装在所述顶部光源的下端，用于对电极帽进行图像采集；
三棱柱平面反射镜，两组三棱柱平面反射镜分别安装在壳体的底部两侧，用于反射电极帽顶端的像；
平面反射镜，安装在所述壳体的底部中间位置，将三棱柱平面反射镜反射的图像与侧开槽的电极帽侧面环状凹痕，整合反射到集成相机，进行拍摄采集；
电极帽固定器，分别安装在壳体左右两侧下方开孔处，并与左右两侧分别用螺钉固定在左右两侧壁，并延伸到电极帽表面缺陷检测装置内部。
在一个实施例中，两组所述三棱柱平面反射镜的直角面相对紧贴设置，并由凹凸卡口扣紧固定，三棱柱平面反射镜通过可调节螺钉固定在外壳板上，可调节螺钉用于此两组棱柱反射镜的前后调节，棱柱斜镜面反射面与左右各一个电极帽固定检测孔相对，将电极帽顶端的像反射到平面反射镜。
在一个实施例中，所述电极帽固定器的侧开槽用于采集电极侧面环装的痕，通过凹痕判断磨损程度；开槽方向为水平朝里，并正对平面反射镜，电极帽表面缺陷检测装置包含两个固定孔，用于采集检测两个电机帽，并将两个电极帽的帽端的图像与帽身图像汇集到一张图像上；
集成的电路板由USB线供电与数据传输，用于电路板的整体供电与集成相机采集图像到上位机的数据传输。
在一个实施例中，所述平面反射镜与两组三棱柱平面反射镜均具有调节螺孔；其中，
平面反射镜底部固定，上部通过调节螺孔的位置进行倾斜角度的调节；
两组三棱柱平面反射镜呈90°排布，由调节螺孔调节前后位置，以采集到的符合后期算法的需求图像样张，对于调节螺孔的位置可根据需求进行角度距离调节。
在一个实施例中，该基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置左右内部贴片安装有增加电极帽表面缺陷检测装置内部光源整体亮度白色LED光源，用于使电极帽表面缺陷检测装置内部样件检测特征部分光照更均匀，增加对比度。
在一个实施例中，所述电极帽表面缺陷检测装置呈长方体六面立体式封闭结构，保证内部检测电极帽样件不受外部光源的干扰；其中六个外壁遮光板均喷涂为黑色非镜面，用于降低内壁反射光而影响采集的样张的成像质量效果。
在一个实施例中，所述遮光板的左右两面具有电极帽插入孔。
在一个实施例中，所述顶部光源与集成相机集成到一块电路板上，所述顶部光源选用LED光源，侧面光源选用具有漫反射的面光，所述集成相机选用非工业微型相机。
在一个实施例中，所述平面反射镜为不锈钢材质，所述平面反射镜单面经过多次打磨具有镜面反射效果。
在一个实施例中，所述三棱柱平面反射镜为呈直角三角的立体棱柱状结构，一组直角面相紧贴固定，固定面分别有一个凹凸卡口，用于固定两组三棱柱平面反射镜直角面相对位置；两组三棱柱平面反射镜的斜边经过打磨处于镜面状态，用于反射电极帽的顶部帽端的像。
本发明公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
第一、电极帽表面缺陷检测装置占用空间小，在不影响现场作业环境与作业效率为前提而设计，且满足检出标准。
第二、电极帽表面缺陷检测装置为封闭环境，对现场复杂的光源明暗及灰尘污染环境要求低，具有较高的抗光亮干扰与抗灰尘干扰性。
第三、电极帽表面缺陷检测装置相较于人工肉眼检测，具有高效性、敏捷性、便捷性、准确性等特性。
第四、针对实际应用效果，其生产节拍提高了78％，并在客户现场进行一致推广使用。
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1为本发明实施例中电极帽表面缺陷检测装置透视图，图中示出整体结构及各个结构部件的空间排布位置、结构相互连接方式及各个部件结构形态。
图2为本发明实施例中电极帽表面缺陷检测装置侧面图，图中示出了核心部分，平面反射镜、三棱柱平面反射镜的相对摆放位置及连接方式，示出了顶部集成相机及光源的固定位置。
图3为本发明实施例中电极帽表面缺陷检测装置外观视图，图中示出了外壳部分结构，并示出了侧面遮光板的电极帽固定孔；
其中，a为电极帽表面缺陷检测装置外观视正视图；b为电极帽表面缺陷检测装置外观视测试图，展示出电极帽固定器的装置。
图4为本发明实施例中电极帽表面缺陷检测装置的细节图；
其中，a为电极帽表面缺陷检测装置内部结构图；b为电极帽表面缺陷检测装置中电极帽、平面反射镜、三棱柱平面反射镜位置结构图。
图5为本发明实施例中电极帽表面缺陷检测装置采集到的电极效果图，图中示出为采集俯视图，图下方为电极帽被检测部分的感兴趣区域(铜色部分)。
图6为电极采集得到的样张图像的感兴趣区域，电极帽的位置相对为一个稳定的区域，所以感兴趣区域也为一个矩形范围内；
其中，a为电极帽表面缺陷检测装置针对电极帽端面图；b为电极帽表面缺陷检测装置针对电极帽磨损程度图。
图7为本发明实施例提供的电极帽表面缺陷检测装置光路反射图。
图中：1、顶部光源；2、集成相机；3、侧面光源；4、平面反射镜；5、电极帽固定器；6、电极帽；7、三棱柱平面反射镜。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本发明所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
该基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置通过设计一种极帽表面缺陷检测装置，经由两组工业光源打光，再通过平面反射镜4、三棱柱平面反射镜7反射成像，最后由集成相机2拍摄采集到需求的电极帽6缺陷样张。
该基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置包括一组平面反射镜4和两组三棱柱平面反射镜7利用三组反射镜的特殊组合，将电极帽6经由两次光路反射后被集成相机2采集，并且电极帽6帽身侧面像经由一次反射被顶部集成相机2共同采集，从而样件被检测特征部分都集中到了一张图像样张上，从而避免了因不同部位的缺陷而进行多个集成相机2采集点的冗余设计。
将一组电极帽6插入到电极帽表面缺陷检测装置检测孔内，通过设计电极帽表面缺陷检测装置的一组平面反射镜4、两组三棱柱平面反射镜7反射方式与顶部均匀工业光源的打光方式，将光均匀投射到电极帽6表面并反射，使电极帽6尖端氧化变黑的缺陷与帽身线痕是否磨损的缺陷集中到一张图上，即此两种缺陷呈现在一组平面反射镜4上，再通过集成相机2采集到集两种缺陷一体的一张图像上。两侧的电极帽6分别端头相对应一组反射三棱柱平面反射镜7，用来反射尖端氧化变黑的缺陷，与电极帽6平行的平面反射镜4负责反射电极帽6身两根线痕，并最终反射前两组三棱柱平面反射镜7的图像，一并反射到集成相机2，最后并被采集到，集中到一张图上。
该基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置整体外围包括长方体状的六面立体封闭式遮光板，其中主视图左右两面具有电极帽6插入孔与电极帽固定器5，固定器侧面开槽用于采集电极侧面环装的痕，通过凹痕判断磨损程度，顶部遮光板固定集成的工业光源及集成相机2，两组三棱反光镜与一组平面反射镜4，两组三棱反射镜由底部打孔与四颗螺丝链接，可前后调节，两组三棱柱平面反射镜7呈“90°直角”排布，平面反射镜4与水平方向成一定角度，反射面成的像可由顶部集成相机2拍摄。
三棱柱平面反射镜7与平面反射镜4具有调节孔，分别可调节前后距离和倾斜角度。
检测电极帽6固定孔，侧面开槽，其角度为水平方向，可由平面反射镜4反射成像，被集成相机2拍摄。
顶部光源1与集成相机2集成到一块电路板，顶部光源1选用LED光源，电极帽表面缺陷检测装置侧面选用两组具有漫反射的面光，集成相机2选用非工业微型相机。侧面光源3固定在外壳的侧面，与集成相机2由USB线供电及采集的数据传输。
光源与集成相机2由一根USB线供电及采集的数据传输。
电极帽表面缺陷检测装置呈长方体六面立体式封闭结构，保证内部检测电极帽6样件不受外部光源的干扰。
平面反射镜4角度为固定的角度，两组三棱柱平面反射镜7前后距离为最优固定距离，进行组合后，电极帽6侧面与顶端集中到一张图像上，且电极帽6顶端与侧面几乎处于同一横向坐标位置，此时作为最佳采集位置。
平面反射镜4与两组三棱柱平面反射镜7，三组都具有调节螺孔，可根据实际需求，对角度及距离进行实际调节，从而采集到适合计算的采集图片样张。
检测电极帽6固定孔，可根据与三棱柱平面反射镜7的距离进行左右距离微调，从而得到最佳采集的图像。
由三组反射镜所组成的特殊光路，可将电极帽6的帽端的特征与帽身特征汇聚到一张图像样张上，降低了检测装置的复杂度与冗余度，可降低图像算法的难度。
该基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，包含六面遮光外壳板，一组平面反射镜4，两组三棱柱平面反射镜7，集成相机2与顶部光源1，侧面两组光源，左右两侧的电极帽固定器5(水平方向侧开槽)，整体组成电极帽表面缺陷检测装置，并连接上位机(图中未给出)，以解决电极帽6上述两种缺陷类型。
详见图2，两组三棱柱平面反射镜7直角面相对紧贴，由凹凸卡口扣紧，由四个可调节螺钉，固定于底座遮光外壳板，可调节螺钉可用于此两组棱柱反射镜的前后调节，棱柱斜镜面反射面与左右各一个电极帽6固定检测孔相对，可将电极帽6顶端的像反射到平面反射镜4。
详见图2，平面反射镜4设定于特定的角度，用于反射两组三棱柱平面反射镜7所反射的电极帽顶端的像，并将反射的镜像反射到位于顶端的集成相机2，集成相机2得以采集到电极帽顶端像与侧面环状凹痕的像与一体的图像样张。
详见图3，电极帽固定器5，分别位于电极帽表面缺陷检测装置左右两侧下方开孔处，并与左右两侧分别用四个螺钉固定在左右两侧壁，并延伸到电极帽表面缺陷检测装置内部，固定器的侧开槽，方向为水平朝里，并正对平面反射镜4，电极帽表面缺陷检测装置包含两个固定孔，一次可采集检测两个电机帽，并将两个电极帽6的帽端的图像与帽身图像汇集到一张图像上。集成的电路板由一根USB线供电与数据传输，用于电路板的整体供电与集成相机2采集图像到上位机的数据传输。
详见图1和图2，集成的可调亮度的白色LED光源与集成相机2固定于电极帽表面缺陷检测装置下方，光源垂直向下打光，直接打在平面反射镜4上，再由平面反射镜4一次反射到电极帽6侧面，经过两组三棱柱平面反射镜7二次反射到电极帽6的帽端的位置，使样件得到光源的照明。
详见图1，平面反射镜4与两组三棱柱平面反射镜7均具有调节螺孔，其中平面反射镜4底部固定，上部通过调节螺孔的位置进行倾斜角度的调节，两组三棱柱可由调节螺孔调节前后位置，以采集到的符合后期算法的需求图像样张，对于螺孔的调节可根据需求进行角度距离调节，以适应不同样件的不同需求与不通检测算法的特殊需求。
电极帽表面缺陷检测装置，左右内部可贴片安装白色LED光源，以增加电极帽表面缺陷检测装置内部光源整体的亮度，使电极帽表面缺陷检测装置内部样件检测特征部分光照更均匀，增加对比度，使采集到的电极帽6图像样张缺陷更明显、对比度更高，增加算法的准确度、降低算法的复杂度。
详见图2、图3、图4，电极帽表面缺陷检测装置的六个外壁遮光板均喷涂为黑色非镜面，以此尽可能降低内壁反射光而影响采集的样张的成像质量效果。
详见图5与图6，经由集成相机2采集的图，可得到图5的样张，图中居中正下方为需检测的样件图像，所以可由后期算法截取感兴趣的大致坐标区域位置得到图6，最终经由算法依次检测电极帽6的帽端的氧化缺陷与帽身的侧面磨损程度缺陷。
详见图7，对于电极帽样件采集图像的光路设计，对于电极帽6的帽端的图像光路为，左右电极帽6均由相对的三棱柱平面反射镜7进行第一次成像反射，入射角为90°，出射角为90°，进而反射并入射到与三棱柱平面反射镜7相对的倾斜的平面反射镜4，经由平面反射镜4二次反射(红色箭头光路)后被集成相机2采集，而打到电极帽6的帽端的光为采集到的像的逆向光路；对于电极帽6侧面的环状凹痕可由倾斜的平面反射镜4一次反射(蓝色箭头光路)被相机采集，而打到电极帽6侧面的光为采集到的像的逆向光路，最终所采集到的由此特殊反射镜组合结构所反射成的像，巧妙的汇聚到一张图像样张上，避免了算法上复杂度及设计上冗余度，被集成相机2所采集到的图像样张，如图5与图6所示。
检测操作员可由连接的上位机，实时查看电极帽6在固定孔的位置，以使采集的图像准确无误，降低算法的误检率。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，其特征在于，该基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置设置有由六面板构成的外壳；
顶部光源，集成安装在所述外壳的顶部，用于垂直向下打光，将光纤打在平面反射镜上，再由平面反射镜一次反射到电极帽侧面，经过两组三棱柱平面反射镜二次反射到电极帽的帽端的位置，使样件得到光源的照明；
侧面光源：固定在外壳的侧面，与集成相机由USB线供电及采集的数据传输；
集成相机，安装在所述顶部光源的下端，用于对电极帽进行图像采集；
三棱柱平面反射镜，两组三棱柱平面反射镜分别安装在壳体的底部两侧，用于反射电极帽顶端的像；
平面反射镜，安装在所述壳体的底部中间位置，将三棱柱平面反射镜反射的图像与侧开槽的电极帽侧面环状凹痕，整合反射到集成相机，进行拍摄采集；
电极帽固定器，分别安装在壳体左右两侧下方开孔处，并与左右两侧分别用螺钉固定在左右两侧壁，并延伸到电极帽表面缺陷检测装置内部。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，其特征在于，两组所述三棱柱平面反射镜的直角面相对紧贴设置，并由凹凸卡口扣紧固定，三棱柱平面反射镜通过可调节螺钉固定在外壳板上，可调节螺钉用于此两组棱柱反射镜的前后调节，棱柱斜镜面反射面与左右各一个电极帽固定检测孔相对，将电极帽顶端的像反射到平面反射镜。
3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，其特征在于，所述电极帽固定器的侧开槽用于采集电极侧面环装的痕，通过凹痕判断磨损程度；开槽方向为水平朝里，并正对平面反射镜，电极帽表面缺陷检测装置包含两个固定孔，用于采集检测两个电机帽，并将两个电极帽的帽端的图像与帽身图像汇集到一张图像上；
集成的电路板由USB线供电与数据传输，用于电路板的整体供电与集成相机采集图像到上位机的数据传输。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，其特征在于，所述平面反射镜与两组三棱柱平面反射镜均具有调节螺孔；其中，
平面反射镜底部固定，上部通过调节螺孔的位置进行倾斜角度的调节；
两组三棱柱平面反射镜呈90°排布，由调节螺孔调节前后位置，以采集到的符合后期算法的需求图像样张，对于调节螺孔的位置可根据需求进行角度距离调节。
5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，其特征在于，该基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置左右内部贴片安装有增加电极帽表面缺陷检测装置内部光源整体亮度白色LED光源，用于使电极帽表面缺陷检测装置内部样件检测特征部分光照更均匀，增加对比度。
6.根据权利要求5所述的基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，其特征在于，所述电极帽表面缺陷检测装置呈长方体六面立体式封闭结构，保证内部检测电极帽样件不受外部光源的干扰；其中六个外壁遮光板均喷涂为黑色非镜面，用于降低内壁反射光而影响采集的样张的成像质量效果。
7.根据权利要求6所述的基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，其特征在于，所述遮光板的左右两面具有电极帽插入孔。
8.根据权利要求1所述的基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，其特征在于，所述顶部光源与集成相机集成到一块电路板上，所述顶部光源选用LED光源，侧面光源选用具有漫反射的面光，所述集成相机选用非工业微型相机。
9.根据权利要求1所述的基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，其特征在于，所述平面反射镜为不锈钢材质，所述平面反射镜单面经过多次打磨具有镜面反射效果。
10.根据权利要求1所述的基于机器视觉的电极帽表面缺陷检测装置，其特征在于，所述三棱柱平面反射镜为呈直角三角的立体棱柱状结构，一组直角面相紧贴固定，固定面分别有一个凹凸卡口，用于固定两组三棱柱平面反射镜直角面相对位置；两组三棱柱平面反射镜的斜边经过打磨处于镜面状态，用于反射电极帽的顶部帽端的像。
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