尺寸測(cè)量

作為外觀檢測(cè)之一的尺寸檢測(cè)，是判定部件及產(chǎn)品加工/組裝是否符合規(guī)格要求的重要檢測(cè)。在如下的尺寸檢測(cè)中，可以借助視覺(jué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

測(cè)量部件及產(chǎn)品的最大、最小尺寸
測(cè)量O形環(huán)內(nèi)徑及外徑的最大值、最小值、平均值、中心坐標(biāo)等
測(cè)量金屬部件頂端部分的R或角度
測(cè)量端面及標(biāo)簽的位置
測(cè)量膜片、薄膜狀產(chǎn)品的寬度等

尺寸測(cè)量是檢測(cè)的基礎(chǔ)，卻受到人工及時(shí)間成本的制約。近年來(lái)，隨著工廠自動(dòng)化（FA：Factory Automation）的推廣，借助視覺(jué)系統(tǒng)的尺寸測(cè)量也正在普及。下面將就利用視覺(jué)系統(tǒng)的尺寸測(cè)量介紹基本原理及其優(yōu)點(diǎn)、具體案例。

判斷加工是否符合規(guī)格要求，尺寸測(cè)量的基本原理

導(dǎo)入視覺(jué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

通常，部件及產(chǎn)品的尺寸都是借助千分尺、游標(biāo)卡尺等工具進(jìn)行測(cè)量，利用檢測(cè)夾具確認(rèn)精度是否存在波動(dòng)。但使用千分尺、游標(biāo)卡尺等測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量，會(huì)受到個(gè)人差及測(cè)量條件的影響，必然產(chǎn)生誤差。使用檢測(cè)夾具時(shí)，雖然可以判定尺寸是否處于公差范圍內(nèi)，但卻無(wú)法得知正確的測(cè)量值。

還可以用投影儀、輪廓形狀測(cè)量?jī)x、3D測(cè)量?jī)x等方法測(cè)量尺寸，但這些方法都必須依靠手動(dòng)作業(yè)，時(shí)間和成本是一大難題。

而采用視覺(jué)系統(tǒng)，就能夠通過(guò)拍攝的數(shù)據(jù)，獲取各類(lèi)尺寸信息。根據(jù)拍攝的數(shù)據(jù)，可以輕松測(cè)量部件及產(chǎn)品各部位的尺寸，并判定尺寸是否處于公差范圍內(nèi)。除了各部位的長(zhǎng)度外，還能同時(shí)測(cè)量角度、圓的R等，還能以數(shù)值的形式保存為數(shù)據(jù)，這也是該功能的一大優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)全數(shù)檢測(cè)避免漏檢、不良品流出

用各種測(cè)量?jī)x器及夾具檢測(cè)尺寸時(shí)，離線的工序增加。因此，這種形式的全數(shù)檢測(cè)，會(huì)耗費(fèi)大量的人工和成本。但抽取檢測(cè)又會(huì)造成漏檢、不良品流出的可能性。利用視覺(jué)系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行尺寸檢測(cè)，就可以在線上實(shí)施全數(shù)尺寸測(cè)量。在抑制成本的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定化。

檢測(cè)高速化帶來(lái)的生產(chǎn)性提升

可以在線上進(jìn)行部件及產(chǎn)品的尺寸測(cè)量，能大幅縮短檢測(cè)所需的時(shí)間。視覺(jué)系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)的高速化，有助于提升生產(chǎn)性。

品質(zhì)信息的保存及管理

用夾具實(shí)施的尺寸檢測(cè)，無(wú)法獲取正確的測(cè)量數(shù)據(jù)。只能用來(lái)確認(rèn)尺寸是否處于公差范圍內(nèi)。而視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)施的尺寸檢測(cè)，不僅能判定合格與否，還能獲取各部位的正確尺寸數(shù)值，便于保存和管理。利用好這些信息，還能有效確保可追溯性，改良工序。

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尺寸測(cè)量的基礎(chǔ)　～借助邊緣檢測(cè)的測(cè)量～

借助視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)施的尺寸檢測(cè)，通常會(huì)運(yùn)用邊緣檢測(cè)進(jìn)行測(cè)量。為了幫助各位理解邊緣檢測(cè)，下面將就必要的像素分辨率和亞像素處理基礎(chǔ)，以及邊緣檢測(cè)的原理進(jìn)行說(shuō)明。

圖像分辨率和判定公差的關(guān)聯(lián)性

視覺(jué)系統(tǒng)的感光元件中，像素（pixel）呈格子狀排列。尺寸測(cè)量可以根據(jù)該像素?cái)?shù)及拍攝視野大致計(jì)算出“尺寸公差”。其中最重要的，就是代表“感光元件中的1像素相當(dāng)于多少mm”的“像素分辨率”。像素分辨率可通過(guò)以下公式表達(dá)。

像素分辨率＝拍攝視野（Y方向）［mm］ ÷ 感光元件的Y方向像素?cái)?shù)［像素］

例如，假設(shè)使用了31萬(wàn)像素和200萬(wàn)像素的相機(jī)。31萬(wàn)像素的Y方向像素?cái)?shù)為480像素，200萬(wàn)像素則為1200像素。

將拍攝視野設(shè)為100 mm時(shí)

【31萬(wàn)像素】: 像素分辨率　＝　100 mm　÷　480像素　＝　0.208 mm/像素
【200萬(wàn)像素】: 像素分辨率　＝　100 mm　÷　1200像素　＝　0.083 mm/像素
【2100萬(wàn)像素】: 像素分辨率　＝　100 mm　÷　4092像素　＝　0.024 mm/像素

像素分辨率如上所示。下面，將針對(duì)31萬(wàn)像素到2100萬(wàn)像素相機(jī)，對(duì)像素分辨率的情況做大致總結(jié)。

像素分辨率參考值

	拍攝視野（Y方向）［mm］
相機(jī)的像素?cái)?shù)	1	5	10	20	30	50	100	200	500
31萬(wàn)像素	0.002	0.01	0.021	0.042	0.063	0.104	0.208	0.417	1.042
200萬(wàn)像素	0.0008	0.004	0.008	0.017	0.025	0.042	0.083	0.167	0.417
500萬(wàn)像素	0.0005	0.002	0.005	0.01	0.015	0.024	0.049	0.098	0.244
2100萬(wàn)像素	0.0002	0.001	0.002	0.005	0.007	0.012	0.024	0.049	0.122

*31萬(wàn)像素傳感器CCD的Y方向像素?cái)?shù)　＝　480像素
*200萬(wàn)像素傳感器CCD的Y方向像素?cái)?shù)　＝　1200像素
*500萬(wàn)像素傳感器CCD的Y方向像素?cái)?shù)　＝　2050像素
*2100萬(wàn)像素相機(jī)感光元件的Y方向像素?cái)?shù)　＝　4092像素

尺寸檢測(cè)中，公差被作為辨別良品和不良品的閾值，通常以±5像素為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。該公式中，將可以作為公差進(jìn)行穩(wěn)定判定的像素?cái)?shù)，當(dāng)作重復(fù)精度的10倍左右，視覺(jué)系統(tǒng)的理想條件約為0.1像素，為了留有余地，將重復(fù)精度假設(shè)為0.5像素。將該重復(fù)精度的10倍——±5像素作為能夠設(shè)定為公差的最小估算值，就可以通過(guò)以下公式，求出實(shí)際尺寸值。

公差實(shí)際尺寸值［mm］＝像素分辨率（Y方向視野尺寸（mm）÷ CCD的Y方向像素?cái)?shù)） × 5像素

【31萬(wàn)像素】: 尺寸公差＝ 0.208 mm/像素 × 5像素＝ 1.04 mm
【200萬(wàn)像素】: 尺寸公差＝ 0.083 mm/像素 × 5像素＝ 0.415 mm
【2100萬(wàn)像素】: 尺寸公差＝ 0.024 mm/像素 × 5像素＝ 0.12 mm

如上所示，必須根據(jù)精度要求選擇視覺(jué)系統(tǒng)及拍攝視野。

公差判定值參考值

	拍攝視野（Y方向）［mm］
相機(jī)的像素?cái)?shù)	1	5	10	20	30	50	100	200	500
31萬(wàn)像素	0.01	0.05	0.1	0.2	0.3	0.5	1.0	2.1	5.2
200萬(wàn)像素	0.004	0.02	0.04	0.08	0.1	0.2	0.4	0.8	2.1
500萬(wàn)像素	0.002	0.01	0.02	0.05	0.07	0.1	0.2	0.5	1.2
2100萬(wàn)像素	0.001	0.006	0.01	0.02	0.04	0.06	0.1	0.2	0.6

圖像分辨率介紹

亞像素處理基礎(chǔ)

上述內(nèi)容中，將圖像分辨率詮釋為單個(gè)像素的實(shí)際尺寸值。但實(shí)際用視覺(jué)系統(tǒng)的尺寸測(cè)量，可以通過(guò)近似計(jì)算得出小于1像素的單位。這種方法就是亞像素處理。

亞像素是將像素細(xì)分化后的單位，例如在基恩士的視覺(jué)系統(tǒng)中，可以獲取的尺寸數(shù)據(jù)最小單位為1/1000像素。

亞像素的原理介紹

亞像素處理中，將檢測(cè)代表明暗對(duì)比度變化邊界的邊緣，并將其轉(zhuǎn)換為投影波形，施加微分處理。再將微分波形中的峰值點(diǎn)作為邊緣點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

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何謂利用邊緣檢測(cè)的尺寸測(cè)量

以高像素分辨率（＝精度）測(cè)量尺寸時(shí)，邊緣檢測(cè)變得非常重要。下面就邊緣檢測(cè)的基本流程進(jìn)行說(shuō)明。

1.投影處理

實(shí)施垂直于檢測(cè)方向的掃描，求出各投影線的平均濃度。投影線平均濃度波形被稱(chēng)為投影波形。

2.微分處理

通過(guò)對(duì)投影波形施加微分處理，存在邊緣可能性的位置其微分值將會(huì)增大。微分處理就是求出濃淡（灰度級(jí)）變化的處理。

微分波形（邊緣強(qiáng)度波形）

3.通過(guò)補(bǔ)正使微分最大值實(shí)現(xiàn)100%

施加補(bǔ)正，使微分值和絕對(duì)值的最大值成為100％，穩(wěn)定邊緣。將微分波形中超出設(shè)定邊緣敏感度的峰值點(diǎn)，作為邊緣點(diǎn)。

4.亞像素處理

對(duì)于微分波形中最大部分的中心附近的 3像素進(jìn)行運(yùn)算，以0.001像素為單位測(cè)量邊緣位置。

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具體應(yīng)用

伴隨著工廠自動(dòng)化的普及，縮短檢測(cè)工序的時(shí)間成為了課題，其實(shí)尺寸測(cè)量也同樣如此。正在逐漸成為此類(lèi)工序改良主流的，就是利用視覺(jué)系統(tǒng)的方法。

檢測(cè)電容器的各種尺寸

除了電容器主體的直徑及長(zhǎng)度外，還能夠測(cè)量變細(xì)部分的最小直徑、引線長(zhǎng)度及彎曲等，分段檢測(cè)各部分的邊緣位置。可以測(cè)量各部位的正確尺寸。

檢測(cè)畫(huà)面

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測(cè)量瓶體邊緣的尺寸

在線上也能實(shí)現(xiàn)正確的尺寸測(cè)量。例如，橫向拍攝在生產(chǎn)線上流動(dòng)的塑料瓶，通過(guò)測(cè)量瓶身頸環(huán)的尺寸，檢測(cè)成型不良、品種差異、裝配錯(cuò)誤等。在線上進(jìn)行尺寸檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了高效化。