11）可检测检测出坡口内外倒角表面存在的划痕、凹坑、沾污、切口等主尺寸大于0.05mm的缺陷，且检测结果将缺陷位置分类标记；

12）能够实现亮带尺寸、内外坡口尺寸以及缺陷大小的检测，检测精度0.01mm。

3.3光学成像方案

光学成像硬件选型参考

①工业相机：端塞焊机坡口检测工位采用高分辨率工业相机配合，确保能够对坡口实现一次完整成像。相机安装位置经过精确测算，保证成像的对称性和准确性，以便清晰呈现坡口的整体形态，为缺陷判断和尺寸检测提供完整图像。拟采用海康威视MV-CS200-10GM的2000w分辨率工业相机，具体参数型号如下表：

相机参数

型号	MV-CS200-10GM
名称	2000万像素网口面阵相机
传感器类型	CMOS，卷帘快门
传感器型号	Sony IMX183
像元尺寸	2.4 μm × 2.4 μm
靶面尺寸	1”
分辨率	5472 × 3648
增益	0 dB ~ 24 dB
最大帧率	5.9 fps @5472 × 3648 Mono 8
动态范围	63 dB
镜头接口	C-mount
温度	工作温度-30°C ~ 60°C,储藏温度-30°C ~ 70°C

 

②工业镜头：搭配与所选相机相匹配的工业镜头，镜头需具备合适的焦距和视场角，以保证能够完整覆盖坡口的检测区域。拟采用海康威视的MVL-KF5024M-25MP型号工业镜头，视野范围24mm×16mm，放大倍率为0.55具体参数型号如下表：

镜头参数

型号	MVL-KF5024M-25MP
名称	50mm，2500万分辨率镜头
焦距	50 mm
F数	F2.4 ~ F16
像面尺寸	Φ19.3 mm(1.2")
畸变	0.01%
最近摄距	0.25 m
接口类型	C-Mount
温度	-10 ~ 50°C

 

③光源：针对端塞焊机坡口检测需求，采用环形光源提供均匀照明。光源亮度可调节，以适应不同坡口表面状态，避免反光或阴影影响缺陷识别。结合同轴光源抑制坡口表面的反光，突出坡口内外倒角表面的划痕、凹坑、沾污、切口等缺陷，确保技术标准尺寸范围内的缺陷能够清晰成像。拟采用锐视光电P-RL-100-90-W型号的环形光源配合P-COL-80-W同轴光源组合打光。

3.4视觉检测算法

图像预处理

算法流程分为：图像预处理、缺陷检测与分类、尺寸测量、结果输出四个阶段，核心通过亚像素级处理实现 0.01mm 精度，具体如下：

通过亚像素图像采集配合高分辨率工业相机与远心镜头，确保图像物理分辨率达 0.005mm / 像素以上，采用自适应双边滤波：保留边缘信息的同时，去除高斯噪声和椒盐噪声。公式如下：

其中，σd控制空间平滑范围，σr控制灰度相似性权重。

针对坡口倒角的明暗不均问题，使用 Retinex 算法 分离光照分量与反射分量，增强缺陷（如划痕、凹坑）与背景的灰度差异：

缺陷检测与分类

采用自适应局部阈值法（如 Niblack 算法），针对坡口表面的非均匀灰度分布，动态计算每个像素的局部阈值：

m为局部均值，s为局部标准差，k为调整系数，根据缺陷类型动态优化。对分割后的二值图像进行开运算（去除小噪声）和闭运算（填充缺陷内部孔洞），结构元素采用椭圆形。通过以下特征区分四类缺陷，并计算主尺寸：

缺陷类型	核心特征	主尺寸定义	检测方法
划痕	长条形，灰度低于背景	长度	骨架提取 + 霍夫直线检测
凹坑	圆形 / 椭圆形，边缘凹陷	直径	最小外接圆拟合
沾污	灰度高于 / 低于背景，无规则边缘	面积	轮廓面积计算
切口	边缘不连续，深度突变	深度	边缘距离测量

对缺陷边缘采用 Zernike 矩亚像素定位算法，将边缘定位精度从像素级提升至 0.01 像素内，仅保留主尺寸＞0.05mm 的缺陷。

尺寸测量

测量亮带尺寸、内外坡口尺寸（角度、宽度等）。亮带为坡口表面的高光区域，通过 灰度重心法 定位亮带边缘（亚像素级）：

对亮带灰度分布曲线 g(x)，边缘位置 x0为：

亮带宽度为两侧边缘的距离差，内外坡口尺寸测量，坡口角度测量：通过 RANSAC 算法 拟合坡口两侧边缘直线，计算直线夹角。

坡口角度测量借助 RANSAC迭代算法能有效处理含噪声和异常点的数据以拟合最优模型。具体步骤为：首先对预处理后的图像进行Canny边缘检测，获取坡口边缘点集 (其中为像素坐标);随后进入 RANSAC 直线拟合的迭代过程，单次迭代先随机选择2个点拟合直线 ,计算所有点到该直线的距离 ,将距离小于阈值的点视为内点构成内点集  ,并记录内点数量最多的直线作为最优拟合，迭代至达到最大次数或内点比例超过阈值后终止；接着对所有内点按 x 坐标排序，通过 K-means 聚类算法将点集分为左右两侧边缘点集和最后分别对这两个点集重复RANSAC拟合，得到两条直线和,其法向量分别为 和,坡口角度 。为保障精度采用 Zernike 矩或 Sobel 算子计算边缘点的亚像素位置，将定位精度从 1 像素提升至 0.01 像素，同时根据点集数量和期望的异常点比例 ,按公式 (为置信度，通常取 0.99) 动态计算迭代次数。

坡口宽度/深度测量基于拟合的边缘直线，结合相机标定参数计算物理尺寸，先确定测量基准点，其中坡口宽度通过计算左右边缘直线在坡口顶部的垂直距离得到，即延长 和 至坡口顶部水平线,得到交点和,其像素距离即为宽度的像素距离，坡口深度则计算坡口顶部到根部的垂直距离，根部点 通过拟合根部边缘或预设位置确定，顶部点 为左右边缘在 的中点，两者的像素距离为深度的像素距离；再通过相机标定得到的像素当量 (单位：mm/像素),将像素距离转换为物理尺寸，即物理尺寸=像素距离像素当量。相机标定采用张正友标定法，通过拍摄多幅不同角度的棋盘格标定板图像，求解相机内参(焦距、主点)和外参(旋转、平移),并消除径向畸变(桶形/枕形畸变)和切向畸变，其校正公式为：

(其中, 和 为畸变系数),以此保障测量精度。

3.5全自动端塞焊机坡口外观自动检测电气控制方案

关键元器件选型

(1) PLC控制器选型

a）PLC选用西门子SIMATIC S7-1200系列中的CPU 1214C，

b）高性能:S7-1200系列PLC处理速度快,单周期扫描时间短于3ms,适用于对高速控制性能要求较高的场合。

c）丰富的功能:S7-1200系列PLC具有丰富的计数、测量、比较、数据处理等功能块,配合1214C使用可实现对各种交流及直流电机的精准控制。

d）模块化结构:1214C属于S7-1200的功能模块,采用标准化机械接口直接插拔在S7-1200 CPU模块上使用,不需要外接电源,安装和接线简单方便。不同型号的1214C模块可以直接替换使用,灵活可靠。

e）可编程:S7-1200系列PLC采用西门子标准指令与STL语言进行编程,用户可以自行编写PLC程序实现对1214C及各类外设的控制逻辑,可满足不同应用场合的要求。

f）open 接口:S7-1200与1214C均提供开放式接口,可以与西门子以外的各类I/O模块、扩展模块、运动控制模块等相容使用,系统集成能力强。

g）.强大的软件支持:S7-1200有配套的STEP7 编程软件与 wincc 人机界面软件使用,软件功能强大,编程debug简单方便。

(2) 触摸屏选型

a）选用西门子TP1500 comfort系列触摸屏。

b）高性能硬件配置：15.6英寸宽屏（1920×1080 Full HD），提供清晰的视觉效果，适合复杂操作界面；搭载高性能ARM Cortex-A9多核处理器，运行流畅，可快速响应操作指令；内置4GB RAM和16GB闪存，支持大量项目数据和日志存储。

c）卓越的显示与操作体验：IPS面板，亮度高达1000 cd/m²，在强光环境下仍清晰可见，视角可达178°；支持10点触控（手势操作），同时配备物理按键（如急停按钮），适合工业环境；支持戴手套或湿手操作，适应苛刻工况。

d）丰富的通信与集成能力：ROFINET/以太网（支持实时通信）USB、RS232/485串口，无缝集成西门子TIA Portal（全集成自动化平台），支持SIMATIC S7、WinAC等控制器。

(3) 伺服选型

a）选用西门子V90系列伺服

b）高性能与精准控制:毫秒级响应：动态响应时间低至2ms，支持高频启停场景（如分拣系统、贴标机），提升设备节拍30%;超高精度定位，集成21位绝对值编码器；通过PROFINET总线实现多轴实时同步控制，适用于追剪、凸轮同步等复杂运动

C）自适应优化能力：实时参数优化功能自动适配负载惯量，兼顾高动态与平稳运行；自动识别并抑制机械谐振频率，避免设备振动导致的精度损失

D）过载能力：电机支持3倍过载（持续数秒），应对突加负载或启停冲击，保障连续生产稳定性。

E）环境适应性：电机防护等级IP65（防尘防水），轴端标配油封，驱动器PCB涂层抗腐蚀，适应油污、粉尘等恶劣环境；-30°C至+60°C宽温范围，确保极端工况稳定运行；支持200V–240V（-15%/+10%）和380V–480V（-15%/+10%）电压波动。

F）集成安全功能：紧急情况下立即切断电机扭矩，符合SIL2安全等级，保护人员与设备

G）易用性与集成便捷：Sinamics V-Assistant工具，免费调试软件，通过USB连接实现参数设置、试运行、故障诊断及实时监控；SD卡参数复制，批量设备调试时快速克隆参数，缩短工程时间；模块化接口，支持旋转式电缆接头，安装角度灵活；双通道脉冲接口简化与PLC/运动控制器连接

H）多协议兼容：集成PROFINET、PTI、Modbus RTU、USS等通信协议，无缝对接西门子PLC（如S7-1200/1500）及第三方系统。

控制系统

a）本设备以PLC作为设备的控制核心，控制气缸伺服动作、相机拍照触发、OK/NG分拣等。

b）PLC通过标准以太网连接到MES系统，和MES交换数据。
c）PLC与工控机通讯，获取工控机的拍照结果数据。

E）控制拓扑举例：

 

 

4组别标识识别与工件定位装置

安装于双工位端塞焊机上，对转运到组别识别工位的元件，进行组别识别，与信息化组别进行比对，比对正确，在识别工位进行初定位后，转运至定位工位进行精定位，并向信息化系统输出检测信息。

4.1组别标识识别与工件定位装置组成结构

1）功能模块介绍

设备功能模块主要由：上料工位、表面缺陷检测组件、坡口缺陷检测组件、坡口尺寸检测组件、下料组件等组成，具体分布见设备整体示意图。

组别识别装置整体示意图

1）动作流程介绍

 

 

 产品上料至检测工位

 相机识别产品状态，并对产品状态进行粗定位

 将产品移动至检测工位

 相机识别产品角度是否满足要求，并通过旋转台将产品转至指定角度

 相机识别产品满足组别状态后，检测完成，产品下料

3）模块介绍

A.旋转平台组件：

旋转平台组件结构示意

接触产品部分使用聚氨酯包胶轮，驱动部分使用电机连接同步轮同步带驱动，结构高度一致，皮带通过光面张紧轮张紧。

B.检测相机部分：

检测相机组件结构示意

相机组件通过X、Y、Z、R四轴微调平台，满足人工手动微调，整体安装与产线内，前端镜头通过柔性零件辅助支撑。

4.2组别标识识别与工件定位装置功能

实现功能说明：

1）在原产线工位上，通过视觉相机检测，对产品进行组别识别和分类；

2）首先进行组别识别后粗定位；

3）最后由旋转平台对产品进行精定位，将产品根据不同组别分别旋转至对应角度；

4.3组别标识识别与工件定位装置技术性能

装置主要技术参数：

1）机械标准件品牌选型

a.同步轮同步带：怡和达；

b.微调平台：米思米；

2）视觉检测相机及光源通过机械机构实现X、Y、Z、R方向手动可调；

3）装置外形尺寸：因现场产线改造，所以均为散件物料，在产线上拼装；

4）输入电压：220/380V AC，50/60Hz；

5）运行温度：+5℃~ +50℃；

6）相对湿度：≤95%；

7）抗电磁干扰模式：屏蔽、滤波、接地；

8）设备无故障稳定运行周期：≥6个月（人为因素除外）；

9）单根元件周向回转定位精度：整根元件直线度小于0.4mm时，保证精度≤±0.5°；整根元件直线度大于0.4mm，小于0.7mm时，精度≤±1°；

10）单根元件识别与定位时间：＜6s；

11）定位角度偏差在±1°范围内；

12）检测精度≤0.06mm；

13）元件组别识别成功率100%。

4.4光学成像方案

安装于双工位端塞焊机上，对转运到组别识别工位的元件，进行组别识别，与信息化组别进行比对，比对正确，在识别工位进行初定位后，转运至定位工位进行精定位，并向信息化系统输出检测信息。

光学成像硬件选型参考

①工业相机：组别识别工位选用高分辨率的面阵相机，对坡口组别号细节清晰成像，拟采用海康威视MV-CS050-10UM的500w分辨率工业相机，具体参数型号如下表：

相机参数

型号	MV-CS050-10UM
名称	500万像素网口面阵相机
传感器类型	CMOS，全局快门
传感器型号	Sony IMX264
像元尺寸	3.45 μm × 3.45 μm
靶面尺寸	2/3”
分辨率	2448 × 2048
增益	0 dB ~ 24 dB
最大帧率	60 fps@2448 × 2048 Mono 8
镜头接口	C-mount
温度	工作温度-30°C ~ 60°C,储藏温度-30°C ~ 70°C

 

②工业镜头：搭配与所选相机相匹配的工业镜头，镜头需具备合适的焦距和视场角，以保证能够完整覆盖检测区域。拟采用海康威视的MVL-MF2518M-5MPE型号工业镜头，视野范围40mm×33mm，放大倍率为0.259具体参数型号如下表：

镜头参数

型号	MVL-MF2518M-5MPE
名称	25mm，500万分辨率镜头
焦距	25 mm
F数	F1.8 ~ F16
像面尺寸	Φ11 mm(2/3'')
畸变	-0.51%
最近摄距	0.2m
接口类型	C-Mount
温度	-10 ~ 50°C

 

③光源：针对组别识别检测需求，采用环形光源提供均匀照明。光源亮度可调节，避免反光或阴影影响缺陷识别。结合同轴光源抑制表面的反光。