图1：Durgin and Crowell 木材公司用白松制造各种用途的室内外墙板。（图片来源：Durgin and Crowell）

木板的手动分级与检测

过去，Durgin and Crowell木材公司一直雇佣人工对板材进行分级和检测。

分级系统基于美国东北木材制造商协会（NELMA）制定的东部白松标准，该标准涉及木板中结疤的类型和尺寸。检测过程包括寻找制造过程中出现的表面缺陷。

人工检测员主要判断有结疤的木板，是否需要锯下一段以避开结疤将其分类到更高质量的等级，或者保留结疤将木板等级降低。在缺陷检测方面，人工检测员要检测木材表面是否存在碾痕、凹槽或凹痕等缺陷，因为一旦用油漆给木板着色，这些缺陷的存在会让木材表面看起来很难看。

Darrah介绍说：“我们过去有不合格品剔除站点，平均每三块木板中就有一块存在缺陷。通常选择将带有结疤的部分锯掉。这并不是简单的寻找和分类，而是需要大量的思考和计算。”

然而三种情况的出现让Durgin and Crowell木材公司很快做出了新的决定。“首先，2018年，我们的刨床被烧坏了，我们不得不从头开始建造工作系统。”Darrah说，“其次，许多公司都开始销售自动分类系统。第三，工厂中的三名检测员已经接近退休年龄。考虑到劳动力市场紧张，要重新培养一批高效的、高水平人工分级检测员，将需要大量培训工作，耗时可能需要数月或数年的时间。”

采用木板自动分类系统

因此，Durgin and Crowell木材厂的管理团队决定采用自动化分类和检测系统。

第一步，该工厂于2019年购买并安装了一台自动分类机。这台分类机来自COMACT公司，该机器使用工业相机和激光器相组合的方式，分析木板上的结疤并确定结疤的等级。Darrah解释说：“分类机可以分辨出是红结疤还是黑结疤。黑结疤很可能会脱落，并在木板上留下一个洞。”

为了做到这一点，分类机需要计算结疤的大小，并分析其他特征，以确定该结疤是否可能在制造或包装过程中的某个时刻脱落。然后，分类机再决定是切下一块木板去掉结疤，还是不切木板而是降低木板的等级。

Darrah说：“现在，人工检测员的数量从过去的3人减少到了1人，而且目前人工检测员也不参与木板分类，只是做一些目视检测工作。”

增加缺陷检测流程

Darrah解释说，虽然自动分类机能有效地将木板分类，但它不会发现整天都会发生的制造缺陷，因为东部白松很软。例如，一块错误的木头可能会卡在机器里，刀具可能会变钝，或者滚筒可能没有正确对齐等等，这些情况都有可能导致木材表面产生缺陷。

他解释说：“这些问题如果没有被及时发现并得到妥善处理，那么很可能就会生产出一堆不合格的木板。要尽早发现存在的问题。”

这就是为什么该工厂的管理人员决定增加一个检测系统，该系统可以在木材通过成型机后，立即发现制造缺陷。

Darrah选择了Bodkin Design & Engineering 公司的解决方案。这家机器视觉工程公司设计了一种机器视觉解决方案，帮助工厂的质量控制人员检测制造过程中造成的木板表面缺陷。

该解决方案被称为表面光洁度检测器（Surface Finish Inspector），它允许工厂的质量控制人员在控制室、车间或其他地方的计算机监视器上查看木板。Surface Finish Inspector存储每天加工的木板图像，以便工厂人员可以回看检测缺陷。

图2：Surface Finish Inspector位于成型机附近的刨床内。（图片来源：Bodkin Design & Engineering）

Surface Finish Inspector系统于2022年在工厂安装，安装在尺寸为2×1.5×6英尺（~0.6m×0.5m×1.8m）的外壳中。通过封闭环境，能够确保不受控制的环境光不会干扰成像过程。当木板通过传送系统进入Surface Finish Inspector中后，系统会拍摄木板的图像。

Surface Finish Inspector系统的组件包括：

•LUCID的Phoenix GigE POE单色相机；

•VST America的定焦C-mount镜头；

•索尼IMX 267 CMOS图像传感器；

•LED结构照明器；

•折叠镜；

•外壳。

这里存在两个封闭的机器视觉系统：木板沿着输送机移动的两条线路各一个。机器视觉系统在木板通过成型机后立即启动，使工作人员有最多的时间实时查看图像，然后决定是否需要停止生产线来解决问题。成型机在生产过程中比自动分类机更早安装。

为了使人工能够充分详细地查看木板，系统采用了结构化照明系统。机器视觉系统不仅突出了缺陷，而且冻结了以842ft/min（~4.3m/s）的速度移动的木板。Bodkin团队设计了一个帧率12.5fps、物距750mm、焦距16mm的系统。图像场大小16英寸（~0.4m），可容纳12英寸（~0.3m）宽的木板。

Darrah补充道：“这几乎让木板看起来像月球表面一样，那些小凹痕或缺陷都会非常明显。”

相机系统拍摄图像，这些图像被连接在一起，没有间隙，因此操作员可以连续查看。来自两个系统的图像都在一台PC上进行处理。

实施过程中的挑战

工程师们解决了系统设计和实施过程中的诸多挑战。

考虑到工厂现有的输送机和机械，他们面临的主要挑战是建立一套适合可用空间的系统。

为了解决这个问题，Bodkin团队在每个外壳内放置了一面镜子。Bodkin设计与工程负责人Andrew Bodkin表示：“折叠照明路径可以减少遮光板（盒子）的尺寸。如果没有折叠，遮光板将不得不向外延伸，使系统变得笨拙庞大。”

图3：在外壳内，Surface Finish Inspector包括一个镜子，可以折叠光路。（图片来源：Bodkin Design & Engineering）

Bodkin团队还通过镜头选择解决了系统尺寸问题。

“我们测试了一些镜头，最终找到一款远心镜头能与我们购买的索尼Pregius芯片相匹配。最初的测试是用针对35mm胶片的尼康镜头进行的。但它的焦距太长，无法方便地封装；更短的焦距镜头要么太慢、无法消除运动模糊，要么太渐晕（图像边缘附近的亮度较低），无法在图像拼接时获得合理的性能。”Bodkin解释道。经过测试，该团队选择了VST America的镜头。

Bodkin团队使用C++编写了机器视觉算法。

另一个挑战是来自工厂生产机械对成像过程的干扰风险，特别是考虑到从检测系统到控制室PC的距离，而图像要在PC上进行处理和监控。Bodkin测试了一根100英尺长的以太网电缆，它工作得很好。

然而，工厂的电工团队使用了250英尺的电缆来安装生产系统。Bodkin说：“这导致速度非常慢，如果我们一秒钟能处理六张图片就已经很幸运了。”

在Bodkin的指导下，电工们将线缆长度缩短到125英尺，机器视觉系统的性能也大幅提高。

该公司可以远程访问Surface Finish Inspector，使其能够根据需要调整系统，例如更改相机的设置，或与工厂员工合作进行修改。

总结

Surface Finish Inspector系统为工厂带来了积极的结果。Darrah说：“这里的每个人都一致认为，这有助于我们发现木板表面存在的缺陷。它每小时能‘抓住’几次缺陷，从而能帮助我们捕捉到我们没有发现的缺陷。”

Darrah还指出，与缺陷产品相关的成本增加很快，尤其是如果一卡车的木板被交付给客户，然后因品质问题再被返回。“机器视觉系统能够帮助我们尽早发现问题，进而大大降低了因为品控不良导致的成本增加。”Darrah总结道。