基于機(jī)器視覺的糾偏檢測(cè)系統(tǒng)

陳耀歡，任德均，鄧霖杰，代成剛

（四川大學(xué)，四川成都 610065）

基于機(jī)器視覺的糾偏檢測(cè)系統(tǒng)

陳耀歡，任德均，鄧霖杰，代成剛

（四川大學(xué)，四川成都 610065）

卷材在復(fù)卷過程中容易發(fā)生偏移，而現(xiàn)有的糾偏系統(tǒng)糾偏效果不理想，利用機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一套全新的自動(dòng)糾偏系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)卷材偏移的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且能及時(shí)將偏差信號(hào)反饋給執(zhí)行元件，提高了糾偏精度和工作效率。

機(jī)器視覺；糾偏；圖像檢測(cè)；復(fù)卷機(jī)；CCD

0 引言

糾偏控制是指企業(yè)所生產(chǎn)的卷材在噴涂、印刷、層合、分切或者其他卷材卷繞過程中，始終要保持卷材側(cè)面整齊一致而采取的技術(shù)操作。因?yàn)榫聿倪吘壱坏]有對(duì)齊，就會(huì)引起后續(xù)的工步出錯(cuò)，導(dǎo)致材料浪費(fèi)或停工調(diào)整。所以，在處理加工卷材的時(shí)候，需要對(duì)偏移的卷材進(jìn)行及時(shí)的糾偏操作，這個(gè)過程稱之為糾偏。在卷材的復(fù)卷過程中，由于系統(tǒng)自身的誤差會(huì)使卷材在復(fù)卷的過程中沿卷筒的軸向有左右的擺動(dòng)，造成卷材的側(cè)面不整齊即偏移，偏移量過大會(huì)給下一道工序的生產(chǎn)造成偏差，使產(chǎn)品的質(zhì)量難以保證。故在卷材的復(fù)卷過程中要對(duì)卷材的偏移進(jìn)行實(shí)時(shí)的糾正，使偏移量控制在質(zhì)量允許的范圍內(nèi)。

1 糾偏系統(tǒng)分析

經(jīng)過分析原有復(fù)卷機(jī)的糾偏系統(tǒng)可知，其修邊復(fù)卷的糾偏原理如圖1所示。

該復(fù)卷機(jī)通過色標(biāo)傳感器（俗稱光電眼）檢測(cè)紙張的邊緣左右的偏移，控制器將色標(biāo)傳感器信號(hào)與預(yù)置的位置偏移量進(jìn)行比較運(yùn)算，當(dāng)偏移量超過預(yù)置允許量時(shí)輸出控制信號(hào)，通過液壓執(zhí)行裝置調(diào)節(jié)滾筒位移，從而對(duì)復(fù)卷的紙張位置進(jìn)行糾偏控制。

圖1 復(fù)卷機(jī)糾偏原理圖

造成原有系統(tǒng)糾偏效果不理想的原因主要有：

（1）卷材的邊緣是鋸齒或波浪型的不整齊的形狀，具有形狀誤差，色標(biāo)傳感器只能檢測(cè)紙張運(yùn)動(dòng)過程中左右的偏移量，無(wú)法消除紙張邊緣固有的形狀誤差，這就影響了原糾偏系統(tǒng)的糾偏精度和穩(wěn)定性；

（2）據(jù)查原有的色標(biāo)傳感器所能檢測(cè)到的光點(diǎn)一般為?0.5 mm～?1.5 mm，檢測(cè)精度達(dá)不到糾偏系統(tǒng)所需的精度要求；

（3）色標(biāo)傳感器的輸出信號(hào)為邏輯開關(guān)量，只有卷材的偏差到了一定位移量（一般為左右5 mm）后，根據(jù)邏輯比較運(yùn)算，發(fā)出糾偏信號(hào)控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)糾偏裝置往偏移方向相反的方向移動(dòng)，這樣雖能糾正偏差但會(huì)造成糾偏的滯后。

2 糾偏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于以上分析，設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺的糾偏系統(tǒng)，提高復(fù)卷機(jī)的糾偏精度，擬采用CCD工業(yè)數(shù)字相機(jī)檢測(cè)卷材上的基準(zhǔn)標(biāo)記線位移量來提高糾偏精度的方案。卷材上的標(biāo)記線是保證印刷精度的基準(zhǔn)，其精度高并可靠，理論上說可視為無(wú)形狀誤差的一條基準(zhǔn)線，在生產(chǎn)過程中檢測(cè)其偏移量即是紙張的真實(shí)偏移，從信號(hào)的檢測(cè)原理上提高檢測(cè)精度。

同樣可以卷材的邊緣為基準(zhǔn)線，只是在檢測(cè)的時(shí)候，邊緣是鋸齒或波浪型的不整齊的形狀時(shí)，需要進(jìn)行一系列的處理，才可形成一條可用的無(wú)形狀誤差的基準(zhǔn)線，但仍然可以達(dá)到檢測(cè)糾偏的目的，本文這里不再討論這種情況。

根據(jù)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)情況和糾偏精度要求，制定出修邊復(fù)卷機(jī)糾偏系統(tǒng)的工作示意圖2，系統(tǒng)控制原理圖3和系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖4。

圖2 復(fù)卷機(jī)糾偏新系統(tǒng)原理意圖

圖3 新系統(tǒng)控制原理

圖4 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

從圖4可以看出，修邊復(fù)卷機(jī)糾偏系統(tǒng)在功能、結(jié)構(gòu)上可分為兩大部分，即圖像檢測(cè)子系統(tǒng)和糾偏子系統(tǒng)。

2.1 圖像檢測(cè)系統(tǒng)

為了克服卷材邊緣對(duì)糾偏系統(tǒng)控制精度的影響，本系統(tǒng)采用工業(yè)CCD相機(jī)對(duì)卷材上印有的位置標(biāo)記線進(jìn)行檢測(cè)，并在檢測(cè)之前首先設(shè)定偏移基準(zhǔn)線，如圖5為所采集到的原始圖像，圖6為設(shè)定的偏移基準(zhǔn)線。本系統(tǒng)中圖像處理的最終任務(wù)是提取出作為目標(biāo)物體的標(biāo)記線，計(jì)算出標(biāo)記線中心與設(shè)定的基準(zhǔn)線的偏移量。

圖5 原始圖像

圖6 設(shè)定基準(zhǔn)線

本系統(tǒng)采集和處理圖像信號(hào)的的過程為：

（1）首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像噪聲去除，圖像質(zhì)量增強(qiáng)等；

（2）然后提取圖像的ROI區(qū)域，確定檢測(cè)的有效區(qū)域，減小處理的范圍；

（3）再對(duì)圖像中有效區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)特征進(jìn)行提取，并計(jì)算出偏離距離。系統(tǒng)利用標(biāo)記線圖像計(jì)算的偏差距離作為偏差信號(hào)E，將其傳給糾偏控制器。

如圖7所示為圖像檢測(cè)流程圖，本糾偏系統(tǒng)采用自主所研發(fā)的圖像檢測(cè)軟件。

2.2 糾偏控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)的糾偏控制系統(tǒng)采用原有糾偏控制器和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。糾偏控制器在收到嵌入式圖像處理系統(tǒng)發(fā)出的偏差信號(hào)E時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)U，該控制信號(hào)U通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓缸）帶動(dòng)卷筒紙作出相應(yīng)的調(diào)整，以到達(dá)糾偏的要求。由于采用CCD工業(yè)相機(jī)，其采集到的圖像偏離量的大小可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求由人工設(shè)定，輸出的信號(hào)即可是開關(guān)量也可是模擬量，如是開關(guān)量則可根據(jù)要求設(shè)定偏移量為多大時(shí)就須送出控制信號(hào)，從而提高控制精度，即如果計(jì)算得到的偏移量超過設(shè)定值，則進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)糾偏。

圖7 圖像檢測(cè)流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試主要包括系統(tǒng)的安裝及相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，其大體的調(diào)試步驟如下：

（1）安裝相機(jī)，調(diào)整相機(jī)到卷材紙面的距離；

（2）安裝光源，并粗略調(diào)節(jié)光源的照射角度；

（3）將相機(jī)和光源的連接線插好，開啟工控機(jī)；

（4）用相機(jī)的應(yīng)用軟件，依照所采集的圖像，調(diào)整相機(jī)的焦距、光圈及光源照射角度，當(dāng)獲得最佳圖像時(shí)，固定相機(jī)及光源；

（5）接糾偏控制器接到工控機(jī)上；

（6）運(yùn)行整體系統(tǒng)，進(jìn)行程序調(diào)試。

系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行如下設(shè)置：基準(zhǔn)位置：350pix，響應(yīng)精度：5pix，快門：10，增益：300，圖像寬度：640，圖像高度：10。

相機(jī)的采集頻率可達(dá)500 f/s，其完全滿足糾偏系統(tǒng)所需的檢測(cè)頻率。

當(dāng)系統(tǒng)的響應(yīng)精度設(shè)置不同時(shí)，系統(tǒng)的糾偏效果也會(huì)不同。本文分別將系統(tǒng)的響應(yīng)精度設(shè)置為1、5、10及20來進(jìn)行分析比較。同時(shí)經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)向系統(tǒng)的糾偏控制器傳送30 ms的高低電平時(shí)，系統(tǒng)的糾偏機(jī)構(gòu)能夠靜止不動(dòng)，這是原來的糾偏系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的是一種基于機(jī)器視覺的修邊復(fù)卷機(jī)糾偏系統(tǒng)。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行該糾偏系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明圖像處理系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地識(shí)別標(biāo)記線，且能夠在10 ms內(nèi)向糾偏控制器發(fā)送糾偏信號(hào)，檢測(cè)精度在0.02 mm以內(nèi)。整套糾偏系統(tǒng)的糾偏精度達(dá)到0.15 mm，滿足印刷生產(chǎn)的實(shí)際需要。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行表明，該套印控制系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單方便，人機(jī)界面友好，性價(jià)比高，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

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System of Deviation Detector Based on Machine Vision

CHEN Yao-huan，REN De-jun，DENG Lin-jie，DAI Cheng-gang（Sichuan University，Chengdu610065，China）

Under background of coiled material are easily deviation，in the process of rewinding and the existing correction system is not satisfied，sets up an automatic correction device based on machine vision to online monitoring of deviation and feedback the deviation signal to the actuator.In a very large extent，it improves the corrective accuracy and work efficiency.

machine vision；deviation rectifying；image detection；rewinder；CCD

TP274+.5

：A

：1009－9492(2014)11－0086－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.024

陳耀歡，男，1989年生，河南濮陽(yáng)人，碩士。研究領(lǐng)域：數(shù)字圖像處理，生產(chǎn)過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

(編輯：向 飛)

2014－08－06