視覺檢測技術(shù)在矯直機在線檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

于 海 霞，齊 國 清，陳 軍

（1.大連海事大學(xué) 電信科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116001；2.大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

矯直機是工業(yè)生產(chǎn)制造的一種非常重要的機械設(shè)備，用來矯正軋件在加熱、軋制、熱處理等過程中出現(xiàn)不同程度的變形［1］?，F(xiàn)在國內(nèi)外的矯直機基本上只有矯直功能，經(jīng)過矯直后的工件需要另外的檢測設(shè)備進行離線抽樣檢測，這樣的工作方式不僅浪費勞動力，而且不能保證全部產(chǎn)品的合格，所以實現(xiàn)矯直機在線實時檢測工件的直線度具有重要的工業(yè)價值。

矯直機系統(tǒng)主要是對直徑50～100mm 范圍內(nèi)的棒材加工的成套設(shè)備［2］。主要由數(shù)據(jù)采集、上位機系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、光學(xué)成像系統(tǒng)和現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)等構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)采集部分主要通過傳感器、變頻器數(shù)據(jù)反饋、編碼器組成［3］，如圖1所示。整個系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)將通過上位機系統(tǒng)顯示，并由PLC系統(tǒng)進行相關(guān)控制?？刂浦饕ㄟ^更改系統(tǒng)中各種電氣元件工作狀態(tài)來實現(xiàn)的，因此可實時反映出當(dāng)前控制系統(tǒng)和矯直系統(tǒng)的狀態(tài)，并通過上位機系統(tǒng)顯示出來。計算機檢測系統(tǒng)主要針對棒材直線度誤差評定的計算，通過直線度誤差評定算法對棒材的直線度進行評定，將評定結(jié)果輸送至PLC控制系統(tǒng)中?？刂葡到y(tǒng)中的所有參數(shù)將通過PLC 控制系統(tǒng)中完善的人機界面直觀的在觸摸屏中顯示出來，以方便用戶對整個系統(tǒng)的使用和調(diào)整。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system hardware structure

1 矯直機在線檢測系統(tǒng)的基本原理

矯直機在線檢測的基本原理如圖2所示。當(dāng)棒料到達測量位置時，接近開關(guān)發(fā)出信號給PLC，PLC 控制機械裝置將工件固定好，經(jīng)過一定的延時后，視覺傳感器通過拍攝獲取圖像信息，通過USB 傳輸?shù)接嬎銠C中。同時，PLC 控制機械裝置將工件轉(zhuǎn)動10°或者30°（這個角度可根據(jù)實際需要進行修改），轉(zhuǎn)動結(jié)束后，視覺傳感器再次拍攝，直到整個工件全部被檢測之后，PLC 控制解除機械固定裝置，并將工件輸送出測量區(qū)域，工業(yè)控制計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，計算出棒材的直線度，并與直線度標準進行比對，確定棒材是否合格，并向PLC 發(fā)出信號，在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中顯示產(chǎn)品是否合格。以上過程在矯直機生產(chǎn)過程中，不斷進行重復(fù)，直到生產(chǎn)結(jié)束。

圖2 矯直機在線檢測系統(tǒng)工藝圖Fig.2 The work flow chart of leveler online detection systems

2 矯直機在線檢測系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)

在矯直機在線檢測系統(tǒng)中，被測棒材的相關(guān)參數(shù)如下：直徑100mm，長度800mm，直線度測量分辨率R為0.5mm，工作距離800～1 200mm。

2.1 視場角、焦距與相對孔徑

設(shè)計的在線檢測系統(tǒng)需要通過棒材長度方向的軸心線測量棒材直線度誤差。檢測視場（Filed of view，F(xiàn)OV），F(xiàn)OV＝（l±100）mm，忽略冗余誤差工作距離d＝1 000 mm。設(shè)R為直線度測量分辨率，其大小為0.5 mm。根據(jù)機器視覺相關(guān)計算方法［4］，所需像元數(shù)目為：

綜合上述要求，選擇圖像傳感器像素分辨率為2 048×1 536，像元中心距ES為3.2μm。根據(jù)參數(shù)可計算出在長度方向圖像傳感器的列陣長度（Array Line，AL）：

整個光學(xué)系統(tǒng)所需要的放大倍率：

根據(jù)工作距離和放大率，得系統(tǒng)焦距為：

根據(jù)工作距離d與視場的關(guān)系式，可以估算出其半視場角：

根據(jù)相對孔徑，視場角以及焦距三者之間的公式以及物鏡的質(zhì)量因素Cm取值范圍（0.22～0.26），計算出光學(xué)成像系統(tǒng)的相對孔徑為1／3。

2.2 圖像傳感器分辨率

圖像傳感器的分辨率主要是根據(jù)傳感器的像素大小3.2μm×3.2μm，計算結(jié)果如下：

2.3 光源波長

棒材測量系統(tǒng)選擇白光LED 光源。根據(jù)圖像傳感器的工作范圍，選定波長為500～700nm 的光學(xué)系統(tǒng)。確定光學(xué)成像系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)：半視場角為30°，數(shù)值孔徑為1／3，有效焦距為35.2mm。

3 直線誤差評定算法設(shè)計

對于空間直線度誤差評定，直線度誤差檢測國家標準上提到兩端點連線法、最小二乘法，最小包容區(qū)域法［5］。最小二乘法實質(zhì)是尋找“最接近”這n個觀測點的直線［6］。為便于計算棒材軸線的像素坐標，在圖像中建立圖像坐標系如圖3所示，以圖像矩陣的第一個像素點作為坐標原點，像素為單位，圖像的橫坐標為像素的列數(shù)，圖像的縱坐標為像素的行數(shù)［7］。同時建立以毫米為單位、以O(shè)點為圓心的直角坐標系（x，y），其中O點為光軸與像平面的交點。這兩個坐標系的建立使像點和對應(yīng)點空間位置能很容易的互相換算。

圖3 像素坐標系Fig.3 The pixel coordinates

如圖3所示，實現(xiàn)圖像坐標的幾何變換，定義圖像平面上像素的重新安排，dx、dy為單元格大小，在平移多個單元格基礎(chǔ)上，像點和對應(yīng)點空間位置的關(guān)系：

根據(jù)兩對稱像素之間距離最小的原理以及中心對稱點法，將經(jīng)過邊緣檢測得到的邊緣圖像，提取上邊緣坐標Y1的像素點以及下邊緣坐標Y2的像素點，計算兩坐標之間的距離，經(jīng)過篩選后距離最小的上邊緣點Y1（i）與下邊緣點Y2（j），即為對稱像素點，其計算方法如公式8所示，其原理如圖4所示，為便于觀察，將棒材的輪廓圖進行了稍微地彎曲。

圖4 像素對稱坐標計算Fig.4 Pixel symmetry coordinates calculated

根據(jù)兩對稱像素之間距離最小的原理，確定Y1（i）與Y2（j）兩點相互對稱，根據(jù)中心對稱點法，其對稱點（x，y）即為中心點，上下邊緣對稱點的坐標為（i，Y1（i））和（j，Y1（j）），對稱點的距離為：

將所計算出的像素之間的距離存儲在數(shù)組M中，則所對應(yīng)的中心軸線像素坐標為：

用最小二乘法評定直線度誤差，是指對實際要素逐點采樣后，按所測量到的數(shù)據(jù)求得最小乘中線，然后以該直線為理想直線評定直線度誤差［8］。最小二乘法獲取基準線的方法是：

設(shè)誤差曲線由一組數(shù)據(jù)（x1，y1）構(gòu)成，設(shè)基準線的直線方程為：y＝a＋bx，根據(jù)多項式擬合方法，其直線方程為：

其擬合的基準直線為

根據(jù)基準直線的方程，求任意點（xi，yi）到該基準直線的距離，假設(shè)這些點到基準直線上下兩側(cè)距離的最大值為Δhmax，最小值為Δhmin，則其直線度誤差為：Δhmax＋Δhmin。

4 軟件設(shè)計及仿真

4.1 軟件設(shè)計

矯直機在線檢測系統(tǒng)中矯直電氣控制技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在線檢測系統(tǒng)的控制流程如圖5所示，棒料進入測量位置時，測量位置的傳感器被激活，控制測量位置的固定裝置將棒材進行固定，防止外界干擾使棒材的位置發(fā)生變化，導(dǎo)致測量準確度發(fā)生偏差。位置固定好之后，控制視覺傳感器采集棒材圖像，采集后通過固定裝置將棒材轉(zhuǎn)動30°，每轉(zhuǎn)動計數(shù)器計一次數(shù)，當(dāng)計數(shù)器到達7時，固定裝置解除，控制機械將棒料移送到產(chǎn)品篩選機構(gòu)進行篩選。

測量系統(tǒng)將6次采集到的圖像進行處理，獲得每次圖像的直線度誤差，選取誤差最大值為該棒材的直線度誤差，與直線度標準比較確定產(chǎn)品是否合格，并通過上位機控制系統(tǒng)進行產(chǎn)品的最后篩選完成測量。

4.2 仿真實現(xiàn)

通過攝像機獲取棒材長度方向圖像，根據(jù)圖像中灰度值的不同，確定棒材上下邊緣的輪廓圖像。如圖6所示，將圖像中上下邊緣線設(shè)置為白色，其他部分設(shè)置為黑色，以便于觀察和計算。

圖5 在線檢測系統(tǒng)控制流程圖Fig.5 Flow chart of online system testing

圖6 棒材上下邊緣圖像Fig.6 The image of bars up and down the edge

根據(jù)上下邊緣線像素坐標計算棒材的中心軸線，如圖7所示。

圖7 棒材中心軸線圖像Fig.7 The image of bars center axis

將中心軸線用點像素坐標來表示，部分數(shù)據(jù)如表1所示，由于數(shù)據(jù)過多，表中為所有數(shù)據(jù)中的一部分。

中心軸線像素坐標采用最小二乘法擬合基準直線，其基準直線方程為y＝a＋bx，其中a＝553.65，b＝－0.005。計算中心軸線上每個點到基準直線的距離，計算出點到基準直線最大距離為Δhmax＝0.26，最小距離為Δhmin＝－0.01，則直線度誤差為Δh＝0.27。棒材矯直要求矯直精度是1 000mm長度內(nèi)允許的直線度誤差為0.3mm，因此符合精度要求［9］。

表1 棒材中心軸線像素坐標Tab.1 The bars center axis pixel coordinates

5 結(jié) 論

設(shè)計所有算法都通過OpenCV 進行了仿真試驗，另外電氣控制程序通過西門子Step7軟件進行了仿真試驗，達到預(yù)期的控制設(shè)計要求，并且矯直精度符合標準，具有運行可靠、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點。

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