基于機(jī)器視覺與運(yùn)動(dòng)控制的藍(lán)光激光頭全自動(dòng)傾斜調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

林盛鑫 鐘惠球 黃丁香

(1．東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東東莞 523808;2．東莞理工學(xué)院 資產(chǎn)后勤管理處，廣東東莞 523808;3．東莞理工學(xué)院 學(xué)報(bào)編輯部，廣東東莞 523808)

數(shù)字式光盤存儲(chǔ)具有容量大、壽命長、高速度、低成本等優(yōu)勢(shì)，正逐步取代傳統(tǒng)的以磁帶、磁盤、硬盤等為主要存儲(chǔ)記錄的媒體，并取得了更為廣泛的應(yīng)用。由于信息的寫入和讀出都是通過光學(xué)激光頭來完成的，作為讀取高清信息的關(guān)鍵部件——藍(lán)光光學(xué)頭，性能的好壞起著至關(guān)重要的作用，對(duì)光盤存儲(chǔ)器的性能優(yōu)劣有著決定性的影響。藍(lán)光光學(xué)頭性能的一系列調(diào)整與檢測(cè)，特別是傾斜調(diào)整檢測(cè)，是讀取光盤信號(hào)是否正確的最重要保證。我國已成為世界上最大的光盤產(chǎn)品制造地［1］，光盤產(chǎn)業(yè)是我國信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。然而這些傾斜調(diào)整檢查設(shè)備都是由國外開發(fā)設(shè)計(jì)商提供，而其價(jià)格十分昂貴，制約我國的光盤產(chǎn)業(yè)整體的發(fā)展，造成光學(xué)頭生產(chǎn)企業(yè)對(duì)國外設(shè)備的技術(shù)依賴，為此，本文提出基于機(jī)器視覺技術(shù)與多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的藍(lán)光激光頭全自動(dòng)傾斜調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 藍(lán)光激光頭全自動(dòng)傾斜調(diào)整系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

藍(lán)光激光頭全自動(dòng)傾斜調(diào)整系統(tǒng)研發(fā)涉及機(jī)電平臺(tái)、設(shè)備的硬件系統(tǒng)、多軸運(yùn)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)、CCD機(jī)器視覺光斑定位系統(tǒng)和光斑變焦圖像處理系統(tǒng)組成，是一臺(tái)全自動(dòng)化精細(xì)檢測(cè)設(shè)備，總體設(shè)備方案［2］如圖1 所示。

該系統(tǒng)的硬件主要由機(jī)械機(jī)構(gòu)與計(jì)算機(jī)組成，其中機(jī)械機(jī)構(gòu)部分包括電機(jī)、機(jī)械部件、傳感器、焊接裝置、氣動(dòng)裝置和攝像頭;計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)器視覺的圖像處理與多軸運(yùn)動(dòng)精細(xì)控制以及對(duì)焊接裝置與氣動(dòng)裝置的控制。

2 機(jī)電平臺(tái)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)

機(jī)電平臺(tái)是光路系統(tǒng)、CCD攝像頭、氣動(dòng)裝置與電機(jī)等配件的安裝平臺(tái);為計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用，伺服系統(tǒng)應(yīng)用、機(jī)械自動(dòng)焊接動(dòng)作提供硬件平臺(tái)。其中機(jī)器視覺照明設(shè)計(jì)［3］的任務(wù)就是使被測(cè)物的特征與背景圖像特征之間產(chǎn)生最大的對(duì)比度，從而易于特征區(qū)分，為CCD機(jī)器視覺代替?zhèn)鹘y(tǒng)光電傳感器檢測(cè)光路方案提供可行性的重要依據(jù)。本設(shè)計(jì)分為兩路光路系統(tǒng)，分別是光斑定位光路系統(tǒng)與光斑變焦光路系統(tǒng)兩部分，如圖2所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

圖2 左為光斑定位光路設(shè)計(jì)，右為光斑變焦光路設(shè)計(jì)

3 CCD機(jī)器視覺光斑定位與焦距調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

3.1 光斑定位

通過光路系統(tǒng)，圖像采集卡對(duì)CCD所拍攝的激光光斑圖轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，通過圖像預(yù)處理［4］，去除CCD光斑信號(hào)的噪聲和保持光斑特征，然后用采用一系列數(shù)字圖像處理算法進(jìn)行光斑識(shí)別，如圖3所示。

圖3 圖像處理算法流程

在光斑定位過程中無需對(duì)光斑進(jìn)行大小的分析，只需要計(jì)算其光斑的質(zhì)心位置即可。

其中在光斑圖像中用一階矩方法計(jì)算光斑的質(zhì)心［5］，從而確定光斑質(zhì)心的精確位置坐標(biāo)。光斑的質(zhì)心 (x，y)的計(jì)算公式為:

其中:Ⅰnm是位于 (n，m)處像素的灰度值，xnm，ynm分別為 (n，m)處像素的x坐標(biāo)與y坐標(biāo)。

3.2 焦距調(diào)節(jié)

在焦距調(diào)節(jié)過程中需要分析圖像直方圖和光斑強(qiáng)度分布，計(jì)算光斑中心位置及其半徑，采用插值圓度檢測(cè)方法［6］，采用最小二乘法原理，其公式為:

其中圓心的坐標(biāo) (a，b)，半徑為r。

圖4為光斑焦距調(diào)節(jié)過程中的大小變化。

圖4 焦距調(diào)節(jié)過程中的大小變化

在實(shí)際的焦距調(diào)節(jié)變化中發(fā)現(xiàn)，其焦距大小變化規(guī)律是中間最小，兩邊最大。

最后根據(jù)半徑的大小，綜合分析得出最佳焦距，其原理為:當(dāng)光斑大小最小時(shí)，便是最佳焦距。目前解決方案是通過運(yùn)動(dòng)控制其光斑變化，分析變化軌跡，通過與前一次的光斑半徑大小作比較來判斷光斑的移動(dòng)方向，從而得知光斑往變小方向移動(dòng)，當(dāng)光斑再一次半徑變大時(shí)即可判斷上一次為最佳焦距。如圖5所示。

圖5 光斑焦距計(jì)算流程

4 多軸運(yùn)動(dòng)控制伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中的光斑定位位置精確移動(dòng)，光斑自動(dòng)變焦的位置精確移動(dòng)，自動(dòng)焊接等一系列動(dòng)作的精確控制，需要進(jìn)行電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制［7］，根據(jù)總體設(shè)計(jì)可知需要控制8個(gè)伺服電機(jī)，每個(gè)電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡的鏈接［8］，如圖6所示。

光斑的移動(dòng)動(dòng)作，需要多個(gè)電機(jī)相互協(xié)調(diào)完成，其位移控制需要圖像識(shí)別與坐標(biāo)體系的轉(zhuǎn)換來決定，特別在變焦過程中，需要三軸同時(shí)協(xié)調(diào)以及圖像處理的同步分析，最后得到指定的空間位置與最佳

圖6 多軸精密聯(lián)動(dòng)的集中控制系統(tǒng)

焦深就可以進(jìn)行焊接處理，完成激光頭傾斜調(diào)整。

5 結(jié)語

通過機(jī)器視覺與運(yùn)動(dòng)控制協(xié)同運(yùn)作，完成了對(duì)藍(lán)光激光模塊的傾斜檢測(cè)與調(diào)整，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化操作，原人均每天完成406件產(chǎn)品，其中良品數(shù)量348件，良品率為86%;采用該系統(tǒng)后，人均每天完成1 000件，良品數(shù)量為980件，良品率為98%，一個(gè)人可同時(shí)操作兩臺(tái)設(shè)備，減小了人工的參與，提高了生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的良好率;通過與人工的作業(yè)產(chǎn)量作比較，提高了30%的生產(chǎn)效率以及良好率達(dá)到98%以上。

［1］韓海生，柏原圭，張進(jìn)京．藍(lán)光存儲(chǔ)——信息化的核心技術(shù)［J］．中國信息界，2010(12):59－62．

［2］韋爭(zhēng)亮，黃志斌，古耀達(dá)，等．基于機(jī)器視覺與運(yùn)動(dòng)控制的軌距尺檢定器自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)研究［J］．中國測(cè)試，2014(40):23－27．

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［5］夏愛利，馬彩文．基于圖像處理技術(shù)的光斑質(zhì)心高精度測(cè)量［J］．光電子激光，2011(10):1542－1545．

［6］吳德剛，趙利平．基于機(jī)器視覺的圓孔尺寸測(cè)量系統(tǒng)研究［J］．應(yīng)用光學(xué)，2013，34(6):1014－1018．

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