人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳龍現(xiàn)，劉傳澤，杜光月，王 霄，周玉成

（1.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟南 250101；2.中國林業(yè)科學(xué)院，北京 100000）

0 引言

連續(xù)壓機生產(chǎn)線的普及促使人造板實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，但是生產(chǎn)線末端的缺陷檢測環(huán)節(jié)較為滯后，仍依靠人力用肉眼進行觀測，勞動時間長存在誤檢率增高的問題。由于機器視覺檢測具有客觀性、不間斷性和正確率高等優(yōu)點，可以被用于人造板缺陷檢測環(huán)節(jié)[1]?；跈C器視覺的人造板缺陷檢測系統(tǒng)是利用工業(yè)相機對人造板表面圖像進行采集，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，根據(jù)圖像中相關(guān)特征進行判斷并對人造板進行相應(yīng)的處理[2]。由于人造板面積為2.4m×4.8m，生產(chǎn)線上兩塊人造板之間的距離為400mm，運動速度為1500mm/s，其模糊像素點的個數(shù)約為6個，運動模糊對圖像清晰度產(chǎn)生嚴重影響，造成圖像模糊，直接導(dǎo)致后續(xù)圖像缺陷檢測環(huán)節(jié)的質(zhì)量。

基于此本研究提出并設(shè)計人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)，根據(jù)同步運動原理，實現(xiàn)相機與高速人造板在攝像時間內(nèi)同步運動，保持相對靜止并攝像，進而獲取高清圖像?，F(xiàn)階段，同步控制方式中主要有液壓、汽壓、電機控制等[3～5]。其中液壓控制精度高，但是需要配備液壓站，定期維護，且維護較為困難；而汽壓控制精度相對較低，不易采用。因此以上兩種控制方式均不適用于人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)。由于電機控制具有靈活度高、精度高等優(yōu)點[6]，本研究提出并設(shè)計一種基于伺服電機的運動控制系統(tǒng)，驅(qū)動凸輪[7]帶動同步跟蹤裝置運動，進而實現(xiàn)相機跟隨同步跟蹤系統(tǒng)做往復(fù)直線運動，確保在曝光時間內(nèi)兩者速度相等即相對靜止時，相機開始攝像，避免傳統(tǒng)方法中的相對運動產(chǎn)生模糊，從而獲得高清的人造板圖像，為后續(xù)的人造板缺陷檢測環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。

1 人造板圖像采集系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 同步運動裝置

本研究的同步跟蹤裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，通過支架固定于人造板傳送帶的正上方，其主要包括伺服電機、凸輪、機架、復(fù)位彈簧、導(dǎo)軌、工業(yè)相機等。其中伺服電機和凸輪組成主動件，相機和機架構(gòu)成從動件。主動件驅(qū)動從動件作往復(fù)運動，從動件置于直線導(dǎo)軌上，直線導(dǎo)軌主要由滑塊和滑軌組成，此裝置可盡可能減少摩擦阻力。水平滑軌設(shè)計成圓柱形，確?；瑝K在上下方向無位移，只能左右水平移動。伺服電機帶動凸輪勻速轉(zhuǎn)動，使相機以一定的速度做直線運動，將復(fù)雜的非線性運動轉(zhuǎn)換為線性運動，最后在復(fù)位彈簧的作用下相機回到初始位置，進而實現(xiàn)相機往復(fù)直線運動。為了減少凸輪與從動件機構(gòu)之間的磨損，減少摩擦力，在兩者連接處加入滾輪。

圖1 同步跟蹤裝置

1.2 人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)設(shè)計

圖2 為人造板在線同步采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以PLC為控制核心，包括編碼器、開關(guān)按鈕、開關(guān)傳感器、變頻器、步進電機、伺服驅(qū)動器、伺服電機和CMOS相機等。

人造板生產(chǎn)線運行速度在200mm/s～1500mm/s范圍，在此范圍內(nèi)控制變頻器的輸入模擬人造板生產(chǎn)線傳送帶的運行速度[8]。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，同步跟蹤裝置通過行程開關(guān)完成硬件復(fù)位，編碼器1、2分別監(jiān)測傳送帶速度Vt、相機速度Vc，當(dāng)人造板觸發(fā)光電開關(guān)時，同步追蹤裝置跟蹤傳送帶速度，當(dāng)達到凸輪的線性區(qū)時激活接近開關(guān)，觸發(fā)工業(yè)相機攝像。攝像完畢后，將圖像傳送至計算機進行分析處理。

圖2 人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件I/O分配

根據(jù)該系統(tǒng)的人造板缺陷檢測中工業(yè)相機同步運動控制系統(tǒng)輸入及輸出點，控制器選型為西門子S7-1200/DC/DC/DC，另加RS232通訊模塊、0～10V電壓模擬量輸出模塊。人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)I/O分配表如表1所示。根據(jù)表1所示，兩個脈沖輸入的增量型旋轉(zhuǎn)編碼器用于測量傳送帶、同步跟蹤裝置速度；行程開關(guān)用于凸輪復(fù)位；接近開關(guān)用于觸發(fā)攝像；光電開光用于觸發(fā)伺服電機動作。

2.2 系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計

如圖3所示為人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)電氣原理圖，圖中的B1、B2、J、X、G分別為編碼器1、編碼器2、接近開關(guān)、行程開關(guān)、光電開關(guān)，P1包括RS232通訊模塊、1214-DC/DC/DC-PLC控制器、模擬量輸出DI模塊，PS1，PS2分別表示12V穩(wěn)壓電源和24V穩(wěn)壓電源，12V電源為相機供電，24V電源為各個傳感器、編碼器、繼電器供電。

圖3 人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)電氣接線圖

3 控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)流程圖設(shè)計

為了增加軟件程序的可讀性、操作性，本研究采用模塊化的設(shè)計，設(shè)計初始化模塊、同步跟蹤模塊、同步拍照模塊，流程如圖4所示。

表1 人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)I/O分配表

1）初始化模塊：按下控制按鈕后，啟動相機電源、傳送帶電機，通過行程開關(guān)判斷凸輪是否在零點位置，若不在零點位置則進行復(fù)位操作；凸輪歸零位后設(shè)定傳送帶速度Vset，方向為正方向，每張板材拍照次數(shù)為1次。

2）同步跟蹤模塊：通過編碼器1實時測得傳送帶速度VT，觸發(fā)光電開關(guān)信號，根據(jù)當(dāng)前VT計算出凸輪電機的轉(zhuǎn)速VC=0.3014VT，其速度計算公式如下所示：

其中，r為編碼器的半徑為64mm，Mmc為編碼器1測得當(dāng)前速度下脈沖的輸入量；wc為凸輪電機的角速度，單位為rad/s；VC為凸輪電機的速度，單位為 °/s。

3）同步拍照模塊：本模塊采用位置觸發(fā)成像，當(dāng)人造板運行到接近開關(guān)的位置時相機進行拍照，由于相機運動為往復(fù)運動會觸發(fā)兩次接近開關(guān)，基于此當(dāng)編碼器2檢測到速度為正方向時進行拍照并計數(shù)一次，凸輪電機旋轉(zhuǎn)360°之后停止在零點位置。

其中，初始化模塊只執(zhí)行一次，當(dāng)觸發(fā)光電開關(guān)時，執(zhí)行上述2）、3）步驟。

圖4 人造板在線同步圖像采集流程圖

3.2 上位機界面設(shè)計

采用WINCC軟件設(shè)計人造板在線圖像同步采集系統(tǒng)的上位機界面，上位機通過RS232串口與下位機PLC通訊，上傳和下傳相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖5所示。上位機界面分為設(shè)置區(qū)和參數(shù)檢測區(qū)，設(shè)置區(qū)可以設(shè)置傳送帶的運行速度，每張板材到達相機拍照次數(shù)，系統(tǒng)確認、啟動和停止等按鈕。參數(shù)檢測區(qū)可以檢測系統(tǒng)的各個參數(shù)，板材及相機的動作速度及方向，檢測板材的個數(shù)，拍照次數(shù)等。

圖5 上位機界面

4 系統(tǒng)調(diào)試

完成軟硬件設(shè)計之后，首先對相機利用直線法對相機的中心點標(biāo)定；其次通過實驗測出光電開關(guān)、接近開關(guān)的安放位置；最后進行拍照調(diào)試。如圖6所示為運行中的裝置，其中圖6(a)為系統(tǒng)總體裝置，圖6(b)為同步跟蹤裝置。

圖6 人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)

經(jīng)過測試和分析，系統(tǒng)可以滿足傳送帶速度在200～1500mm/s范圍內(nèi)變化，同步跟蹤裝置可以消除運動模糊，從而獲得高清的人造板圖像。如圖7所示，圖7(a)是不加跟蹤裝置拍照效果圖，相機固定板材上方，板材運動過程中拍照。圖7(b)是相機固定于跟蹤裝置，板材運動過程中，相機與之相對靜止拍照。易知本研究設(shè)計的同步跟蹤裝置可以消除相對運動帶來的圖像模糊，提高采集的圖像質(zhì)量。

圖7 采集圖像對比圖

5 結(jié)束語

本研究根據(jù)相機拍照原理，設(shè)計出人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)。通過該裝置的硬件設(shè)計、編程、調(diào)試等，試驗證明了人造板在線同步圖像采集裝置設(shè)計的有效性和可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)相機自動跟蹤人造板的速度，使相機和高速運動的人造板相對靜止，到達攝像位置時進行攝像，完成人造板高清圖像的采集，解決了人造板表面缺陷檢測過程中因板面幅度大，運動速度快而導(dǎo)致獲取人造板圖像時模糊的問題，為后續(xù)人造板表面缺陷自動檢測提供重要保障。