瓷磚幾何尺寸在線檢測方法研究

魏成娟 孫永 陳建超

摘 要：瓷磚幾何尺寸檢測系統(tǒng)對瓷磚生產(chǎn)廠家發(fā)展非常重要。本文提出了一種基于線陣CCD的一種在線視覺檢測系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計，提出系統(tǒng)標(biāo)定方法。在線檢測當(dāng)中，利用激光位移傳感器檢測，結(jié)合亞像素定位算法對瓷磚邊緣進行精準(zhǔn)定位，并根據(jù)邊緣點數(shù)據(jù)得出瓷磚角點，從而獲取每個瓷磚的尺寸參數(shù)。

關(guān)鍵詞：瓷磚;幾何尺寸;在線檢測;激光位移傳感器;方法

瓷磚作為一種十分重要的建筑材料，在全國各地的應(yīng)用都十分廣泛。當(dāng)今瓷磚的生產(chǎn)技術(shù)更加成熟，建筑市場也在不斷擴大，很多瓷磚廠家都已經(jīng)步入了大規(guī)模生產(chǎn)模式，提升了生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟效益。但是大規(guī)模生產(chǎn)給瓷磚在線檢測方法提出了更高要求，如何提升在線檢測系統(tǒng)運行效率、檢測精度是需要重點考慮的問題。而CCD的在線視覺檢測系統(tǒng)結(jié)合了激光位移傳感器可以精確度檢測到精細的差異，可以實現(xiàn)全自動化檢測功能，通過發(fā)射激光進行視覺定位，不需要接觸瓷磚即可完成高精度檢測，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 瓷磚幾何尺寸在線檢測系統(tǒng)運行原理

如下圖，整個在在線檢測系統(tǒng)通過激光位移傳感器能夠精準(zhǔn)的測量非接觸測量瓷磚的位置、位移變化，大體上來說，該系統(tǒng)可以有效檢測物體位移、厚度、振動、直徑、距離等等幾何參數(shù)。結(jié)合測量原理，激光位移傳感器多數(shù)都是采用激光三角測量，可以實現(xiàn)高精度、短距離測量。

在線檢測系統(tǒng)運行當(dāng)中，激光發(fā)射器會通過鏡頭把可見紅色激光射到物體表面上，此時瓷磚會反射激光，接收器鏡頭將反射激光傳輸?shù)紺CD線性相機，結(jié)合不同的距離，CCD線性相機可以從多個角度觀測到這個點，根據(jù)光電的角度和激光與相機距離，通過數(shù)字信號處理設(shè)備即可檢測出傳感器和被測物體之間的距離以及幾何參數(shù)。光束在接收元件位置通過模擬以及數(shù)字電路處理方法，系統(tǒng)處理器對數(shù)據(jù)進行分析，將計算出的數(shù)值輸出，在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，按照比例輸出標(biāo)準(zhǔn)信號。

采用該檢測方法，激光位移傳感器的線性度最高能夠達到1um，分辨率水平達到0.1um，適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。

1-激光位移傳感器，2-線陣CCD，3-編碼器，4-傳送帶，5-光電開關(guān)，6-瓷磚，7-光源，8-電機

瓷磚在線檢測系統(tǒng)圖

2 測量系統(tǒng)標(biāo)定

線陣CCD視覺檢測系統(tǒng)采用激光位移傳感器，可以實現(xiàn)二維視覺測量，該測量系統(tǒng)標(biāo)定能夠獲得某個平面上激光點和圖像物體的對應(yīng)關(guān)系。在標(biāo)定之前系統(tǒng)會調(diào)整靶標(biāo)，讓物體豎線與傳送帶前進方向保持水平，并調(diào)整相機位置，從而通過高精度的評價函數(shù)判定靶標(biāo)是否在成像系統(tǒng)正焦面上。在系統(tǒng)自動調(diào)整完畢后，會對靶標(biāo)掃描圖像通過處理器進行預(yù)處理，采用二值化、邊緣提取法對瓷磚邊緣紅外線點進行粗略定位，根據(jù)紅外線點和相機映射圖像，即可對邊緣點定位，獲得靶標(biāo)各個激光點（線）的位置，這些部位可以直接得到標(biāo)定參數(shù)。

由于行距標(biāo)定不會產(chǎn)生畸變，所以可以采用線性模型進行行距標(biāo)定，設(shè)兩條橫線在靶標(biāo)上的實際距離為L，設(shè)與圖像間距為La，則系統(tǒng)行距標(biāo)定參數(shù)K=L/La。雖然紅外線測量不會出現(xiàn)畸變，但是需要考慮鏡頭帶來的畸變影響，所以列距標(biāo)定時需要從兩個方面出發(fā)：（1）采用線性標(biāo)定模型標(biāo)定激光檢測無畸變的靶標(biāo)中心區(qū)域，假設(shè)豎線條坐標(biāo)為y，圖像坐標(biāo)為ya，則二者之間的線性關(guān)系為y=k1ya+k2（k為畸變值，k1為第一個測點畸變、k2為第二個測點畸變……）;（2）在畸變校正當(dāng)中，需要結(jié)合該方程得出靶標(biāo)豎線在圖像中的理想位置，假設(shè)yf是畸變情況下較為理想的坐標(biāo)，將豎線坐標(biāo)數(shù)據(jù)帶入到非線性畸變表達公式中yf=y+k3+k4y+k5y2，通過最小二乘法將數(shù)據(jù)擬合，即可持續(xù)獲得k3、k4、k5等畸變參數(shù)。

3 瓷磚尺寸參數(shù)提取

3.1 邊緣點提取

計算瓷磚的幾何參數(shù)，需要獲取到瓷磚的邊緣點。傳統(tǒng)的邊緣檢測方法無法滿足測量精度要求，而采用激光檢測法可以有效進行精準(zhǔn)定位。在使用在線檢測系統(tǒng)當(dāng)中，需要考慮到瓷磚具有邊緣簡單、對比度高的特點，通過線性CCD相機以及激光位移傳感器獲得邊緣點坐標(biāo)粗略值，在進行激光點定位方法，初期處理主要是獲得二值化、邊緣激光點提取。為了提高后期處理的便捷性，激光還會對瓷磚邊緣進行定位跟蹤以及位移跟蹤。

傳統(tǒng)的灰度矩亞像素定位方法計算量非常大，在線檢測會給系統(tǒng)帶來很大壓力，因此可以采用精度更高、速度更快的基于灰度矩定位亞像素定位算法。算法流程為：確定瓷磚邊緣方位，并沿著瓷磚邊緣方向拓展像素，設(shè)置單調(diào)序列意義對應(yīng)像素灰度值，選取像素個數(shù)，根據(jù)整個序列前三階灰度矩，得出亞像素邊緣的瓷磚定位。

3.2 尺寸參數(shù)提取

結(jié)合建材行業(yè)提出的瓷磚邊長、邊直度、直角度檢測標(biāo)準(zhǔn)。在線檢測系統(tǒng)主要是應(yīng)用角點擬合方法提出相機模擬參數(shù)以及紅外激光定位參數(shù)，為了避免瓷磚邊緣不精準(zhǔn)出現(xiàn)的誤差問題，將瓷磚角點通過直線擬合的方式實現(xiàn)瓷磚兩側(cè)邊擬合，系統(tǒng)會自動得出兩條邊交點，得到最終的瓷磚角點。對瓷磚4個角點位置即可自動獲得邊長、直角度、邊直度等參數(shù)。在實際應(yīng)用當(dāng)中，在瓷磚的一個角點上選擇合適數(shù)量的激光點，之后采用最小二乘法對2條直線進行擬合，結(jié)合兩條直線斜率、兩條直線在y軸方向截距，從而獲得直線交點，這個交點作為后續(xù)擬合角點。采用相應(yīng)的方法可以得到剩余3個角點。在4個角點確定完畢后，采用點到點直線距離的方法測量瓷磚四面邊長。如在左邊測量當(dāng)中，得到左下角點、坐上角點，并結(jié)合點到點之間的距離即可測量瓷磚左邊長度。

直角度是瓷磚一個角和直角之間的偏差，采用百分比的表示方法。通過計算機自動測量計算可以獲得二條直線之間的夾角a，這個角度則是瓷磚角的角度值，角度值=丨a-90°丨/90°*100%。邊直度是瓷磚各個邊和中央偏離所對應(yīng)的直線偏差，通常是使用百分比的方式表示。在瓷磚邊計算當(dāng)中，需要事先處理邊緣點數(shù)組，并得到左邊界中央邊緣點，在線分析系統(tǒng)會直接得到兩個角點的直線距離。根據(jù)上述計算方法得到邊長，擬合瓷磚的4個角點，得出瓷磚4個邊長、直角度、邊直度。

3.3 直線度測量

直線度測量需要采用2-3個激光位移傳感器組合進行測量。以3個激光位移傳感器為例，將激光位移傳感器同時排列在一條直線上，結(jié)合檢測精度得出3個傳感器之間的距離。此時需要將測量瓷磚采用平行于傳感器安裝線的方向前進。在產(chǎn)線與傳感器安裝線保持平衡的基礎(chǔ)上，此時3個傳感器所獲得的瓷磚參數(shù)數(shù)據(jù)越大，則代表瓷磚的直線度越差;反之，三個傳感器檢測的距離差距越小，則瓷磚的直線度越高，根據(jù)所測量瓷磚長度和3個傳感器間距，得到直線度百分比，并通過在線檢測系統(tǒng)實現(xiàn)信號量化輸出，從而檢測瓷磚的直線度。

4 影響測量精度的因素

影響激光位移傳感器測量精度的因素包括：（1）激光位移傳感器設(shè)備本身的測量精度，會直接影響瓷磚y軸測量精度;（2）此狀本身的特性也會對測量精度造成影響，例如瓷磚散射特性會直接影響傳感器測量精度。如果此狀表面十分光滑，則會降低激光光束的漫反射，探測器的接受光強度不足，可能會影響最終測量;（3）整體系統(tǒng)檢測平臺安裝精度也會影響最終的測量精度;（4）坐標(biāo)系誤差問題是最大的影響因素，如果傳感器測量方向和導(dǎo)軌之間垂直度存在偏差，導(dǎo)致坐標(biāo)系是非直角坐標(biāo)系，這一點需要重點考慮，必須要求二者垂直。

5 結(jié)語

綜上所述，本文提出了一種基于線性CCD的激光位移檢測系統(tǒng)，在瓷磚檢測中可以實現(xiàn)非接觸、在線檢測的功能，可以有效提升瓷磚幾何檢測效率、精度。該檢測方案具有良好的工業(yè)生產(chǎn)前景，在實際應(yīng)用中也有不錯的效益。

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