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        汽車輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集裝置設(shè)計(jì)

        2014-10-10 09:45:28勇,郭
        制造業(yè)自動(dòng)化 2014年15期
        關(guān)鍵詞:傳送帶示意圖光源

        王 勇,郭 慧

        WANG Yong,GUO Hui

        (華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200237)

        0 引言

        機(jī)器視覺是一門涉及多種學(xué)科的交叉技術(shù),包括機(jī)械工程、數(shù)字圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別、照明、成像技術(shù)以及自動(dòng)控制等技術(shù)[1]。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展,機(jī)器視覺在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用越來越廣泛[2]。機(jī)器視覺技術(shù)在焊縫質(zhì)量檢測[3]、食品質(zhì)量監(jiān)測[4~6]、輪胎制造[7]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而,機(jī)器視覺工作性能主要取決于是否能夠獲取較高質(zhì)量的檢測圖像[8~10]。由于機(jī)器視覺技術(shù),主要是通過對采集到的待檢測物體的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得到物體尺寸、顏色、形狀等信息,然后驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)對待檢測物體進(jìn)行相應(yīng)操作。更為重要的是,較高質(zhì)量的圖像能夠有效地降低圖像分析軟件編制的難度,提高機(jī)器視覺系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性[11]。

        通過對現(xiàn)有可查文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn),針對機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行圖像采集裝置的設(shè)計(jì)研究較少。為此,通過分析一種基于機(jī)器視覺的汽車輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)識(shí)別系統(tǒng),設(shè)計(jì)了能夠獲取較高圖像質(zhì)量的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集裝置。該圖像采集裝置主要由PLC控制系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)支架、照明裝置、工業(yè)相機(jī)等組成。

        1 圖像采集裝置總體方案

        通過分析汽車輪胎標(biāo)志點(diǎn)圖像(如圖1所示)在汽車輪胎側(cè)面的分布發(fā)現(xiàn),雖然輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像僅分布于輪胎的單側(cè)面,但輪胎在傳送帶上進(jìn)行輸送時(shí),并不能保證打印有標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像的一側(cè)朝向同一側(cè)(打印有標(biāo)識(shí)點(diǎn)的一側(cè)是否與傳送帶接觸不能保證)。這就導(dǎo)致僅采用一臺(tái)工業(yè)相機(jī),可能會(huì)出現(xiàn)采集不到輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)的情況。為此,設(shè)計(jì)的圖像采集裝置采用兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)同時(shí)對輪胎側(cè)面進(jìn)行拍照。輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

        圖1 輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像

        圖2 圖像采集裝置整體結(jié)構(gòu)

        2 圖像采集裝置的組成

        2.1 PLC控制系統(tǒng)

        該輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集裝置的關(guān)鍵在于是否能夠準(zhǔn)確采集到輪胎圖像,即輪胎在傳送帶上傳送時(shí)何時(shí)啟動(dòng)工業(yè)相機(jī)對標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像進(jìn)行拍攝。本裝置采用工業(yè)中最為常用的PLC控制器結(jié)合光電開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器,設(shè)計(jì)了控制工業(yè)相機(jī)準(zhǔn)確拍攝的PLC控制系統(tǒng)。其中,光電開關(guān)安裝在圖像采集裝置的支架兩側(cè),采用歐姆龍E3JK-R4M1鏡面反射型交直流通用光電開關(guān)。旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝位置如圖3所示,采用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器,AB兩相。旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在傳送帶底面,安裝在旋轉(zhuǎn)編碼器上的滾輪與傳送帶緊貼,以消除傳送帶打滑對計(jì)數(shù)精度的影響。該P(yáng)LC控制系統(tǒng)主要用于檢測傳送帶上輪胎的信號(hào),并將采集到的輪胎信號(hào)進(jìn)行處理輸送給工業(yè)相機(jī),從而驅(qū)動(dòng)工業(yè)相機(jī)對輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像進(jìn)行準(zhǔn)確拍攝。圖4為PLC控制系統(tǒng)工作原理示意圖。

        圖3 旋轉(zhuǎn)編碼器安裝位置示意圖

        2.2 上相機(jī)和光源

        分析圖2中的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集裝置整體結(jié)構(gòu)可知,分布于輪胎上側(cè)面的標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像,可一次拍攝而獲取完整的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像。為此,采用圖5所示的光源和相機(jī)組合結(jié)構(gòu)。為了消除外界光照對于拍攝質(zhì)量的影響,該裝置采用了6個(gè)外加LED光源。合理的外加光源的設(shè)計(jì)不僅能夠使得獲取的圖像的亮度分布均勻,同時(shí)可有效減少因外界光照引起的圖像噪聲[12],為后續(xù)圖像處理奠定良好基礎(chǔ)。

        圖4 PLC 控制系統(tǒng)工作原理示意圖

        圖5 上相機(jī)和光源結(jié)構(gòu)示意圖

        2.3 下相機(jī)和光源

        分布于輪胎下側(cè)面的標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像,如果采用與上相機(jī)相同的圖像采集結(jié)構(gòu),直接在采集裝置下方對輪胎進(jìn)行拍攝,會(huì)因滾柱的存在(圖2)而影響標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像的完整性。因此,對于分布于輪胎下側(cè)面的標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像,不能采用一次拍攝而獲取完整的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像的方法。

        在圖像采集裝置的導(dǎo)軌上安裝了兩段傳送帶,且兩段傳送帶之間存在一定間隙。該裝置正是透過該間隙對輪胎下側(cè)面進(jìn)行拍攝,由于傳送帶間的間隙寬度限制,不能一次拍照而獲取整張輪胎下側(cè)面標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像。該裝置通過設(shè)定下相機(jī)拍攝的感興趣區(qū)域?qū)挾?,對同一輪胎進(jìn)行多次(一般6次)拍照,然后對獲取的帶狀標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像進(jìn)行拼接,即可獲取完整的輪胎下側(cè)面標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像。輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像拼接示意圖如圖6所示。

        圖6 標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像拼接示意圖

        下相機(jī)和光源組合結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。分析圖7發(fā)現(xiàn),下相機(jī)和光源的組合結(jié)構(gòu)中存在反光鏡,這是由于如果直接采用相機(jī)對輪胎下側(cè)面圖像進(jìn)行拍攝,會(huì)由于相機(jī)與輪胎之間的距離過小而導(dǎo)致景深不能滿足拍攝要求。因此,在設(shè)計(jì)下相機(jī)圖像采裝置時(shí)利用鏡面反射原理,通過反光鏡的鏡面反射增加了相機(jī)與輪胎下側(cè)面之間的距離,滿足下相機(jī)拍攝景深的要求。

        圖7 下相機(jī)和光源結(jié)構(gòu)示意圖

        2.4 工業(yè)相機(jī)

        工業(yè)相機(jī)作為圖像采集裝置的核心部件,其性能直接關(guān)系到圖像的質(zhì)量。工業(yè)相機(jī)中的重要的組成部分是數(shù)字傳感器。依據(jù)傳感器的不同工業(yè)相機(jī)可分為CCD(Charge-coupled device)工業(yè)相機(jī)和CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor)工業(yè)相機(jī)。本文采用較為常用的CCD工業(yè)相機(jī),基本性能參數(shù)如表1所示。

        3 實(shí)驗(yàn)

        為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集裝置,能夠有效地對輪胎側(cè)面標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行圖像采集。實(shí)驗(yàn)對150個(gè)汽車輪胎進(jìn)行標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集。并將實(shí)驗(yàn)所得到的標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像應(yīng)用于輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)識(shí)別系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所獲取的標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像質(zhì)量,滿足工業(yè)要求。

        其中實(shí)驗(yàn)操作中的PLC控制系統(tǒng)的實(shí)際工作連接圖,如圖8所示。實(shí)驗(yàn)操作流程圖如圖9所示。

        4 結(jié)論

        表1 工業(yè)相機(jī)部分性能參數(shù)

        為了提高機(jī)器視覺系統(tǒng)的工作性能,以基于機(jī)器視覺的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)識(shí)別系統(tǒng)為研究對象,設(shè)計(jì)了一種能夠自動(dòng)拍攝較高質(zhì)量輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像的圖像采集裝置。該裝置主要包括:PLC控制系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)支架、照明裝置、工業(yè)相機(jī)等。實(shí)驗(yàn)對150個(gè)汽車輪胎進(jìn)行了標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置采集的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像質(zhì)量滿足工業(yè)要求。設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺圖像采集裝置,對今后機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。

        圖8 PLC控制系統(tǒng)工作示意圖

        圖9 實(shí)驗(yàn)操作流程圖

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