林盛鑫 鐘惠球 黃丁香

(1．東莞理工學院 電子工程學院，廣東東莞 523808;2．東莞理工學院 資產(chǎn)后勤管理處，廣東東莞 523808;3．東莞理工學院 學報編輯部，廣東東莞 523808)

數(shù)字式光盤存儲具有容量大、壽命長、高速度、低成本等優(yōu)勢，正逐步取代傳統(tǒng)的以磁帶、磁盤、硬盤等為主要存儲記錄的媒體，并取得了更為廣泛的應用。由于信息的寫入和讀出都是通過光學激光頭來完成的，作為讀取高清信息的關鍵部件——藍光光學頭，性能的好壞起著至關重要的作用，對光盤存儲器的性能優(yōu)劣有著決定性的影響。藍光光學頭性能的一系列調整與檢測，特別是傾斜調整檢測，是讀取光盤信號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。然而這些傾斜調整檢查設備都是由國外開發(fā)設計商提供，而其價格十分昂貴，制約我國的光盤產(chǎn)業(yè)整體的發(fā)展，造成光學頭生產(chǎn)企業(yè)對國外設備的技術依賴，為此，本文提出基于機器視覺技術與多軸運動控制技術的藍光激光頭全自動傾斜調整系統(tǒng)的設計。

1 藍光激光頭全自動傾斜調整系統(tǒng)總體設計方案

藍光激光頭全自動傾斜調整系統(tǒng)研發(fā)涉及機電平臺、設備的硬件系統(tǒng)、多軸運動控制伺服系統(tǒng)、CCD機器視覺光斑定位系統(tǒng)和光斑變焦圖像處理系統(tǒng)組成，是一臺全自動化精細檢測設備，總體設備方案［2］如圖1 所示。

該系統(tǒng)的硬件主要由機械機構與計算機組成，其中機械機構部分包括電機、機械部件、傳感器、焊接裝置、氣動裝置和攝像頭;計算機負責機器視覺的圖像處理與多軸運動精細控制以及對焊接裝置與氣動裝置的控制。

2 機電平臺設計方案設計

機電平臺是光路系統(tǒng)、CCD攝像頭、氣動裝置與電機等配件的安裝平臺;為計算機視覺應用，伺服系統(tǒng)應用、機械自動焊接動作提供硬件平臺。其中機器視覺照明設計［3］的任務就是使被測物的特征與背景圖像特征之間產(chǎn)生最大的對比度，從而易于特征區(qū)分，為CCD機器視覺代替?zhèn)鹘y(tǒng)光電傳感器檢測光路方案提供可行性的重要依據(jù)。本設計分為兩路光路系統(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 總體設計方案

圖2 左為光斑定位光路設計，右為光斑變焦光路設計

3 CCD機器視覺光斑定位與焦距調節(jié)設計

3.1 光斑定位

通過光路系統(tǒng)，圖像采集卡對CCD所拍攝的激光光斑圖轉換成數(shù)字圖像，通過圖像預處理［4］，去除CCD光斑信號的噪聲和保持光斑特征，然后用采用一系列數(shù)字圖像處理算法進行光斑識別，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光斑進行大小的分析，只需要計算其光斑的質心位置即可。

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

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坐標與y坐標。

3.2 焦距調節(jié)

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

其中圓心的坐標 (a，b)，半徑為r。

圖4為光斑焦距調節(jié)過程中的大小變化。

圖4 焦距調節(jié)過程中的大小變化

在實際的焦距調節(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:當光斑大小最小時，便是最佳焦距。目前解決方案是通過運動控制其光斑變化，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方向，從而得知光斑往變小方向移動，當光斑再一次半徑變大時即可判斷上一次為最佳焦距。如圖5所示。

圖5 光斑焦距計算流程

4 多軸運動控制伺服系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)中的光斑定位位置精確移動，光斑自動變焦的位置精確移動，自動焊接等一系列動作的精確控制，需要進行電機的運動控制［7］，根據(jù)總體設計可知需要控制8個伺服電機，每個電機與運動控制卡的鏈接［8］，如圖6所示。

光斑的移動動作，需要多個電機相互協(xié)調完成，其位移控制需要圖像識別與坐標體系的轉換來決定，特別在變焦過程中，需要三軸同時協(xié)調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)動的集中控制系統(tǒng)

焦深就可以進行焊接處理，完成激光頭傾斜調整。

5 結語

通過機器視覺與運動控制協(xié)同運作，完成了對藍光激光模塊的傾斜檢測與調整，實現(xiàn)其自動化操作，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%，一個人可同時操作兩臺設備，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)效率以及良好率達到98%以上。

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

［2］韋爭亮，黃志斌，古耀達，等．基于機器視覺與運動控制的軌距尺檢定器自動化檢測技術研究［J］．中國測試，2014(40):23－27．

［3］朱寶偉．機器視覺中的光源照明設計［J］．電子科技，2013(26):80－82．

［4］RAKESH R R，CHAUSHURI P，MUHIHY C S．Thresholding in edge deteion:a statistical approach［J］．IEEE，2004，13(7):927 －936．

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

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

［7］石玗，樊丁．基于多軸運動控制卡的伺服控制系統(tǒng)研究［J］．蘭州理工大學學報，2002，28:5－8．

［8］Liu H H T，Sun D．Uniform synchronization in multi－ axis motion control［C］．American Control Conference，Proceedings of the IEEE，2005:4537 － 4542．