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(jì)南 250101；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)院，北京 100000）

0 引言

連續(xù)壓機(jī)生產(chǎn)線的普及促使人造板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，但是生產(chǎn)線末端的缺陷檢測(cè)環(huán)節(jié)較為滯后，仍依靠人力用肉眼進(jìn)行觀測(cè)，勞動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)存在誤檢率增高的問(wèn)題。由于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)具有客觀性、不間斷性和正確率高等優(yōu)點(diǎn)，可以被用于人造板缺陷檢測(cè)環(huán)節(jié)[1]?；跈C(jī)器視覺(jué)的人造板缺陷檢測(cè)系統(tǒng)是利用工業(yè)相機(jī)對(duì)人造板表面圖像進(jìn)行采集，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，根據(jù)圖像中相關(guān)特征進(jìn)行判斷并對(duì)人造板進(jìn)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(yùn)動(dòng)速度為1500mm/s，其模糊像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)約為6個(gè)，運(yùn)動(dòng)模糊對(duì)圖像清晰度產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成圖像模糊，直接導(dǎo)致后續(xù)圖像缺陷檢測(cè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。

基于此本研究提出并設(shè)計(jì)人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)，根據(jù)同步運(yùn)動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)相機(jī)與高速人造板在攝像時(shí)間內(nèi)同步運(yùn)動(dòng)，保持相對(duì)靜止并攝像，進(jìn)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(jī)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(hù)，且維護(hù)較為困難；而汽壓控制精度相對(duì)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(jī)控制具有靈活度高、精度高等優(yōu)點(diǎn)[6]，本研究提出并設(shè)計(jì)一種基于伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)凸輪[7]帶動(dòng)同步跟蹤裝置運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相機(jī)跟隨同步跟蹤系統(tǒng)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，確保在曝光時(shí)間內(nèi)兩者速度相等即相對(duì)靜止時(shí)，相機(jī)開始攝像，避免傳統(tǒng)方法中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(cè)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(jì)

1.1 同步運(yùn)動(dòng)裝置

本研究的同步跟蹤裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，通過(guò)支架固定于人造板傳送帶的正上方，其主要包括伺服電機(jī)、凸輪、機(jī)架、復(fù)位彈簧、導(dǎo)軌、工業(yè)相機(jī)等。其中伺服電機(jī)和凸輪組成主動(dòng)件，相機(jī)和機(jī)架構(gòu)成從動(dòng)件。主動(dòng)件驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)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(jì)成圓柱形，確?；瑝K在上下方向無(wú)位移，只能左右水平移動(dòng)。伺服電機(jī)帶動(dòng)凸輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使相機(jī)以一定的速度做直線運(yùn)動(dòng)，將復(fù)雜的非線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，最后在復(fù)位彈簧的作用下相機(jī)回到初始位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相機(jī)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。為了減少凸輪與從動(dòng)件機(jī)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(jì)

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(jìn)電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和CMOS相機(jī)等。

人造板生產(chǎn)線運(yùn)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(yùn)行速度[8]。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，同步跟蹤裝置通過(guò)行程開關(guān)完成硬件復(fù)位，編碼器1、2分別監(jiān)測(cè)傳送帶速度Vt、相機(jī)速度Vc，當(dāng)人造板觸發(fā)光電開關(guān)時(shí)，同步追蹤裝置跟蹤傳送帶速度，當(dāng)達(dá)到凸輪的線性區(qū)時(shí)激活接近開關(guān)，觸發(fā)工業(yè)相機(jī)攝像。攝像完畢后，將圖像傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jì)

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(cè)中工業(yè)相機(jī)同步運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)輸入及輸出點(diǎn)，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(gè)脈沖輸入的增量型旋轉(zhuǎn)編碼器用于測(cè)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(jī)動(dòng)作。

2.2 系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計(jì)

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(jī)供電，24V電源為各個(gè)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(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)

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(jì)，設(shè)計(jì)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(dòng)相機(jī)電源、傳送帶電機(jī)，通過(guò)行程開關(guān)判斷凸輪是否在零點(diǎn)位置，若不在零點(diǎn)位置則進(jìn)行復(fù)位操作；凸輪歸零位后設(shè)定傳送帶速度Vset，方向?yàn)檎较?，每張板材拍照次?shù)為1次。

2）同步跟蹤模塊：通過(guò)編碼器1實(shí)時(shí)測(cè)得傳送帶速度VT，觸發(fā)光電開關(guān)信號(hào)，根據(jù)當(dāng)前VT計(jì)算出凸輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速VC=0.3014VT，其速度計(jì)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(cè)得當(dāng)前速度下脈沖的輸入量；wc為凸輪電機(jī)的角速度，單位為rad/s；VC為凸輪電機(jī)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(yùn)行到接近開關(guān)的位置時(shí)相機(jī)進(jìn)行拍照，由于相機(jī)運(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)觸發(fā)兩次接近開關(guān)，基于此當(dāng)編碼器2檢測(cè)到速度為正方向時(shí)進(jìn)行拍照并計(jì)數(shù)一次，凸輪電機(jī)旋轉(zhuǎn)360°之后停止在零點(diǎn)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(shí)，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(jī)界面設(shè)計(jì)

采用WINCC軟件設(shè)計(jì)人造板在線圖像同步采集系統(tǒng)的上位機(jī)界面，上位機(jī)通過(guò)RS232串口與下位機(jī)PLC通訊，上傳和下傳相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖5所示。上位機(jī)界面分為設(shè)置區(qū)和參數(shù)檢測(cè)區(qū)，設(shè)置區(qū)可以設(shè)置傳送帶的運(yùn)行速度，每張板材到達(dá)相機(jī)拍照次數(shù)，系統(tǒng)確認(rèn)、啟動(dòng)和停止等按鈕。參數(shù)檢測(cè)區(qū)可以檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，板材及相機(jī)的動(dòng)作速度及方向，檢測(cè)板材的個(gè)數(shù)，拍照次數(shù)等。

圖5 上位機(jī)界面

4 系統(tǒng)調(diào)試

完成軟硬件設(shè)計(jì)之后，首先對(duì)相機(jī)利用直線法對(duì)相機(jī)的中心點(diǎn)標(biāo)定；其次通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出光電開關(guān)、接近開關(guān)的安放位置；最后進(jìn)行拍照調(diào)試。如圖6所示為運(yùn)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(guò)測(cè)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(yùn)動(dòng)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(jī)固定板材上方，板材運(yùn)動(dòng)過(guò)程中拍照。圖7(b)是相機(jī)固定于跟蹤裝置，板材運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，相機(jī)與之相對(duì)靜止拍照。易知本研究設(shè)計(jì)的同步跟蹤裝置可以消除相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的圖像模糊，提高采集的圖像質(zhì)量。

圖7 采集圖像對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究根據(jù)相機(jī)拍照原理，設(shè)計(jì)出人造板在線同步圖像采集系統(tǒng)。通過(guò)該裝置的硬件設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試等，試驗(yàn)證明了人造板在線同步圖像采集裝置設(shè)計(jì)的有效性和可行性，能夠?qū)崿F(xiàn)相機(jī)自動(dòng)跟蹤人造板的速度，使相機(jī)和高速運(yùn)動(dòng)的人造板相對(duì)靜止，到達(dá)攝像位置時(shí)進(jìn)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(cè)過(guò)程中因板面幅度大，運(yùn)動(dòng)速度快而導(dǎo)致獲取人造板圖像時(shí)模糊的問(wèn)題，為后續(xù)人造板表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)提供重要保障。