CN105424008A - 机器视觉的激光打标振镜扫描系统 - Google Patents

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黄禹
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张强
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Abstract

本发明公开了一种机器视觉的激光打标振镜扫描系统，包括图像处理系统、激光振镜扫描系统、运动控制系统，具体包括光源、镜头、CCD相机、图像采集卡、图像处理软件、光纤激光器、光隔离器、激光扩束镜、XY扫描振镜、F-theta透镜、监视器、通讯/输入输出单元、三维调节支架等。本发明利用机器视觉在相机的视场中获得工件的位置，完成信息的捕捉和信号的转换，对打标文件进行坐标变换、方向变换，使得在后续工件上打标的位置与第一个工件一致。同时可对打标的深度进行在线测量，为激光打标的在线反馈控制提供了信息。相比传统的打标定位，避免了针对不同的工件做不同的卡具，仅需训练机器视觉识别不同的图案，以达到定位工件的目的即可，且对打标质量实时在线检测，降低了成本，易于实现通用自动化，进一步提高和保证了加工精度。

Description

机器视觉的激光打标振镜扫描系统
技术领域
本发明涉及机器视觉技术领域，涉及一种机器视觉的激光打标振镜扫描系统。
背景技术
机器视觉技术可依靠视觉传感器采集现场图像，并做分析和数据处理，之后引导机器进行正确的操作，是一种新颖而实用的科学技术，通过摄像机和计算机能够让机器拥有自动对目标进行测量、识别的功能。
机器视觉的应用非常广泛，从工业检测到文件处理，从遥感图像到医学影像，几乎在人类视觉起到作用的场合都能应用到机器视觉，它不会感到疲劳，有很高的跟踪速度和分辨精度，在工业生产中节省了人力，提高了产品的质量和生产速度。
激光打标是利用聚焦产生高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种标刻方法。激光打标已在汽车制造，医疗仪器制造、产品包装、手机制造、电子元件制造等众多领域得到了大量的应用。
相对于其他标刻技术，它有着速度快、无需接触、损伤小、视觉效果丰富等特点，但随着激光技术的不断发展，激光打标的新应用也层出不穷，当工件的形状尺寸大小发生改变时难以实现打标过程的自动化，整体效率难以提升，极大地限制了激光打标技术的发展与应用。
如果机器视觉能与激光打标有效的结合，那么可减少激光打标过程自动化中对工装卡具的依赖，同时视觉传感器也可作为有效的反馈信号来源，对现场的情况进行监控，将大大提高激光打标自动化的程度。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种机器视觉的激光打标振镜扫描系统，将振镜运动控制和机器视觉相结合，结构简单，实现了打标过程的自动化和达标质量的在线监测，解决了激光打标对工装卡具的依赖，同时也为激光打标的在线反馈控制提供了信息。
本发明提出的一种机器视觉的激光打标振镜扫描系统，包括以下步骤：
1）打标器件组被890nm的LED照明灯照亮，其反射光线经过F-theta透镜、XY振镜、45度反射镜、相机镜头后进入CCD相机成像，相机将数字图像信息传递给计算机，并且显示到计算机显示器上。
2）计算机对数字图像进行处理，获取图像的特征信息。
3）计算机针对上一步获取的打标区域进行一系列计算，得到打标头中XY振镜的偏转数据和激光器的通断时间，通过控制XY振镜的偏转和激光器的通断，实现对打标器件的精确打标。
4）计算机在线显示打标的深度。
优选地，激光打标系统的光路结构不用改变，需在打标头与激光器之间加入一块45度反射镜。
优选地，光纤激光器发出的激光经过激光扩束镜，获得质量较好的激光束，经过45度反射镜、XY振镜、F-theta透镜作用达到打标器件上面，机器视觉成像光路和激光光路在45度反射镜、XY振镜、F-theta透镜部分是重合的。
优选地，LED照明灯为一列发散角为15度的LED，最外一圈发光管除外的话，每一个发光管的周围都有4个相邻的发光管，采用脉冲式和连续式相结合的供电驱动方式。
优选地，LED照明需要通过光的散射网格或者磨砂面进行二次均化，设计制作时加装了磨砂散射板。
优选地，照明器壳体采用导热性较好的材料，在外面铣加工出散热沟槽，且壳体侧面和背面都开有较大散热孔。
优选地，图像采集卡是基于PCI采集卡，可以将图像迅速地传送到计算机存储器进行处理。
优选地，视觉图像处理采用阀值分割、边缘提取与轮廓跟踪来确定目标的位置和角度。
优选地，激光定位跟踪采用棋盘格的形式完成标定过程。
优选地，标定过程采用在软件中设计棋盘格位图，位图为正方形，网格间距一定为5mm，左右两边分别有一个特征图，这两个特征图的中心在加工系统当中是可设定的，在视觉系统中可以认为这2个点的坐标是已知量，程序可以通过这2个坐标直接推算出系统原点，而不需要把参考校正图像中心与加工原点重合，然后经过透视变换后，查找边缘，系统记录下激光加工坐标系原点、透视变化矩阵、像素与毫米比值。
优选地，打标深度的在线检测采用激光三角法的非接触测量方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的机器视觉的激光打标振镜扫描系统，照明设计好：本发明中采用的照明方案较好的突出了物体的特征，增加了对比度，方便系统对特征的识别，光源的选择从光谱曲线、几何形状、照明亮度、发光效果和使用寿命等方面综合考虑，摄像阶段采用脉冲供电方式，而在抓拍的瞬间连续供电。
本发明提供的机器视觉的激光打标振镜扫描系统，标定过程精确：为了软件能直接识别到激光扫描的原点，在软件中设计棋盘格位图，程序可以通过两个特征图的中心推算出系统原点，而不需要把参考校正图像中心与加工原点重合，标定过程精确。
本发明提供的机器视觉的激光打标振镜扫描系统，达标质量的检测方法稳定精度高：本发明采用激光三角法测量，与计算机相结合，使得测量的自动化程度高，测量方法属于非接触式测量，对被测工件的材料无特殊要求，很好地适合激光打标生产现场的在线检测。
本发明提供的机器视觉的激光打标振镜扫描系统，操作技术要求低：本发明提供友好的使用方法简单易操作，不需要具备较高的专业知识。
附图说明
图1为本发明提出的一种机器视觉的激光打标振镜扫描系统的结构示意图。
图2为照明器的供电示意图。
图3为用于校正和标定的棋盘位图。
具体实施方式
如图1所示，图1为本发明提出的一种机器视觉的激光打标振镜扫描系统的结构示意图。
参照图1，本发明提出的一种机器视觉的激光打标振镜扫描系统，包括图像处理系统、激光振镜扫描系统、运动控制系统，具体包括光源、镜头、CCD相机、图像采集卡、图像处理软件、光纤激光器、光隔离器、激光扩束镜、XY扫描振镜、F-theta透镜、监视器、通讯/输入输出单元、三维调节支架等。本发明中打标器件组被890nm的LED照明灯照亮，其反射光线经过F-theta透镜、XY振镜、45度反射镜、相机镜头后进入CCD相机成像，相机将数字图像信息传递给计算机，并且显示到计算机显示器上，经过图像处理，控制XY振镜的偏转和激光器的通断，实现对打标器件的精确打标，同时在线显示打标的深度。
本发明中光纤激光器发出的激光经过激光扩束镜，获得质量较好的激光束，经过45度反射镜、XY振镜、F-theta透镜作用达到打标器件上面，机器视觉成像光路和激光光路在45度反射镜、XY振镜、F-theta透镜部分是重合的。
在具体实施例中，为了保证LED照明的亮度和光线的均匀，本发明中选取一列发散角为15度的LED，最外一圈发光管除外的话，每一个发光管的周围都有4个相邻的发光管，采用脉冲式和连续式相结合的供电驱动方式，设计制作时加装了磨砂散射板，通过光的散射网格或者磨砂面进行二次均化。照明器壳体采用导热性较好的材料，在外面铣加工出散热沟槽，且壳体侧面和背面都开有较大散热孔，这些都能加大与环境的热交换面积。
标定过程采用在软件中设计棋盘格位图，位图为正方形，网格间距一定为5mm，左右两边分别有一个特征图，这两个特征图的中心在加工系统当中是可设定的，在视觉系统中可以认为这2个点的坐标是已知量，程序可以通过这2个坐标直接推算出系统原点，而不需要把参考校正图像中心与加工原点重合，然后经过透视变换后，查找边缘，系统记录下激光加工坐标系原点、透视变化矩阵、像素与毫米比值。
图像处理过程时需要对扫描对象的坐标及方向变换，首先定义坐标及方向角度，设打标对象在原始坐标中的坐标为，新坐标为，新坐标由下式得出：
其中M矩阵为视觉识别追踪结果换算而来的坐标变换矩阵。
为了实现激光打标深度的在线检测，本发明中采用非接触测量的激光三角法，并对检测系统中的光路进行设计和优化，达标深度的测量公式为：其中是像距，是光轴与透镜中心的距离，是光轴与基准线的夹角，是像与透镜中心的投影距离。
本发明中实现准确打标的过程为标定、采集目标图、分离目标轮廓、图像定位、调用定位信息、多次追踪打标。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器视觉的激光打标振镜扫描系统，其特征在于，包括以下步骤：
1）打标器件组被890nm的LED照明灯照亮，其反射光线经过F-theta透镜、XY振镜、45度反射镜、相机镜头后进入CCD相机成像，相机将数字图像信息传递给计算机，并且显示到计算机显示器上;
2）计算机对数字图像进行处理，获取图像的特征信息;
3）计算机针对上一步获取的打标区域进行一系列计算，得到打标头中XY振镜的偏转数据和激光器的通断时间，通过控制XY振镜的偏转和激光器的通断，实现对打标器件的精确打标;
4）计算机在线显示打标的深度。
2.根据权利要求1所述的机器视觉激光打标振镜扫描系统，其特征在于，所述的激光打标系统的光路结构不用改变，在打标头与激光器之间加入一块45度反射镜。
3.根据权利要求1所述的机器视觉激光打标振镜扫描系统，其特征在于，所述的激光器发出的激光，经过激光扩束镜，获得质量较好的激光束，经过45度反射镜、XY振镜、F-theta透镜作用达到打标器件上面，机器视觉成像光路和激光光路在45度反射镜、XY振镜、F-theta透镜部分是重合的。
4.根据权利要求1所述的机器视觉激光打标振镜扫描系统，其特征在于，所述的LED照明灯为一列发散角为15度的LED，最外一圈发光管除外的话，每一个发光管的周围都有4个相邻的发光管，采用脉冲式和连续式相结合的供电驱动方式。
5.根据权利要求4所述的机器视觉激光打标振镜扫描系统，其特征在于，所述的LED照明需要通过光的散射网格或者磨砂面进行二次均化，设计制作时加装了磨砂散射板。
6.根据权利要求4所述的机器视觉激光打标振镜扫描系统，其特征在于，所述的LED照明灯壳体采用导热性较好的材料，在外面铣加工出散热沟槽，且壳体侧面和背面都开有较大散热孔。
7.根据权利要求1所述的机器视觉激光打标振镜扫描系统，其特征在于，所述的相机镜头的图像采集卡是基于PCI采集卡，可以将图像迅速地传送到计算机存储器进行处理。
8.根据权利要求1所述的机器视觉激光打标振镜扫描系统，其特征在于，所述的计算机对数字图像进行处理采用阀值分割、边缘提取与轮廓跟踪来确定目标的位置和角度。
9.根据权利要求8所述的机器视觉激光打标振镜扫描系统，其特征在于，所述的激光定位跟踪采用棋盘格的形式完成标定过程，所述的打标深度的在线检测采用激光三角法的非接触测量方法。
10.根据权利要求9所述的机器视觉激光打标振镜扫描系统，其特征在于，所述标定过程采用在软件中设计棋盘格位图，位图为正方形，网格间距一定为5mm，左右两边分别有一个特征图，这两个特征图的中心在加工系统当中是可设定的，在视觉系统中可以认为这2个点的坐标是已知量，程序可以通过这2个坐标直接推算出系统原点，而不需要把参考校正图像中心与加工原点重合，然后经过透视变换后，查找边缘，系统记录下激光加工坐标系原点、透视变化矩阵、像素与毫米比值。
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