CN106323474B - 石材表面色差检测装置及控制系统 - Google Patents
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Abstract
石材表面色差检测装置及控制系统，石材表面色差检测装置包括驱动单元、传送单元、检测单元、定位传感器模块、控制台和支撑架，驱动单元包括步进电机、联轴器、轴、轴承和螺栓；步进电机通过联轴器与轴连接；传送单元包括同步主动轮，同步传送带，对中限位导轮，旋转编码器和旋转盘，旋转编码器设在同步主动轮轴上；检测单元包括升降体、导向导柱、驱动电机、滑块、控制面板、安装盘、CCD工业摄像机、电缆线和照明装置；升降体与导向导柱固定连接，驱动电机设在升降体上，滑块和CCD工业摄像机均设在导向导柱上。本发明可在线检测石材表面颜色，自动完成石材色号分类，解决人工检测对结果影响较大的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于石材表面质量检测技术领域，具体涉及一种石材表面色差在线检测装置及控制系统。
技术背景
近年来，随着国内建筑行业的发展以及人们对低碳环保意识的不断提高，天然石材在建筑装饰中得到越来越广泛的应用；由于我国石材生产工艺水平的限制，导致产品质量不稳定，使得石材检测变得极为重要。
传统的检测方法即人工检测，基本是将石材设置在人工视觉范围内，工人将其与标准的石材进行对比，然后根据自己的判断结果进行标记属于哪个色号，受主观因素和熟练程度因素影响较大，难以满足高精度、高效率及其稳定的检测要求；除此之外，操作复杂，所以有必要发明一种新型装置，以此来解决现有技术中存在的不足之处。
发明内容
本发明提供一种石材表面色差在线检测装置及控制系统，以此来解决现有技术中存在的操作人员手工操作、操作复杂、受主观因素和熟练程度因素影响较大，难以满足高精度、高效率及其稳定的检测要求等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种石材表面色差在线检测装置，包括：包括驱动单元、传送单元、检测单元、定位传感器单元、控制台和支撑装置：
所述驱动单元，包括步进电机、联轴器、轴、轴承、螺栓和旋转转盘；所述步进电机通过联轴器与轴连接，所述轴上带有轴承，所述螺栓将轴固定在支撑架上；所述旋转转盘设置在轴上；
所述传送单元，包括同步主动轮，同步传送皮带，对中限位导轮，旋转编码器；所述对中限位导轮安装在支架台上，所述旋转编码器安装在轴上；所述同步主动轮与所述同步传送皮带连接；
所述检测单元，包括升降体、导向导柱、滑块、驱动电机、控制面板、安装盘、CCD工业摄像机、电缆线、照明装置；
所述升降体与导向导柱固定连接，所述驱动电机安装在所述升降体上端，所述驱动电机连接所述滑块，所述滑块和所述CCD工业摄像机均设置在导向导柱上，所述安装盘一端连接有滑块，所述安装盘的另一端设置有CCD工业摄像机，所述升降体的一端安装有控制面板，所述照明装置设置在导向导柱的上端，所述驱动电机、所述照明装置和所述安装盘通过电缆线与控制面板连接；所述电缆线的一端连接有控制面板，所述电缆线的另一端连接有所述控制台；
所述定位传感器单元，包括定位传感器和横向连接杆；所述横向连接杆安装在所述升降体的两侧，所述定位传感器设置在横向连接杆的下面；所述定位传感器通过电缆线与控制面板相连接；
所述控制台通过电缆线与控制面板连接，控制台内部设有接线端子、图像采集卡、输入/输出卡、显示器，所述控制台上面安装有计算机；
所述支撑装置包括支架台和支撑柱；所述支架台设置在支撑柱上；所述支撑架固定传送单元。
作为一种优选的技术方案：所述驱动单元采用行星减速步进电机，以及与之配套的控制器、驱动器。
作为一种优选的技术方案：所述控制器选用JJ01型号的PLC控制器，使用AC220V电源供电，可任意编程，最大编程条数可达99条，最高输出频率为40KHZ，且输入输出点都有光耦隔离。
作为一种优选的技术方案：所述驱动器选用MB450A型号，采用直流24V～50V供电。
作为一种优选的技术方案：所述步进电机，做匀速转动且转速连续可调。
作为一种优选的技术方案：所述编码器选用ELCO-2500线编码器。
作为一种优选的技术方案：所述控制台带有控制台开关。
石材表面色差检测装置的控制系统：包括图像采集模块、图像处理模块、图像分析模块、显示器模块：
石材表面色差在线检测装置的控制系统，包括图像采集模块、图像处理模块、图像分析模块、显示器模块：
所述图像采集模块是指在图像采集的过程中，旋转编码器17对同步主动轮14的角速度以及对同步传送带15的速度进行实时反馈，并产生TTL外部信号，此TTL外部信号提供给CCD工作摄像机7作为外部触发时序信号进行图像采集，图像通过图像采集卡传输至计算机1内部，同时计算机1内部开始分配和释放图像，并通过图像输出卡输出至控制面板5，此时控制面板5通过显示器显示出拍摄的原始石材图像；
所述图像处理模块是指当图像采集完成后，计算机1内部自动读取拍摄的原始石材图像并采用中值滤波算法对该图像进行去噪声处理，去除因噪声干扰而导致的图像失真现象，去噪声完成后的图像再进行平场校正处理得到灰度值均匀一致的图像，此后再采用Sobel检测算子对图像进行边缘检测，即将石材边缘刻画出来，石材图像边缘检测完成后采用动态阈值分割法将一幅图像中的石材图片与背景图片分离开来，只留下含有石材图片信息的二值化图像；
图像分析模块是指将处理完成的得到二值化图像采用灰度门限法确定一个阈值门限将石材图像的斑点，色斑等杂质点的像素排除，只留下含有石材特征值的像素点，然后计算石材图像的特征值红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值，下面为计算过程：
即设原始特征向量为f＝[f1,f2,…fn]，其中f1、f2、…fn分别表示点1、点2、…点n的向量；其中f1＝[r1,g1,b1]，r1,g1,b1表示点1的向量分量；f2＝[r2,g2,b2]，r2,g2,b2表示点2的向量分量；fn＝[rn,gn,bn]，rn,gn,bn表示点n的向量分量；μ＝(f1+f2+…fn)/n,μ为红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值，即图像色差值，n表示个数，以此计算并输出红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值μ,
将得到的红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值与标准石材样品进行匹配，即对每一类的标准石材样品进行重复性实验，确定代表该类的一个特征向量，然后将该类的特征向量与待测石材的特征向量进行最小距离公式计算如公式(1)所述：
Dk＝(X-Uk)T(X-UK)，
其中X为每一个待分类的数据元素，Uk为代表该类的一个中心向量，k＝1,2....m；m为类的个数，
即可确定该待测石材属于哪类色号；
显示器模块是指在Visual C++6.0编程软件下设计图像采集模块的程序、图像处理模块的程序、图像分析模块的程序，编写人机交互界面，将检测结果实时显示出来，同时方便工人及时修改检测参数。
作为一种优选的技术方案：所述定位传感器发射信号给CCD工业摄像机，所述CCD工业摄像机接收信号后开始采集图像。
作为一种优选的技术方案：所述对中限位导轮(16)提供对中限位功能。
本发明设置有编码器，编码器可以实时反馈步进电机转速，为CCD工业摄像机提供外部驱动时序脉冲。
本发明设置有对中限位机构，对中限位机构为被测石材进入拍摄区域前提供对中、限位功能。
本发明设置有CCD工业摄像机，CCD工业摄像机能够实时采集高清图像。
本发明设置有定位传感器，定位传感器会发射信号给CCD工业摄像机，CCD工业摄像机接收信号后开始采集图像。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：(1)以视觉技术为开发平台，设计出一套石材表面色差在线检测装置，装置结构简单、操作方便；(2)本发明克服了因主观因素和熟练程度因素的影响，所造成的精度低、检测不稳定等问题；(3)本发明集应用光学技术、计算机技术、数字图象处理技术、在线精密测量技术于一体的石材表面色差在线检测装置，可以在线检测石材表面颜色，将检测结果实时反馈给检测系统，自动完成石材色号的分类，解决了石材企业大批量生产时人工检测对结果影响较大的缺陷。
附图
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的驱动器的框图；
图3为本发明的图像采集模块的流程图；
图4为本发明的图像处理模块的流程图；
图5为本发明的图像分析模块的流程图。
附图序号说明：1计算机、2控制台开关、3控制台、4电缆线、5控制面板、6照明装置、7CCD工业摄像机、8定位传感器、9横向连接杆、10升降体、11导向导柱、12滑块、13安装盘、14同步主动轮、15同步传送带、16对中限位导轮、17旋转编码器、18旋转转盘、19轴、20轴承、21联轴器、22步进电机、23驱动单元、24支撑台、25螺栓、26支架台、27被测石材、28驱动电机、29支撑柱。
具体实施例
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的描述，以便进一步了解本发明，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
结合图1和图2，一种石材表面色差检测装置，包括驱动单元23、传送单元、检测单元、定位传感器模块、控制台3和支撑装置：
所述驱动单元23，包括步进电机22、联轴器21、轴19、轴承20、螺栓25和旋转转盘18；所述步进电机22通过联轴器21与轴19连接，所述轴19上带有轴承20，所述螺栓25将轴承20固定在支撑台24上；所述旋转转盘18设置在轴19上；调节步进电机22时，轴19及旋转转盘18做匀速转动，此时，步进电机22做匀速转动且转速连续可调；驱动单元23采用是行星减速步进电机22，以及与之配套的控制器、驱动器；
所述传送单元，包括同步主动轮14，同步传送皮带15，对中限位导轮16，旋转编码器17；所述对中限位导轮16安装在支架台26上，所述旋转编码器17安装在轴19上；所述同步主动轮14与所述同步传送皮带15连接；同步传送带15每走固定的距离，则同步主动轮轮14旋转相应的角度，使旋转编码器17发送一个或几个脉冲信号，控制CCD工业摄像机7拍摄一幅图像，从而保证由CCD工业摄像机7采集图像不受皮带速度不均的影响；
所述检测单元，包括升降体10、导向导柱11、驱动电机28、滑块12、控制面板5、安装盘13、CCD工业摄像机7、电缆线4、照明装置6；所述升降体10与导向导柱11固定连接，所述驱动电机28安装在升降体10上端，所述滑块12和所述CCD工业摄像机7均设置在导向导柱11上，所述驱动电机28驱动滑块12上下移动，所述安装盘13一端连接有滑块12，所述安装盘13的另一端设置有CCD工业摄像机7，所述升降体10的另一端安装有控制面板4，所述照明装置6设置在导向导柱11的上端，所述驱动电机28、照明装置6和所述安装盘13均通过电缆线4与控制面板5连接；所述电缆线4的一端连接有控制面板5，所述电缆线4的另一端连接有所述控制台3；通过移动滑块12可调节CCD工业摄像机7的拍摄距离以此来满足不同的拍摄要求；
所述定位传感器模块，包括定位传感器8和横向连接杆9；所述横向连接杆9安装在所述升降体10的两侧，所述定位传感器8设置在横向连接杆9的下面；所述定位传感器8通过电缆线4与控制面板5相连接；通过控制面板5即可实现石材的定位检测，当石材抵达拍摄位置后，定位传感器8就发射信号给CCD工业摄像机7，接收信号后开始采集石材图像。
所述控制台3通过电缆线4与控制面板5连接，控制台3内部设有接线端子、图像采集卡、输入/输出卡、显示器，所述控制台3上面安装有计算机1；控制台3用于采集被测石材的图像，并在计算机上进行图像整理，从而实现被测石材表面颜色特征的整个自动化、实时检测过程；
所述支撑装置包括支架台26和支撑柱29；所述支架台26设置在支撑柱29上；所述支架台26固定传送单元。
所述驱动单元23采用行星减速步进电机22，以及与之配套的控制器、驱动器。
所述控制器选用JJ01型号的PLC控制器，使用AC220V电源供电，可任意编程，最大编程条数可达99条，最高输出频率为40KHZ，且输入输出点都有光耦隔离。
所述驱动器选用MB450A型号，采用直流24V～50V供电。
所述步进电机22，做匀速转动且转速连续可调。
所述编码器17选用ELCO-2500线编码器。
所述控制台3带有控制台开关2。
石材表面色差在线检测装置的控制系统，包括图像采集模块、图像处理模块、图像分析模块、显示器模块：
所述图像采集模块是指在图像采集的过程中，旋转编码器17对同步主动轮14的角速度以及对同步传送带15的速度进行实时反馈，并产生TTL外部信号，此TTL外部信号提供给CCD工作摄像机7作为外部触发时序信号进行图像采集，图像通过图像采集卡传输至计算机1内部，同时计算机1内部开始分配和释放图像，并通过图像输出卡输出至控制面板5，此时控制面板5通过显示器显示出拍摄的原始石材图像；
所述图像处理模块是指当图像采集完成后，计算机1内部自动读取拍摄的原始石材图像并采用中值滤波算法对该图像进行去噪声处理，去除因噪声干扰而导致的图像失真现象，去噪声完成后的图像再进行平场校正处理得到灰度值均匀一致的图像，此后再采用Sobel检测算子对图像进行边缘检测，即将石材边缘刻画出来，石材图像边缘检测完成后采用动态阈值分割法将一幅图像中的石材图片与背景图片分离开来，只留下含有石材图片信息的二值化图像；
图像分析模块是指将处理完成的得到二值化图像采用灰度门限法确定一个阈值门限将石材图像的斑点，色斑等杂质点的像素排除，只留下含有石材特征值的像素点，然后计算石材图像的特征值红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值，下面为计算过程：
即设原始特征向量为f＝[f1,f2,…fn]，其中f1、f2、…fn分别表示点1、点2、…点n的向量；其中f1＝[r1,g1,b1]，r1,g1,b1表示点1的向量分量；f2＝[r2,g2,b2]，r2,g2,b2表示点2的向量分量；fn＝[rn,gn,bn]，rn,gn,bn表示点n的向量分量；μ＝(f1+f2+…fn)/n,μ为红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值，即图像色差值，n表示个数，以此计算并输出红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值μ,
将得到的红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值与标准石材样品进行匹配，即对每一类的标准石材样品进行重复性实验，确定代表该类的一个特征向量，然后将该类的特征向量与待测石材的特征向量进行最小距离公式计算如公式(1)所述：
Dk＝(X-Uk)T(X-UK) (1)
其中X为每一个待分类的数据元素，Uk为代表该类的一个中心向量，k＝1,2....m；m为类的个数，
即可确定该待测石材属于哪类色号；
显示器模块是指在Visual C++6.0编程软件下设计图像采集模块的程序、图像处理模块的程序、图像分析模块的程序，编写人机交互界面，将检测结果实时显示出来，同时方便工人及时修改检测参数。
所述定位传感器8发射信号给CCD工业摄像机7，所述CCD工业摄像机7接收信号后开始采集图像。
所述对中限位导轮16提供对中限位功能。
本发明设置有编码器17，编码器17可以实时反馈步进电机转速，为CCD工业摄像机7提供外部驱动时序脉冲。
本发明设置有对中限位机构16，中限位机构16为被测石材进入拍摄区域前提供对中、限位功能。
本发明设置有CCD工业摄像机7，CCD工业摄像机7能够实时采集高清图像。
整个石材表面色差在线检测装置及控制系统的工作原理为：当被测石材27到达指定位置后，定位传感器8开始发射信号给CCD工业摄像机7，此时开始采集图像，采集完成的图像通过图像采集卡传输至计算机1，计算机1内部开始对采集的图像进行处理，处理完成后进行图像分析，即将被测石材27从背景中提取出来，计算其色差值，并自动完成色号的分类。将分类完成的结果通过输出卡传输至控制面板5，工人根据显示结果将被测石材27搬至指定区域。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (10)
1.石材表面色差检测装置，其特征在于：包括驱动单元(23)、传送单元、检测单元、定位传感器单元、控制台(3)和支撑装置：
所述驱动单元(23)，包括步进电机(22)、联轴器(21)、轴(19)、轴承(20)、螺栓(25)和旋转转盘(18)；所述步进电机(22)通过联轴器(21)与轴(19)连接，所述轴(19)上带有轴承(20)，所述螺栓(25)将轴承(20)固定在支撑台(24)上；所述旋转转盘(18)设置在轴(19)上；
所述传送单元，包括同步主动轮(14)，同步传送带(15)，对中限位导轮(16)和旋转编码器(17)；所述对中限位导轮(16)安装在支架台(26)上，所述旋转编码器(17)安装在同步主动轮(14)上；所述同步主动轮(14)与所述同步传送带(15)连接；
所述检测单元，包括升降体(10)、导向导柱(11)、滑块(12)、驱动电机(28)、控制面板(5)、安装盘(13)、CCD工业摄像机(7)、电缆线(4)、照明装置(6)；所述升降体(10)与导向导柱(11)固定连接，所述滑块(12)和所述CCD工业摄像机(7)均设置在导向导柱(11)上，所述驱动电机(28)安装在升降体上，所述驱动电机(28)驱动滑块(12)，所述安装盘(13)一端连接有滑块(12)，所述安装盘(13)的另一端设置有CCD工业摄像机(7)，所述升降体(10)的一端安装有控制面板(4)，所述照明装置(6)设置在导向导柱(11)的上端，所述驱动电机(28)、照明装置(6)和所述安装盘(13)通过电缆线(4)与控制面板(5)连接，所述电缆线(4)的一端连接有控制面板(5)，所述电缆线(4)的另一端连接有所述控制台(3)；
所述定位传感器单元，包括定位传感器(8)和横向连接杆(9)；所述横向连接杆(9)安装在所述升降体(10)的两侧，所述定位传感器(8)设置在横向连接杆(9)的下面；所述定位传感器(8)通过电缆线(4)与控制面板(5)相连接；
所述控制台(3)通过电缆线(4)与控制面板(5)连接，控制台(3)内部设有接线端子、图像采集卡、输入/输出卡、显示器，所述控制台(3)上面安装有计算机(1)；
所述支撑装置包括支架台(26)和支撑柱(29)；所述支架台(26)设置在支撑柱(29)上；所述支架台(26)固定传送单元。
2.根据权利要求1所述的石材表面色差检测装置，其特征在于：所述驱动单元(23)采用行星减速步进电机(22)，以及与之配套的控制器、驱动器。
3.根据权利要求2所述的石材表面色差检测装置，其特征在于：所述控制器选用JJ01型号的PLC控制器，使用AC220V电源供电，可任意编程，最大编程条数可达99条，最高输出频率为40KHZ，且输入输出点都有光耦隔离。
4.根据权利要求2所述的石材表面色差检测装置，其特征在于：所述驱动器选用MB450A型号，采用直流24V～50V供电。
5.根据权利要求1所述的石材表面色差检测装置，其特征在于：所述步进电机(22)，做匀速转动且转速连续可调。
6.根据权利要求1所述的石材表面色差检测装置，其特征在于：所述旋转编码器(17)选用ELCO-2500线编码器。
7.根据权利要求1所述的石材表面色差检测装置，其特征在于：所述控制台(3)带有控制台开关。
8.根据权利要求1所述的石材表面色差检测装置的控制系统，其特征在于：包括图像采集模块、图像处理模块、图像分析模块、显示器模块：
石材表面色差在线检测装置的控制系统，包括图像采集模块、图像处理模块、图像分析模块、显示器模块：
所述图像采集模块是指在图像采集的过程中，旋转编码器17对同步主动轮14的角速度以及对同步传送带15的速度进行实时反馈，并产生TTL外部信号，此TTL外部信号提供给CCD工作摄像机7作为外部触发时序信号进行图像采集，图像通过图像采集卡传输至计算机1内部，同时计算机1内部开始分配和释放图像，并通过图像输出卡输出至控制面板5，此时控制面板5通过显示器显示出拍摄的原始石材图像；
所述图像处理模块是指当图像采集完成后，计算机1内部自动读取拍摄的原始石材图像并采用中值滤波算法对该图像进行去噪声处理，去除因噪声干扰而导致的图像失真现象，去噪声完成后的图像再进行平场校正处理得到灰度值均匀一致的图像，此后再采用Sobel检测算子对图像进行边缘检测，即将石材边缘刻画出来，石材图像边缘检测完成后采用动态阈值分割法将一幅图像中的石材图片与背景图片分离开来，只留下含有石材图片信息的二值化图像；
图像分析模块是指将处理完成的得到二值化图像采用灰度门限法确定一个阈值门限将石材图像的斑点，色斑等杂质点的像素排除，只留下含有石材特征值的像素点，然后计算石材图像的特征值红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值，下面为计算过程：
即设原始特征向量为f＝[f1，f2，…fn]，其中f1、f2、…fn分别表示点1、点2、…点n的向量；其中f1＝[r1，g1，b1]，r1，g1，b1表示点1的向量分量；f2＝[r2，g2，b2]，r2，g2，b2表示点2的向量分量；fn＝[rn，gn，bn]，rn，gn，bn表示点n的向量分量；μ＝(f1+f2+…fn)/n，μ为红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值，即图像色差值，n表示个数，以此计算并输出红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值μ，
将得到的红色分量R、绿色分量G、蓝色分量B的均值与标准石材样品进行匹配，即对每一类的标准石材样品进行重复性实验，确定代表该类的一个特征向量，然后将该类的特征向量与待测石材的特征向量进行最小距离公式计算如公式(1)所述：
Dk＝(X-Uk)T(X-Uk)，
其中X为每一个待分类的数据元素，Uk为代表该类的一个中心向量，k＝1，2....m；m为类的个数，
即可确定该待测石材属于哪类色号；
显示器模块是指在Visual C++6.0编程软件下设计图像采集模块的程序、图像处理模块的程序、图像分析模块的程序，编写人机交互界面，将检测结果实时显示出来，同时方便工人及时修改检测参数。
9.根据权利要求1所述的石材表面色差检测装置，其特征在于：所述定位传感器(8)发射信号给CCD工业摄像机(7)，所述CCD工业摄像机(7)接收信号后开始实时采集高清图像。
10.根据权利要求2所述的石材表面色差检测装置，其特征在于，所述对中限位导轮(16)提供对中限位功能。
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