CN106767452A - 一种木质产品宽度检测装置及其检测方法 - Google Patents

一种木质产品宽度检测装置及其检测方法 Download PDF

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    • G01B11/046—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness specially adapted for measuring length or width of objects while moving for measuring width

Abstract

本发明公开了一种木质产品宽度检测装置，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台的传送方向，依次在支架上设置激光发射器和面阵工业相机，且所述的激光发射器发射到传送台上被测木质产品表面的光源经被测木质产品反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通。本发明同时公开了其检测方法。本发明所述装置和方法安全可靠、测量精度高、使用方便，克服了现有检测技术的缺陷，具有可同时检测一个截面上的多个点、自动连续检测的优势。

Description

一种木质产品宽度检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测系统及其检测方法，尤其是涉及一种木质产品宽度的检测装置及其检测方法，属于木材加工制造领域。
背景技术
木质产品宽度是木质产品加工制造过程中重要参数，要对木质产品宽度进行严格控制的前提就是必须精确、快速地检测出木质产品宽度。为保护森林资源，提高木材利用率，提高木材加工自动化程度，降低劳动者的工作强度，保证木质产品达到质量要求,对木质产品宽度进行在线测量以防止不合格的木质产品进入生产加工，对木质产品后续装配加工尤为重要；此外，通过对木质产品宽度进行实时在线检测，可以将木质产品宽度信息实时反馈给木质产品加工生产装置，对加工参数进行实时调整。
目前在实验生产和试验研究中，对木质产品宽度进行在线检测的方法主要为直射式激光三角测距，而直射式激光三角测距是一种准确的测量高度的方法，一般是一条激光发生器生成一条直而且有一定亮度的线光线，光线照射在被测物体表面，相机以一定角度来拍摄被照射试件，在相机上成像，根据在相机所成图像中激光线的位置宽度来定量的测量出被测物体宽度，这种方法在测量时，没有考虑被测物高度引起的宽度信息变化，仅仅认为宽度信息是不变的。
发明内容
为了克服现有技术问题，本发明的目的在于提供一种安全可靠、测量精度高、使用方便的木质产品宽度检测装置及其检测方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种木质产品宽度检测装置，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台的传送方向，依次在支架上设置激光发射器和面阵工业相机，且所述的激光发射器发射到传送台上被测木质产品表面的光源经被测木质产品反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通。
而一种基于上述的木质产品宽度检测装置的木质产品宽度检测方法，则包括以下步骤：
S1：利用木质产品宽度检测装置检测矩形木质产品的高度x：激光发射器向传送台上经过的被测木质产品发射激光光源，被测木质产品表面的激光光源经反射后由面阵工业相机接收，面阵工业相机将得到的被测木质产品的光源信息转换为被测木质产品的高度轮廓图像信息，然后，计算机中的数据采集卡收集面阵工业相机的被测木质产品的高度轮廓图像信息，并根据高度计算公式：x＝k1y得到被测木质产品的实际高度值，式中：x为被测木质产品的实际高度值，k1为高度方向的空间分辨率，y为高度轮廓图像中表现的被测木质产品的高度值；
S2：利用S1步骤中得到的被测木质产品的高度值计算被测木质产品的宽度值W：被测木质产品的宽度值的计算公式为：W＝k2′W'，所述的W为被测木质产品的实际宽度值，k2′为被测木质产品高度为x处的宽度方向的空间分辨率，W′为宽度轮廓图像中表现的被测木质产品的宽度值，而所述的k2′为高度x的线性函数。
更进一步，在S1步骤中，所述的k1的数值公式为：k1＝1/(β·sinθ)，在k1的数值公式中，β为面阵工业相机中物镜的光学元件及成像系统的横向放大倍率，β表示了物镜光学系统所成的像在垂轴方向的放大程度及取向；θ为激光发射器的轴线与面阵工业相机中物镜光轴的夹角,β和θ均可测量，且当成像系统固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，激光发射器的轴线与面阵工业相机中物镜光轴的夹角θ为固定，面阵工业相机中物镜的光学元件及成像系统的横向放大倍率β固定，则k1也为固定值。
在S2步骤中，所述的k2′和高度x的线性函数关系为:式中：k2为高度为0处宽度方向的空间分辨率，，L'为像距，θ为激光发射器的轴线与面阵工业相机中物镜光轴的夹角，kc为面阵工业相机的像素常数，单位为mm/像素，当成像系统固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，则k2、L'、θ和kc均为固定值。
此外，在S1步骤中，激光发射器向被测木质产品发射的激光光源为扇形激光光源，且被测木质产品表面形成的光条为一字形光条。
且所述的宽度轮廓图像中表现的被测木质产品的宽度值W′为被测木质产品的被测截面轮廓线的像素点总数。
本发明的有益效果为：本发明所述装置和方法通过获取高度信息来调整宽度方向的空间分辨率，可实现宽度的精确测量，且克服了现有的激光测量法仅能实现单点扫描但不能同时对木质产品表面的一个截面上的所有点进行测量从而导致测量精度不高的缺点，且同时具有反应灵敏，检测时间短，检测速度快的优势实现了自动化及连续检测，容易实现批量化检测与控制。
附图说明
图1为本发明所述的木质产品宽度检测装置的结构示意图；
图2为木质产品高度检测基本原理示意图；
图3为60度角度条件下标准量块高度x与高度轮廓图像中表现的标准量块的高度值y的对应关系图；
图4为45度角度条件下标准量块高度x与高度轮廓图像中表现的标准量块的高度值y的对应关系图；
图5为30度角度条件下标准量块高度x与高度轮廓图像中表现的标准量块的高度值y的对应关系图；
图6为木质产品宽度检测基本原理示意图；
图7为60度角度条件下，试件高度x与平均单位像素宽度值的对应关系图；
图8为45度角度条件下，试件高度x与平均单位像素宽度值的对应关系图；
图9为30度角度条件下，试件高度x与平均单位像素宽度值的对应关系图。
图中主要附图标记含义为：
1、传送台 2、激光发射器 3、支架 4、被测木质产品 5、面阵工业相机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细说明本发明。
实施例1：
图1为本发明所述的木质产品宽度检测装置的结构示意图。
如图1所示：木质产品款的的检测装置，包括传送台1、激光发射器2、支架3、面阵工业相机5，支架3桥式架设在传送台1上，沿传送台1的传送方向，依次在支架3上设置激光发射器2和面阵工业相机5，且所述的激光发射器2发射到传送台1上被测木质产品4表面的光源经被测木质产品4反射后被面阵工业相机5接收，而面阵工业相机5同时与一计算机连通。
测量过程中，测量时先将激光发射器2的激光光源在相机中成像调至最清晰，整个测试过程不再调节成像过程中像距、物距等成像参数。
被测木质产品4在传送台1上由传送带传送至检测位置，被测木质产品4上方的激光发射器2作为检测的指示光源，向传送台1上经过的被测木质产品4发射激光光源，所述的激光光源为扇形激光光源，且被测木质产品4表面形成的光条为一字形光条，可同时测量被测木质产品4一个截面上的多个点，被测木质产品4表面的激光光源经反射后由面阵工业相机5接收，面阵工业相5将得到的被测木质产品4的光源信息转换为被测木质产品4的高度轮廓图像信息，，通过同时测量多个点的功能，每一点进行测量则代表一次测量，每一次测量会在图像中形成一个像素点，每一次测量可获得一个像素点所在位置的高度值，图像中构成木质产品被测截面轮廓线的像素点总数即木质产品高度测量次数代表了宽度轮廓图像中表现的被测木质产品4的宽度值W′。计算机中的数据采集卡收集面阵工业相机5的被测木质产品4的高度轮廓图像信息，根据高度计算公式：x＝k1y得到被测木质产品的实际高度值。
图2为木质产品高度检测基本原理示意图。
如图2所示：O点是面阵工业相机5的镜头透镜的中心，即光心，B点是没有放被测木质产品4时激光照射到工作平台上的点，此时检测高度值为0，此时在面阵工业相机5成像平面上的像点是B'，BB'的连线通过光心垂直于透镜，即光轴，当放上一个高度为x的被测木质产品4时，激光照射在被测木质产品4表面A点处，此时在相机成像平面上的点位A'，在面阵工业相机5中高度为y(单位：像素)，kc为面阵工业相机5中像素大小(单位：mm/像素),为面阵工业相机5常数，f为相机镜头的焦距。当没有放置被测木质产品4时B点的成像满足高斯公式：
记L为测量高度为0时成像的物距，L′为像距，则上式可以写成：
得到
由图2中几何关系可以知道：AB＝x,A'B'＝y,OB＝L,OB'＝L',AD＝x',OD＝L″,θ为入射激光光源与物镜光轴的夹角，x为被测木质产品的实际高度值，单位：mm。
根据针孔成像原理，且△ADO∽△A'B'O可得：
将公式(1)代入公式(4)中，
即
当面阵工业相机5位置固定时，OB、f、θ为固定值，
因为OB＞＞AB·cosθ，则
即
从公式(6)中可知：k1为高度方向的空间分辨率，即高度上的像素值比试件厚度，是面阵工业相机5上被测木质产品4表面与基准底面的偏移y(y为高度轮廓图像中表现的被测木质产品的高度值)与被测木质产品4的实际高度值x的线性关系系数，这个值大小与测试系统中透镜焦距、未放被测木质产品4时物距、光轴与激光束的夹角共同决定的。
且上述的k1的数值公式为：k1＝1/(β·sinθ)，在k1的数值公式中，β为面阵工业相机中物镜的光学元件及成像系统的横向放大倍率，β表示了物镜光学系统所成的像在垂轴方向的放大程度及取向；θ为激光发射器的轴线与面阵工业相机中物镜光轴的夹角,β和θ均可测量，且当成像系统固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，激光发射器的轴线与面阵工业相机中物镜光轴的夹角θ为固定，面阵工业相机中物镜的光学元件及成像系统的横向放大倍率β固定，则k1也为固定值。
具体标定方法为：高度方向标定采用国家标准量块，标准量块的规格为5～50mm，精度为0级，误差在1μm,厚度在10mm左右，长度在30mm左右，材质为镀铬钢铁。
表1为分别在30、45、60度角度条件下标准量块高度x与高度轮廓图像中表现的标准量块的高度值y的对应关系。
表1：
由表1得到标准量块的回归方程为：x1＝k1*y1+b1
式中：x1为标准量块的实际高度值，k1为斜率，b1为截距，y1为高度轮廓图像中表现的标准量块的高度值，单位为像素；
图3为60度角度条件下标准量块高度x与高度轮廓图像中表现的标准量块的高度值y的对应关系图；图4为45度角度条件下标准量块高度x与高度轮廓图像中表现的标准量块的高度值y的对应关系图；图5为30度角度条件下标准量块高度x与高度轮廓图像中表现的标准量块的高度值y的对应关系图。
由图3-图5得到在30、45、60度角度条件下标准量块的回归方程中斜率、截距和回归系数分别如表2所示：
表2：
倾角 k1 b1 R2回归系数
60度 0.174 0.2956 0.9998
45度 0.1834 0.8784 0.9991
30度 0.2892 0.6477 0.9992
由表2可知：在30、45、60度角度条件下标准量块高度的回归方程的回归系数均在0.999以上，曲线相关系数非常之高，在统计上学上，一般R平方系数在0.8以上就可以认为存在线性关系了，因此，上述的被测木质产品的实际高度与高度轮廓图像中表现的被测木质产品的高度线性相关。
图6为木质产品宽度检测基本原理示意图。如图6所示：在水平传送台上放置一厚度x被测木质产品4时，被测木质产品4上最高处A点的物距为：
DO＝BO-AB·cosθ,L″＝L-x·cosθ
设A点、B点所在处宽度为同一物体尺寸相同，B点的物距为BO＝L，A点的物距为DO＝L″＝L-x·cosθ，当放置被测木质产品4后，被测被测木质产品4轮廓物距沿着光轴向透镜方向靠近。
图6中W为被测木质产品4的实际宽度值，W'为被测木质产品宽度轮廓图像中表现的被测木质产品的宽度值，单位(像素)。在B点所在处宽度方向上，设k2为高度为0处宽度方向的空间分辨率，此时试件的高度值比像素值(单位mm/像素)。
当放上高度为x的被测木质产品后，激光光源垂直于光轴，向透镜移动了一段距离，原来的在D点所在处宽度方向上，在△ABD中，BD＝x·cosθ，设k2'为高度为x处宽度方向的空间分辨率，则
式中：k2为高度为0处宽度方向的空间分辨率，，L'为像距，θ为激光发射器的轴线与面阵工业相机中物镜光轴的夹角，kc为面阵工业相机的像素常数，单位为mm/像素，当成像系统固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，则k2、L'、θ和kc均为固定值。
而被测木质产品的宽度值的计算公式为：W＝k2′W'，所述的W为被测木质产品的实际宽度值，k2′为被测木质产品高度为x处的宽度方向的空间分辨率，W'为宽度轮廓图像中表现的被测木质产品的宽度值，且所述的k2′为高度x的线性函数，所以：被测木质产品的宽度方向的分辨率，主要是由初始未放试件时的宽度分辨率决定的，随着高度的变化分辨率有所减小，当测量系统参数给定时，高度与宽度方向分辨率呈线性关系。
具体标定方法为：宽度方向标定采用标准试件高度在20～50mm，宽度100mm，长度200mm。标准试件材质：PVC塑料板。考虑到标准试件可能表面的均匀度问题，每个宽度用10个数据，取平均值。量具是采用精度为0.02mm的游标卡尺。
表2为60度角度条件下标准试件高度x、宽度W的对应关系。
表2：
。
图7为60度角度条件下，试件高度x与平均单位像素宽度值的对应关系图。
表3为45度角度条件下标准试件高度x、宽度W的对应关系。
表3：
。
图8为45度角度条件下，试件高度x与平均单位像素宽度值的对应关系图；
表4为30度角度条件下标准试件高度x、宽度W的对应关系。
表4：
。
图9为30度角度条件下，试件高度x与平均单位像素宽度值的对应关系图；
如图7-图9所示，试件的宽度回归方程为：k2″＝k*x2+b2式中：k2″代表单位像素对应实际宽度比值(被测试件高度为x2处的宽度方向的空间分辨率)，x2是试件高度单位(mm),k代表回归斜率，b2代表截距。
在30、45、60度角度条件下试件的回归方程中斜率、截距和回归系数分别如表5所示：
表5：
由表5可知：在30、45、60度角度条件下试件的回归方程的回归系数均在0.97以上，曲线相关系数非常之高，在统计学上，一般R平方系数在0.8以上就可以认为存在线性关系了，因此，被测试件的宽度方向的分辨率，主要是由初始未放试件时的宽度分辨率决定的，随着高度的变化分辨率有所减小，当测量系统参数给定时，高度与宽度方向分辨率呈线性关系。
本发明按照上述实施例进行了说明应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种木质产品宽度检测装置，其特征在于，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台的传送方向，依次在支架上设置激光发射器和面阵工业相机，且所述的激光发射器发射到传送台上被测木质产品表面的光源经被测木质产品反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通。
2.一种基于权利要求1所述的木质产品宽度检测装置的木质产品宽度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用木质产品宽度检测装置检测矩形木质产品的高度x：激光发射器向传送台上经过的被测木质产品发射激光光源，被测木质产品表面的激光光源经反射后由面阵工业相机接收，面阵工业相机将得到的被测木质产品的光源信息转换为被测木质产品的高度轮廓图像信息，然后，计算机中的数据采集卡收集面阵工业相机的被测木质产品的高度轮廓图像信息，并根据高度计算公式：x＝k1y得到被测木质产品的实际高度值，式中：x为被测木质产品的实际高度值，k1为高度方向的空间分辨率，y为高度轮廓图像中表现的被测木质产品的高度值；
S2：利用S1步骤中得到的被测木质产品的高度值计算被测木质产品的宽度值W：被测木质产品的宽度值的计算公式为：W＝k2′W'，所述的W为被测木质产品的实际宽度值，k2′为被测木质产品高度为x处的宽度方向的空间分辨率，W′为宽度轮廓图像中表现的被测木质产品的宽度值，而所述的k2′为高度x的线性函数。
3.根据权利要求2所述的一种木质产品宽度检测方法，其特征在于，在S1步骤中，所述的k1的数值公式为：k1＝1/(β·sinθ)，在k1的数值公式中，β为面阵工业相机中物镜的光学元件及成像系统的横向放大倍率，β表示了物镜光学系统所成的像在垂轴方向的放大程度及取向；θ为激光发射器的轴线与面阵工业相机中物镜光轴的夹角,β和θ均可测量，且当成像系统固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，激光发射器的轴线与面阵工业相机中物镜光轴的夹角θ为固定，面阵工业相机中物镜的光学元件及成像系统的横向放大倍率β固定，则k1也为固定值。
4.根据权利要求2所述的一种木质产品宽度检测方法，其特征在于，在S2步骤中，所述的k2′和高度x的线性函数关系为:式中：k2为高度为0处宽度方向的空间分辨率，，L'为像距，θ为激光发射器的轴线与面阵工业相机中物镜光轴的夹角，kc为面阵工业相机的像素常数，单位为mm/像素，当成像系统固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，则k2、L'、θ和kc均为固定值。
5.根据权利要求2所述的一种木质产品宽度检测方法，其特征在于，在S1步骤中，激光发射器向被测木质产品发射的激光光源为扇形激光光源，且被测木质产品表面形成的光条为一字形光条。
6.根据权利要求2所述的一种木质产品宽度检测方法，其特征在于，所述的宽度轮廓图像中表现的被测木质产品的宽度值W′为被测木质产品的被测截面轮廓线的像素点总数。
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