CN112497933B - 一种彩喷机精度控制系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种彩喷机精度控制系统，包括主编码器、定位相机、主光电以及若干个辅助光电，所述主编码器安装在环形轨道的同步带从动轮上并用于检测位于环形轨道上的滑台在X方向的运动距离；所述定位相机安装在打印车头的进口处，用于采集待喷印硬币的图像信息；所述主光电布置在定位相机的下方，所述辅助光电安装在打印车头的喷头模组处，当待喷印的硬币随着环形轨道运动至打印车头时依次触发所述主光电和辅助光电。本发明的优点是采用辅助光电对硬币进行二次定位，能够有效提高硬币运动方向的打印精度，使硬币在X方向的打印精度可以控制在±0.1mm以内。

Description

一种彩喷机精度控制系统及工艺

技术领域

本发明涉及一种彩喷机精度控制系统及工艺。

背景技术

彩喷机对硬币进行打印时，对硬币的定位精度有较高的要求，然而现有技术尚不具备有效的打印定位手段，难以保证其运动精度，精度偏差较大。现有的彩喷机主要依靠主编码器记录其X方向的位置信息，而主编码器受制于安装条件限制，只能安装在同步带从动轮上，并不能直接反馈出环形导轨上78个滑台的每一个滑台的运动轨迹，考虑到滑台与同步带之间采用软性连接，二者存在间隙，且同步带在从动轮上也会存在打滑现象和塑性变形现象，因此由主编码器记录的滑台上硬币的运动位置信息存在较大误差，虽然已采用伺服电机整定后控制驱动同步带匀速运动，依然会存在单个滑台X运动方向±1mm左右的位移偏差，此误差直接反馈到打印精度上，造成打印精度只能控制在±1mm左右。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种彩喷机精度控制系统及工艺，能够修正彩喷机的运动误差，使其精度控制在0.1毫米以内。

为了达到以上目的，本发明提供了一种彩喷机精度控制系统，包括主编码器、定位相机、主光电以及若干个辅助光电，所述主编码器安装在环形轨道的同步带从动轮上并用于检测位于环形轨道上的滑台在X方向的运动距离；所述定位相机安装在打印车头的进口处，用于采集待喷印硬币的图像信息；所述主光电布置在定位相机的下方，所述辅助光电安装在打印车头的喷头模组处，当待喷印的硬币随着环形轨道运动至打印车头时依次触发所述主光电和辅助光电。

本发明通过二次定位用的主编码器以及在打印车头的喷头处设置的辅助光电，对滑台上的硬币进行重新定位。这样，在主编码器计数后，硬币每通过一次辅助光电，主编码器需要重新进行计数，以修正其计算误差，使硬币的运动精度偏差控制在0.1毫米以内。

优选地，所述辅助光电布置在喷头模组的喷头下方。

优选地，所述定位相机、打印车头均布置在环形轨道的上方。

优选地，所述打印车头包括七个喷头模组，每个喷头模组上设有一个或两个喷头，每个喷头的下方对应布置有一个辅助光电。

优选地，所述主编码器、定位相机、主光电、辅助光电均与PC机相连。

优选地，在所述环形轨道上设有一组用于承载硬币的滑台，并且所述滑台可沿环形轨道运动。

本发明还提供了一种彩喷机精度控制方法，包括以下步骤：

第一步、硬币设于滑台上并跟随环形轨道运动，硬币通过主光电触发定位相机采集硬币图像，以获得硬币图像与硬币模板之间的相对位置差值，同时记录主编码器的数值作为硬币通过主光电时在X方向的位置信息；转至第二步；

第二步、硬币跟随滑台继续跟随环形轨道运动，当硬币进入喷头模组下方时，硬币通过喷头模组的辅助光电触发主编码器记录其数值作为硬币通过辅助光电时在X方向的位置信息；转至第三步；

第三步、根据硬币图像与硬币模板之间的相对位置差值以及硬币通过主光电、辅助光电时在X方向的位置信息确定打印参数，喷头模组上与辅助光电对应的喷头根据打印参数对硬币喷印图纹。

所述第一步中，硬币通过主光电时触发主光电，主光电发送触发信号至PC机，然后PC机控制定位相机拍照采集运动中的硬币图像，PC机比较采集的运动中硬币的图像与PC机中储存的硬币模板，得到运动中的硬币相对于PC机中预存的硬币模板之间的相对位置差值，该相对位置差值包含硬币在X、Y方向上的相对差值以及硬币的旋转角度差值，分别记为ΔX、ΔY和Δθ；硬币通过主光电时，PC机控制主编码器记录其此时的数值作为硬币通过主光电时在X方向的位置信息，记为X1。

所述第一步中，获取运动中硬币相对于PC机中预存的硬币模板之间的相对位置差值的具体方法如下：

将硬币在检测图像中的中心位置x、y与模板图像中硬币的中心位置x1、y1进行比较，以计算出X、Y偏移，即Δx、Δy，

Δx＝x-x1

Δy＝y-y1

同时图像特征区域通过图像极坐标转换，将二维数据转换为一维数据，然后与同样处理过的一维模板数据进行NCC模板匹配，以计算其水平方向的偏差，该偏差值就代表了角度偏移Δθ(即Δθ＝NCC)，

其中，Nrows、Ncols分别表示检测图像与模板图像的行列数量，v₁(k，l)、v₂(k，l)分别表示检测图像与模板图像在(k，1)点的像素值，分别表示检测图像和模板图像平均灰度值，σ²(v₁)、σ²(v₂)分别表示检测图像与模板图像像素值的方差。

上述所述图像极坐标转换，就是将硬币具有代表特征的圆环区域转换为一张长条图像，这样硬币的角度信息就转换到了图像的水平方向偏移，转换后的图像与转换前图像之间的关系可以通过计算笛卡儿坐标为中心的极坐标变换时(θ,r)来反应,其计算公式为：

其中r代表半径，θ代表角度。

本发明将图像信息由平面坐标转换到极坐标系统，成功将二维运算降低到一维运算，大大降低了定位算法的运算时间，算法效率更高，能够实现精度更高的定位需求，达到0.02mm的定位精度，满足设备连续在线运行。

所述第二步中，硬币通过辅助光电时触发辅助光电，辅助光电发送触发信号至PC机，然后PC机控制主编码器记录其此时的数值作为硬币通过辅助光电时在X方向的位置信息，记为X2。

所述第三步中，将硬币从主光电到辅助光电的X方向的运动距离记为S，硬币通过辅助光电时，其预计位置信息为S1，实际位置信息为S2，根据下式计算硬币通过辅助光电时的预计位置和实际位置，

S1＝X1+S (1)

S2＝X2 (2)

然后，将硬币通过辅助光电时的实际位置与预计位置进行比较，获得二者的差值ΔS，根据下式计算实际位置与预计位置的差值，

ΔS＝S2-S1 (3)

最后，判断ΔS的值是否在设计范围内，若ΔS在设计范围内则采用主编码器记录的数值X2作为X方向的打印起始点，若ΔS不在设计范围内则采用预计位置S1作为X方向的打印起始点。

本发明中，由于从主光电到每个喷头下方辅助光电的X运动方向的距离S是固定的，而且整个环形轨道的运动速度V1也是恒定的，根据硬币触发主光电后记录的位置信息X1，可以预计出硬币通过辅助光电的位置信息S1＝X1+S。另外，由于硬币是平放在环形轨道的滑台上，而环形轨道在Y运动方向上的精度保持在±0.02mm，可忽略不计，同时硬币在滑台上随着滑台做匀速运动，其旋转角度θ也是保持不变的，因此硬币的运动精度误差主要产生在X运动方向，因此需要在每个喷头处设置辅助光电进行二次定位，以减小误差。

本发明的优点是采用辅助光电对硬币进行二次定位，能够有效提高硬币运动方向的打印精度，使硬币在X方向的打印精度可以控制在±0.1mm以内。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明中彩喷机精度控制工艺的原理图。

图2为本发明中彩喷机精度控制系统的原理框图。

图3为本发明中环形轨道与打印车头的安装示意图。

图4为本发明中彩喷机精度控制工艺的逻辑框图。

图5为本发明中硬币定位算法的逻辑框图。

具体实施方式

实施例一

如图2所示，一种彩喷机精度控制系统包括主编码器、定位相机(即工业面阵相机)、主光电以及12个辅助光电，主编码器、定位相机、主光电、辅助光电均与PC机相连。主编码器安装在环形轨道的同步带从动轮上并用于检测位于环形轨道上的滑台在X方向的运动距离；定位相机安装在打印车头的进口处，用于采集待喷印硬币的图像信息；主光电布置在定位相机的下方，辅助光电安装在打印车头的喷头模组处并布置在喷头模组的喷头下方，当待喷印的硬币随着环形轨道运动至打印车头时依次触发所述主光电和辅助光电。主光电、辅助光电均采用对射激光光电。

另外，定位相机、打印车头均布置在环形轨道的上方(见图3)。在环形轨道上设有一组用于承载硬币的滑台，并且滑台可沿环形轨道运动。打印车头包括七个喷头模组，每个喷头模组上设有一个或两个喷头，共12个喷头，每个喷头的下方对应布置有一个辅助光电。

一种彩喷机精度控制方法，如图1和图4所示，包括以下步骤：

第一步、硬币设于滑台上并跟随环形轨道运动，硬币通过主光电触发定位相机采集硬币图像，以获得硬币图像与硬币模板之间的相对位置差值，同时记录主编码器的数值作为硬币通过主光电时在X方向的位置信息；

第二步、硬币跟随滑台继续跟随环形轨道运动，当硬币进入喷头模组下方时，硬币通过喷头模组的第一辅助光电触发主编码器记录其数值作为硬币通过第一辅助光电时在X方向的位置信息；

第三步、根据硬币图像与硬币模板之间的相对位置差值以及硬币通过主光电、第一辅助光电时在X方向的位置信息确定打印参数，喷头模组上与第一辅助光电对应的第一喷头根据打印参数对硬币喷印图纹；

第四步、硬币跟随滑台继续跟随环形轨道运动，当硬币通过喷头模组的第二辅助光电时重复第二、第三步的操作，如此循环操作直至硬币通过打印车头。

第一步中，硬币通过主光电时触发主光电，主光电发送触发信号至PC机，然后PC机控制定位相机拍照采集运动中的硬币图像，定位相机将采集的图像传送至PC机，PC机比较采集的运动中硬币的图像与PC机中储存的硬币模板，进而将定位相机采集的硬币位置信息与PC机中预存模板位置信息进行比对，得到运动中的硬币相对于PC机中预存的硬币模板之间的相对位置差值，该相对位置差值包含硬币在水平X、Y方向上的相对差值以及硬币的旋转角度差值，分别记为ΔX、ΔY和Δθ；硬币通过主光电时，PC机控制主编码器记录其此时的数值作为硬币通过主光电时在X方向的位置信息，记为X1。

本实施例通过工业面阵相机搭配合适的工业镜头，选择对金属表面成像一致性较好的同轴光源，对硬币外形及图纹轮廓进行成像还原。工业面阵相机在完成成像后通过高速数据传输将采集的图像数据信息传输中PC机的图像处理单元，图像处理单元通过图像处理算法对接收到的图像数据信息进行处理分析，以计算出硬币的X偏移、Y偏移及角度偏移θ。其中，图像处理算法(即定位算法)通过模板匹配技术将每张待定位图像与图像处理单元中预存的标准模板进行匹配，计算其偏差值，实现高精度定位，算法逻辑框图如图5所示(“检测模板”是指前面所述的“标准模板”)。

第一步中，获取运动中硬币相对于PC机中预存的硬币模板之间的相对位置差值的具体方法如下：

将硬币在检测图像中的中心位置x、y与模板图像中硬币的中心位置x1、y1进行比较，以计算出X、Y偏移，即Δx、Δy，

Δx＝x-x1

Δy＝y-y1

同时图像特征区域通过图像极坐标转换，将二维数据转换为一维数据，然后与同样处理过的一维模板数据进行NCC模板匹配，计算其水平方向的偏差，该偏差值就代表了角度偏移Δθ(即Δθ＝NCC)，

其中，Nrows、Ncols分别表示检测图像与模板图像的行列数量，v₁(k，l)、v₂(k，l)分别表示检测图像与模板图像在(k,l)点的像素值，分别表示检测图像和模板图像平均灰度值，σ²(v₁)、σ²(v₂)分别表示检测图像与模板图像像素值的方差。

上述所述图像极坐标转换，就是将硬币具有代表特征的圆环区域转换为一张长条图像，这样硬币的角度信息就转换到了图像的水平方向偏移，转换后的图像与转换前图像之间的关系可以通过计算笛卡儿坐标为中心的极坐标变换时(θ,r)来反应,其计算公式为：

其中r代表半径，θ代表角度。

模板匹配部分，采用基于相似度度量的匹配算法，使用待定位图像(即采集的运动中的硬币图像)与模板的灰度，通过归一化的相关性度量公式来计算二者之间的匹配程度。

传统的模板匹配算法解决旋转问题，期望获取高精度的定位结果，需要更多的匹配次数。如果角度定位精度为0.1度，就需要进行图像3600次旋转、匹配，算法效率差。本实施例的定位系统将图像信息由平面坐标转换到极坐标系统，成功将二维运算降低到一维运算，大大降低了定位算法的运算时间，算法效率更高，能够实现精度更高的定位需求，达到0.02mm的定位精度，满足设备连续在线运行。

第二步中，硬币通过第一辅助光电时触发第一辅助光电，第一辅助光电发送触发信号至PC机，然后PC机控制主编码器记录其此时的数值作为硬币通过第一辅助光电时在X方向的位置信息，记为X2。

第三步中，第一喷头根据第一步获得的ΔX、ΔY和Δθ的数值，再结合第二步中第一辅助光电触发时，主编码器的数值X2，开始打印图纹。

将硬币从主光电到辅助光电的X方向的运动距离记为S，硬币通过辅助光电时，其预计位置信息为S1，实际位置信息为S2，根据下式计算硬币通过辅助光电时的预计位置和实际位置，

S1＝X1+S (1)

S2＝X2 (2)

第一辅助光电被触发时，将硬币通过辅助光电时的实际位置S2＝X2与预计位置S1＝X1+S进行比较，获得二者的差值ΔS，根据下式计算实际位置与预计位置的差值，

ΔS＝S2-S1 (3)

差值ΔS是由于运动精度误差造成的，无法消除。判断ΔS的值是否在设计范围内，若ΔS在设计范围内(设计范围一般取值为±2.6mm)则采用主编码器记录的数值X2作为X方向的打印起始位置点，结合ΔX、ΔY和Δθ下发打印位置数据至喷头打印板卡，控制喷头开始打印，此时采用X2作为起始点开始打印能够有效提高运动方向的打印精度；若ΔS不在设计范围内说明差值ΔS过大，则采用预计位置S1作为X方向的打印起位置始点，结合ΔX、ΔY和Δθ下发打印位置数据至喷头打印板卡，控制喷头开始打印。

硬币经过进币分度盘后，处于平放在环形导轨的小滑台上，此时小滑台随着同步带沿导轨X方向运动，其Y方向依靠导轨自身精度保持能够达到±0.02mm，硬币在小滑台上处于同步状态，没有相对位移，其运动状态等同于小滑台的运动状态。当硬币经过主光电后，触发定位相机拍照，此时通过上位机中预存的模板与实际拍照位置进行比对，计算得出硬币的相对位置数据ΔX、ΔY和Δθ，此三项数据作为后面喷头打印图稿位置的基础数据，下发给打印车头的喷头打印板卡，再结合喷头打印起始位置，就可以控制整体打印精度。除运动方向X外，其Y向以及旋转Z向默认没有发生改变，而X向由于受到同步带牵引，而同步带存在伸缩张紧形变，且由于运动速度不是绝对匀速，存在一定误差，需要用辅助光电进行二次触发，以最靠近喷头的打印位置作为打印起始点，可以有效减小长距离X方向运动造成的累计误差。

另外，由于相机安装时并不能完全保证平行于运动方向且垂直于水平方向，旋转角度也不能保证为0度，所以为确保打印整体图纹时能够弥补这些误差，可以设置一定的补偿参数，通过第一次打印出来的成品，调整这些参数视觉基础X、Y、角度补偿，将打印图纹与硬币表面金属图纹准确套印。在y方向和θ存在误差，误差产生的原因主要是由于硬币与小滑台之间在运动过程中产生相对位移，因此可通过在小滑台与硬币接触的上表面粘贴防滑贴纸，增大摩擦力，避免硬币在单个滑台上产生位移。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种彩喷机精度控制方法，其特征在于，该方法所涉及的彩喷机精度控制系统，包括主编码器、定位相机、主光电以及若干个辅助光电，所述主编码器安装在环形轨道的同步带从动轮上并用于检测位于环形轨道上的滑台在X方向的运动距离；所述定位相机安装在打印车头的进口处，用于采集待喷印硬币的图像信息；所述主光电布置在定位相机的下方，所述辅助光电安装在打印车头的喷头模组处，当待喷印的硬币随着环形轨道运动至打印车头时依次触发所述主光电和辅助光电；

该方法包括以下步骤：

第一步、硬币设于滑台上并跟随环形轨道运动，硬币通过主光电触发定位相机采集硬币图像，以获得硬币图像与硬币模板之间的相对位置差值，同时记录主编码器的数值作为硬币通过主光电时在X方向的位置信息；硬币通过主光电时触发主光电，主光电发送触发信号至PC机，然后PC机控制定位相机拍照采集运动中的硬币图像，PC机比较采集的运动中硬币的图像与PC机中储存的硬币模板，得到运动中的硬币相对于PC机中预存的硬币模板之间的相对位置差值，该相对位置差值包含硬币在X、Y方向上的相对差值以及硬币的旋转角度差值，分别记为ΔX、ΔY和Δθ；硬币通过主光电时，PC机控制主编码器记录其此时的数值作为硬币通过主光电时在X方向的位置信息，记为X1；

获取运动中硬币相对于PC机中预存的硬币模板之间的相对位置差值的具体方法如下：

将硬币在检测图像中的中心位置x、y与模板图像中硬币的中心位置x1、y1进行比较，以计算出X、Y偏移，即Δx、Δy，

Δx＝x-x1

Δy＝y-y1

同时图像特征区域通过极坐标转换，将二维数据转换为一维数据，然后与同样处理过的一维模板数据进行NCC模板匹配，以计算其水平方向的偏差，该偏差值就代表了角度偏移Δθ，

其中，Nrows、Ncols分别表示检测图像与模板图像的行列数量，v₁(k，l)、v₂(k，l)分别表示检测图像与模板图像在(k,l)点的像素值，分别表示检测图像和模板图像平均灰度值，σ²(v₁)、σ²(v₂)分别表示检测图像与模板图像像素值的方差；

转至第二步；

第二步、硬币跟随滑台继续跟随环形轨道运动，当硬币进入喷头模组下方时，硬币通过喷头模组的辅助光电触发主编码器记录其数值作为硬币通过辅助光电时在X方向的位置信息；硬币通过辅助光电时触发辅助光电，辅助光电发送触发信号至PC机，然后PC机控制主编码器记录其此时的数值作为硬币通过辅助光电时在X方向的位置信息，记为X2；转至第三步；

第三步、根据硬币图像与硬币模板之间的相对位置差值以及硬币通过主光电、辅助光电时在X方向的位置信息确定打印参数，喷头模组上与辅助光电对应的喷头根据打印参数对硬币喷印图纹；将硬币从主光电到辅助光电的X方向的运动距离记为S，硬币通过辅助光电时，其预计位置信息为S1，实际位置信息为S2，根据下式计算硬币通过辅助光电时的预计位置和实际位置，

S1＝X1+S (1)

S2＝X2 (2)

然后，将硬币通过辅助光电时的实际位置与预计位置进行比较，获得二者的差值ΔS，根据下式计算实际位置与预计位置的差值，

ΔS＝S2-S1 (3)

最后，判断ΔS的值是否在设计范围内，若ΔS在设计范围内则采用主编码器记录的数值X2作为X方向的打印起始点，若ΔS不在设计范围内则采用预计位置S1作为X方向的打印起始点。

2.根据权利要求1所述一种彩喷机精度控制方法，其特征在于：所述辅助光电布置在喷头模组的喷头下方；所述定位相机、打印车头均布置在环形轨道的上方。

3.根据权利要求2所述一种彩喷机精度控制方法，其特征在于：所述打印车头包括七个喷头模组，每个喷头模组上设有一个或两个喷头，每个喷头的下方对应布置有一个辅助光电。

4.根据权利要求3所述一种彩喷机精度控制方法，其特征在于：所述主编码器、定位相机、主光电、辅助光电均与PC机相连。

5.根据权利要求4所述一种彩喷机精度控制方法，其特征在于：在所述环形轨道上设有一组用于承载硬币的滑台，所述滑台可沿环形轨道运动。