CN116593395A - 一种用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统，包括XYZ直线导轨机构和图像采集装置；所述XYZ直线导轨机构由X,Y,Z空间位置上相互垂直的三条直线导轨组成，图像采集装置包括安装在Z导轨滑块上的相机和光源，Z导轨上还安装有原点开关和磁栅尺，通过原点开关给定磁栅尺和相机的初始位置，通过磁栅尺检测相机的实际位移并反馈给运动控制器；相机的位置可沿导轨的X,Y方向调节，提高设备在图像采集过程中的适用性，保证相机的视野范围；导轨带动相机移动的距离由磁栅尺检测并反馈回运动控制器，输出和反馈回的信号由运动控制器处理并协调控制X,Y,Z轴的伺服电机进行运作，保证相机采集图片的位置和精度。

Description

一种用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统

技术领域

本发明属于机器视觉检测技术，涉及一种用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统。

背景技术

金属板材在生产及制造加工过程中由于生产环境的影响以及在运输中存在磕碰等原因，表面会产生一些缺陷，如漏底、划痕、裂纹、起皮、缺损等，因此生产制造过程中表面缺陷检测就成了必要的环节，而采集高质量的缺陷图像是整个检测过程的前提。

目前采用人工检测的方式检测效率低，依赖工人的经验，且费时费力，可靠性不高。而用于表面缺陷视觉检测的设备，相机视场范围调整或更换采集设备时需要手动调节，且不适用于线阵相机，开发及设备维护成本较高，缺乏适用性，相机固定检测范围局限，适用性低。且存在以下问题：

1)采集图片范围有限：相机与检测物体位置固定，检测范围只适用于规定好的工作平面，对于不同规格的板材需要重新调整位置，对于多规格且形状尺寸大小不一的板材检测效率较低；

2)图片精度问题：深度相机测量精度与测量距离成反相关，因此需要调整相机距待测平面的高度使其保持在合适的采集范围内。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明目的在于提供了一种用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统，具有采图像集效率高、操作简单、检测精度高的优点。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统，包括XYZ直线导轨机构和图像采集装置；

所述XYZ直线导轨机构由X,Y,Z空间位置上相互垂直的三条直线导轨组成，X导轨通过机架固定在基座平面上，Y导轨通过滑块安装在X导轨上，Z导轨通过滑块安装在Y导轨上，X,Y,Z各导轨与其平行分别设置有用于驱动X,Y,Z导轨上各滑块移动的滚珠丝杠副，滚珠丝杠副由设置在一侧的伺服驱动器驱动，伺服驱动器与设置在机架一侧的运动控制器和PC机连接，用于放置待测板材额的检测平台设置在机架下方；

所述图像采集装置包括安装在Z导轨滑块上的相机和光源，Z导轨上还安装有原点开关和磁栅尺，通过原点开关给定磁栅尺和相机的初始位置，通过磁栅尺检测相机的实际位移并反馈给运动控制器。

进一步，在X,Y,Z导轨上均分别安装有正负限位开关，正负限位开关与运动控制器连接。

进一步，所述正负限位开关为光电开关传感器。

进一步，所述Z导轨上还设置有刻度盘，通过刻度盘调整相机的姿态。

进一步，所述的X,Y,Z导轨是与滑块上下面加工出的双圆弧沟槽适配的一体型直线导轨机构。

进一步，所述Y导轨通过XYZ导轨连接板与X导轨上的滑块连接，Z导轨通过XYZ导轨连接板与Y导轨上的滑块连接，相机和光源通过光源连接板与Z导轨上的滑块连接。

进一步，所述相机通过底座与光源连接板连接，光源连接板与Z轴导轨上的滑块通过螺纹连接。

进一步，所述相机为面阵相机或者线阵相机。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)相机的位置可沿导轨的X,Y方向调节，当待检测板材结构尺寸发生变化时，可通过相机的移动达到合适的检测位置，提高设备在图像采集过程中的适用性，保证相机的视野范围，导轨带动相机移动的距离由磁栅尺检测并反馈回运动控制器，输出和反馈回的信号由运动控制器处理并协调控制X,Y,Z轴的伺服电机进行运作，保证相机采集图片的位置和精度。

2)相机可以调节在Z导轨方向距检测平面的距离，相机的视野范围会随着焦距的增加而减小；对于板材表面复杂且微小的缺陷通过调整相机的高度进行图像采集，保证图片采集时的图像特征的完整性。

3)所述Z导轨上还设置有刻度盘，通过刻度盘调整相机的姿态，保证相机光轴与待测平面保持合适的角度，提高检测的精度。

4)X,Y,Z导轨上均分别安装有正负限位开关，XYZ导轨运动的极限位置采用双限位，即磁栅尺反馈的软限位和采用正负限位开关的硬限位，提高系统运动控制的安全性。

5)本发明针对板材表面缺陷检测设计，加工对象明确，工作性能可靠，适用性强。

6)采用视觉检测方法代替人工检测，提高了检测的效率。

7)设备的适用性强，面阵相机和线阵相机均可用于该系统进行图像采集。

附图说明

图1为板材缺陷检测的运动控制系统硬件结构示意图；

图2为相机采集图像部分的示意图；

图3为运动控制系统的结构框图；

图中标号含义：1-机架，2-滑块，3-直线导轨，4-滚珠丝杠副、5-XYZ导轨连接板，6-原点开关，7-正负限位开关，8-相机，9-光源，10-光源连接板，11-刻度盘，12-磁栅尺，13-伺服驱动器，14-PC机，15-X导轨，16-Y导轨，17-Z导轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明采集板材表面缺陷图像的控制系统硬件结构做进一步说明。

如附图1、图2所示，本发明用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统包括XYZ直线导轨机构和图像采集装置。

XYZ直线导轨机构由X,Y,Z空间位置上相互垂直的三条直线导轨3组成，X导轨15通过机架1固定在基座平面上，Y导轨16通过滑块2安装在X导轨15上，Z导轨17通过滑块2安装在Y导轨16上，各个直线导轨之间通过滑块2连接，滑块2在直线导轨上滑动实现X,Y,Z三条直线导轨各方向控制和支撑。X,Y,Z各导轨与其平行分别设置有用于驱动X,Y,Z导轨上各滑块的滚珠丝杠副4，滚珠丝杠副4由设置在一侧的伺服驱动器13驱动，伺服驱动器13与设置在机架1一侧的运动控制器和PC机14连接。

所述的X,Y,Z导轨是与滑块2上下面加工出的双圆弧沟槽适配的导轨一体型的直线导轨3机构，从而实现导轨自下而上的支撑及与滑块2的相对滑动。检测平台设置在机架下方，检测平台上表面为平面，待测板材放置在检测平台上。

图像采集装置包括相机8和光源9，相机8和光源9安装在Z导轨17上的滑块2上，通过滑块带动调整高度，电机驱动Z导轨17在Y导轨16上移动，完成扫描工作。在X,Y,Z导轨上均分别安装有正负限位开关7，Z导轨17上安装有原点开关6和磁栅尺12，通过原点开关6给定磁栅尺12和相机8的初始位置，通过磁栅尺12检测相机8的实际位移并反馈给运动控制器，Z导轨17上还设置有刻度盘11，通过刻度盘11调整相机8的姿态。

Y导轨16通过XYZ导轨连接板5与X导轨15上的滑块2连接，Z导轨17通过XYZ导轨连接板5与Y导轨16上的滑块2连接，相机8和光源9通过光源连接板10与Z导轨17上的滑块2连接。

本发明的工作原理是：通过安装在Z导轨17上的刻度盘11调整相机8的姿态，调整相机8光轴与基准平面的空间几何关系，对于检测平台范围内任意尺寸的板材，相机8通过在X,Y方向在平面内的横向移动调整图像采集区域，在Z方向上移动调节相机8的视野范围。缺陷视觉检测系统中机械运动机构利用滚珠丝杠直线模组带动相机8运动拍摄，根据直线导轨3的X,Y,Z方向移动带动相机8调整检测位置，选择合适的高度保证相机8测量的精度和视野范围。

通过运动控制器驱动伺服电机带动直线导轨及相机进行移动，磁栅尺检测相机的实际位移并进行实时反馈，调整相机的位置，准确的将相机移动到指定位置进行图像采集。提高设备在图像采集过程中的适用性，保证相机的测量范围和采集精度。同时在导轨运动过程中采用软件程序限位及安装在导轨两端的关电开关进行限位保护，提高了系统运动控制的安全性。

PC机14控制运动控制器发送命令至伺服驱动器13，伺服驱动器13为伺服电机，伺服电机转动带动滚珠丝杠副4实现相机8的直线移动。运动控制器发送脉冲至伺服驱动器13，伺服驱动器13驱动滚珠丝杠副4带动相机8开始移动，磁栅尺12检测相机8的实际位移并反馈给运动控制器，输出和反馈回的信号由运动控制器处理并协调控制多部电机进行运作，从而对相机8的实际位置进行调整。导轨运动过程中XYZ方向设有运动范围限值，磁栅尺12根据原点开关6的位置作为相机8运动的参考点，运动过程中检测出相机8超出导轨运动范围限值时，软件程序设置的限位触发，运动控制器控制电机停止转动。

在X,Y,Z导轨上均分别安装有正负限位开关7，正负限位开关7为光电开关传感器，通过设置光电开关传感器作为硬限位开关，当软限位失效后，相机8在移动过程中挡板触碰光电开关传感器，运动控制器控制电机停止转动，保证系统安全运行。图片采集完成后，通过运动控制器发送复位信号，磁栅尺12会自动回到原点开关6的位置并将测量位移值归零。

针对检测对象为大幅面的板材时，相机8可对板材进行移动拍摄，运动控制器可通过Z导轨上的磁栅尺12反馈实时接收相机8当前所在的位置，相机8可随着X导轨15正方向进行拍摄，直至电机带动相机8移动至X导轨15右极限位置时，X导轨15复位，通过Y导轨16上的电机驱动Y导轨16带动相机8移动至下一行，循环操作直至对整个板材的表面采集完成。最后通过图像拼接处理方法完成整体的表面缺陷图像。对于定焦相机采集也可通过调整Z导轨17的高度调整相机8的视场。

在深度图像采集方面，目前的3d结构光相机的成像效果受到距离的限制，超出相机的距离范围，则拍摄到的图像会模糊，成像质量差。即可以通过Z导轨17调整相机距成像平面的距离，从而获取高精度的板材表面的深度图像，得到其表面的缺陷纹理特征信息。

控制系统的结构框图如图3所示。运动控制器发送控制命令至伺服电机，驱动滚珠丝杠运动带动导轨进行直线移动。导轨上安装的磁栅尺12检测相机的运动位置，并将信息反馈回运动控制器进行位置比较，根据位置误差信号，PID调节器控制电机正转或反转，从而带动相机8移动并将其固定在期望的参考位置上，保证采集到完整的图片信息。

本发明的一个实例中，运动控制器采用固高控制卡，运动控制器发送10000个脉冲，伺服电机转动一圈，丝杠螺距为2mm，即导轨移动2mm。光电开关传感器型号为XX-EES674，响应频率1KHZ。磁栅尺12的分辨率为0.005mm，测量精度为0.01mm。

相机8固定在Z导轨17上的视场范围为：

FOV——工业相机8的视场范围；

WD——相机8距检测平面的距离；

V——工业相机8的靶面型号尺寸；

f——焦距；

根据所需的测量视场范围，调整相机8的位置即可满足不同规格板材的检测需求。

待测板材放置在检测平台上，线阵相机8通过连接板安装在Z导轨17上，电机驱动相机8在Y导轨16上移动，带动相机8保持均匀移动，利用线阵相机8对板材表面进行逐行连续扫描，达到对其表面均匀检测，完成扫描工作。根据线阵相机8的扫描速率选择相匹配的相机8移动速度，进行图像的采集。

横向的扫描精度为：

纵向的扫描精度为：横向分辨率和纵向分辨率相等：/>线阵相机8线扫描速率：/>Hc——线阵相机8的每线像素数Lo——目标物的宽幅

Vo——相机8运行速率

Vc——线阵相机8线扫描速率To——扫描一帧图像相机8运行的时间Tc——扫描一帧图像线阵相机8的扫描时间PH——横向精度

PL——纵向精度。

Claims (8)

1.一种用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统，其特征在于：包括XYZ直线导轨机构和图像采集装置；

所述XYZ直线导轨机构由X,Y,Z空间位置上相互垂直的三条直线导轨(3)组成，X导轨(15)通过机架(1)固定在基座平面上，Y导轨(16)通过滑块(2)安装在X导轨(15)上，Z导轨(17)通过滑块(2)安装在Y导轨(16)上，X,Y,Z各导轨与其平行分别设置有用于驱动X,Y,Z导轨上各滑块移动的滚珠丝杠副(4)，滚珠丝杠副(4)由设置在一侧的伺服驱动器(13)驱动，伺服驱动器(13)与设置在机架(1)一侧的运动控制器和PC机(14)连接，用于放置待测板材额的检测平台设置在机架下方；

所述图像采集装置包括安装在Z导轨(17)滑块(2)上的相机(8)和光源(9)，Z导轨(17)上还安装有原点开关(6)和磁栅尺(12)，通过原点开关(6)给定磁栅尺(12)和相机(8)的初始位置，通过磁栅尺(12)检测相机(8)的实际位移并反馈给运动控制器。

2.如权利要求1所述的用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统，其特征在于：在X,Y,Z导轨上均分别安装有正负限位开关(7)，正负限位开关(7)与运动控制器连接。

3.如权利要求2所述的用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统，其特征在于：所述正负限位开关(7)为光电开关传感器。

4.如权利要求3所述的用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统，其特征在于：所述，Z导轨(17)上还设置有刻度盘(11)，通过刻度盘(11)调整相机(8)的姿态。

5.如权利要求1-4任一项所述的用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统，其特征在于：所述的X,Y,Z导轨是与滑块(2)上下面加工出的双圆弧沟槽适配的一体型直线导轨机构。

6.如权利要求1-4任一项所述的用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统，其特征在于：所述Y导轨(16)通过XYZ导轨连接板(5)与X导轨(15)上的滑块(2)连接，Z导轨(17)通过XYZ导轨连接板(5)与Y导轨(16)上的滑块(2)连接，相机(8)和光源(9)通过光源连接板(10)与Z导轨(17)上的滑块(2)连接。

7.如权利要求1-4任一项所述的用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统，其特征在于：所述相机通过底座与光源连接板(10)连接，光源连接板(10)与Z轴导轨上的滑块通过螺纹连接。

8.如权利要求1-4任一项所述的用于板材表面缺陷图像采集的运动控制系统，其特征在于：所述相机(8)为面阵相机或者线阵相机。