CN118275455A - 一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及视觉技术应用技术领域，尤其为一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，包括光纤绕线机和硬件系统，所述硬件系统在架构上共分为三个模块，包括图像采集模块、光路传输模块、光源模块和结构调整件。本发明提出的光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，具有提高了光纤绕线机系统的智能性和绕制过程的可靠性，节约了人工监视成本的优点，实现光纤绕线机自动化绕制，智能化检测，正常绕制不需要人工干涉，并提高了机器的生产效率，解决了目前人工观察图像进行判断缺陷，一旦发生缝隙、叠加、断线等情况，需要人工回退，重新绕制，且每台设备必须安排专人实时观察判断，以便随时进行干涉处理异常，费时费力的问题。

Description

一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统

技术领域

本发明涉及视觉技术应用技术领域，具体为一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统。

背景技术

光纤绕制过程中，光纤精准排布控制是关键控制工序，实现难度非常大，往往在绕制过程中会随机出现缝隙叠加等缺陷，这种缺陷是工艺所不允许的，一旦出现，往往需要操作者用工具进行人工辅助。通过机器视觉识别在缠绕过程中会出现的缺陷类型和位置，对光纤缠绕质量监测有着重要意义。

目前行业内光纤绕线大都采用摄像机放大图像辅助，人工观察图像进行判断缺陷，一旦发生缝隙、叠加、断线等情况，需要人工回退，重新绕制，且每台设备必须安排专人实时观察判断，以便随时进行干涉处理异常，费时费力。

因此，我们提出一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，实现光纤绕线机自动化绕制，智能化检测，正常绕制不需要人工干涉，出现问题报警，技术人员再进行处理，极大提高了光纤绕制效率，人工也大幅减少，且安装空间较传统直线式安装可以缩小一半，大大减少了设备尺寸及重量，降低投入成本，可以快速精准识别缠绕缺陷种类和定位缺陷位置，辅助光纤绕线机系统进行排纤的自动控制，实现光纤环自动排纤，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，提高了光纤绕线机系统的智能性和绕制过程的可靠性，节约了人工监视成本，并提高了机器的生产效率，解决了目前人工观察图像进行判断缺陷，一旦发生缝隙、叠加、断线等情况，需要人工回退，重新绕制，且每台设备必须安排专人实时观察判断，以便随时进行干涉处理异常，费时费力的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，包括光纤绕线机和硬件系统，所述硬件系统在架构上共分为三个模块，包括图像采集模块、光路传输模块、光源模块和结构调整件；

所述光纤绕线机设置有光纤环，用于缠绕的光纤直径范围80～120μm，光纤绕线机的张力控制精度±1g；

所述图像采集模块，采用的是A75P0MU75型号500万像素75帧USB3.0接口面阵相机，用于实时采集图像，生成可见光检测图像；

所述光路传输模块包括定制镜头和定制棱镜，所述定制棱镜安装于定制镜头的一端，且定制棱镜与水平面的夹角的45°，通过定制棱镜45°镜面反射，将光路进行90°的反射；

所述光源模块采用定制频闪式平行远心光源，并在光源前端设置平行透镜；

所述结构调整件包括相机横向调节旋钮、相机纵向调节旋钮、光源横向调节槽、光源横向调节旋钮和光源纵向调节旋钮。

优选的，所述光纤绕线机的最大绕线速度为60RPM，套设的光纤环有限直径为90mm。

优选的，所述图像采集模块的相机分辨率≤3.45μm、清晰度≥2448×2048、镜头倍率≥2.0x，可计算检测精度为1.725μm。

优选的，所述图像采集模块设置图像ROI处理功能，在未进行图像ROI时其帧率可达75FPS，当图像ROI至2448×424时，帧率提升4.8倍，此时帧率为75×4.8＝360FPS。

优选的，所述光源模块的光源亮度可调节，调节方法为增大LED灯珠的功率、增大光源控制器的功率或光源瞬时频闪增亮。

优选的，所述图像采集模块、光路传输模块和光源模块采用一体化结构设计，使得“光源-光纤-相机”保持三点一线。

一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：频闪式平行远心光源发出光线，其光线的平行度极高，优于常用的同轴光源等，在光源前端设置平行透镜，使得光源在投射到物体表面后，会更大程度的保持原来的光路路线，使得被测物体在图像中边缘更加锐利、轮廓更加清晰；

步骤二：由于待测物体为光纤，具有一定的透明度，当使用平行远心光源时，在镜头端加装定制棱镜，通过45°镜面反射，将光路进行90°的反射，因此安装空间减少为原来的50％，定制频闪式平行光源和透镜保障成像质量；

步骤三：“光源-光纤-相机”需保持三点一线，保证光纤在图像中心，光源将图像中光纤照亮，光纤黑色，背景白色，软件算法可以准确对绕线过程进行检测，因为放大倍数较高，安装稍有偏差，就会使图像偏移目标位置，甚至模糊失焦，使用微调旋钮进行微调，光源、相机可以分别在横向和纵向进行微调，以确保光纤在相机图像中间；

步骤四：在图像处理时，考虑图像边缘像素波动带来的误差，普通的漫射型光源像素波动一般在3～4px，使用平行远心光源时，像素波动可缩减至1～2px，此时理论像素精度可达1pixel，即1.7μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明提出的光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，具有提高了光纤绕线机系统的智能性和绕制过程的可靠性，节约了人工监视成本的优点，实现光纤绕线机自动化绕制，智能化检测，正常绕制不需要人工干涉，并提高了机器的生产效率，解决了目前人工观察图像进行判断缺陷，一旦发生缝隙、叠加、断线等情况，需要人工回退，重新绕制，且每台设备必须安排专人实时观察判断，以便随时进行干涉处理异常，费时费力的问题。

2、本发明通过ROI方式提高绕线速度，定制化镜头、棱镜和光源，使图像边缘更清晰，并使得其下半部分超出光纤绕线切线a的尺寸尽可能减小，并在光源处也设置类似的棱镜，最大程度上保证硬件与光纤绕制过程不会产生干涉，该安装方式可有效缩短水平方向的安装空间，且硬件下表面在加工工艺中尽可能保持光滑，即便发生剐蹭情况也不会对光纤本体进行损伤。

3、本发明通过设置定制镜头，可以更加有效消除杂散光对图像影响，对常用远心镜头进行了改良，采用双远心结构，当像方存在不同高度差时，使用双远心镜头可有效消除像方像差。

4、本发明为高精度的尺寸测量，对图像质量有着极高的要求，因此采用平行远心光源，依照远心镜头的设计原理，其光线的平行度极高，更优于常用的同轴光源等，此类光源在投射到物体表面后，会更大程度的保持原来的光路路线，这会使得被测物体在图像中边缘更加锐利、轮廓更加清晰。

附图说明

图1为本发明直线式安装示意图；

图2为本发明转置式安装示意图；

图3为本发明定制双远心镜头设计图；

图4为本发明漫射型光源和平行远心光源光路对比图；

图5为本发明采集图像效果图；

图6为本发明调节机构三视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-6，一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，包括光纤绕线机和硬件系统，所述硬件系统在架构上共分为三个模块，包括图像采集模块、光路传输模块、光源模块和结构调整件；

所述光纤绕线机设置有光纤环，用于缠绕的光纤直径范围80～120μm，光纤绕线机的张力控制精度±1g；

所述图像采集模块，采用的是A75P0MU75型号500万像素75帧USB3.0接口面阵相机，用于实时采集图像，生成可见光检测图像；

所述光路传输模块包括定制镜头和定制棱镜，所述定制棱镜安装于定制镜头的一端，且定制棱镜与水平面的夹角的45°，通过定制棱镜45°镜面反射，将光路进行90°的反射；

所述光源模块采用定制频闪式平行远心光源，并在光源前端设置平行透镜；

所述结构调整件包括相机横向调节旋钮、相机纵向调节旋钮、光源横向调节槽、光源横向调节旋钮和光源纵向调节旋钮。

本实施例中，光纤绕线机的最大绕线速度为60RPM，套设的光纤环有限直径为90mm。

本实施例中，图像采集模块的相机分辨率≤3.45μm、清晰度≥2448×2048、镜头倍率≥2.0x，可计算检测精度为1.725μm。

本实施例中，图像采集模块设置图像ROI处理功能，在未进行图像ROI时其帧率可达75FPS，当图像ROI至2448×424时，帧率提升4.8倍，此时帧率为75×4.8＝360FPS。

本实施例中，光源模块的光源亮度可调节，调节方法为增大LED灯珠的功率、增大光源控制器的功率或光源瞬时频闪增亮。

本实施例中，图像采集模块、光路传输模块和光源模块采用一体化结构设计，使得“光源-光纤-相机”保持三点一线。

一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：频闪式平行远心光源发出光线，其光线的平行度极高，优于常用的同轴光源等，在光源前端设置平行透镜，使得光源在投射到物体表面后，会更大程度的保持原来的光路路线，使得被测物体在图像中边缘更加锐利、轮廓更加清晰；

步骤二：由于待测物体为光纤，具有一定的透明度，当使用平行远心光源时，在镜头端加装定制棱镜，通过45°镜面反射，将光路进行90°的反射，因此安装空间减少为原来的50％，定制频闪式平行光源和透镜保障成像质量；

步骤三：“光源-光纤-相机”需保持三点一线，保证光纤在图像中心，光源将图像中光纤照亮，光纤黑色，背景白色，软件算法可以准确对绕线过程进行检测，因为放大倍数较高，安装稍有偏差，就会使图像偏移目标位置，甚至模糊失焦，使用微调旋钮进行微调，光源、相机可以分别在横向和纵向进行微调，以确保光纤在相机图像中间；

步骤四：在图像处理时，考虑图像边缘像素波动带来的误差，普通的漫射型光源像素波动一般在3～4px，使用平行远心光源时，像素波动可缩减至1～2px，此时理论像素精度可达1pixel，即1.7μm。

本实施例中，定制镜头的具体参数如下：

1.支持CCD尺寸(φmm)：11(2/3")；

2.放大倍率β(x)：2.0；

3.物方工作距WD(mm)：110±2；

4.像方F/#：12.2；

5.物方景深DOF(mm)：0.2；

6.像方畸变(％max)：＜0.1；

7.物方远心度(°max)：＜0.1；

8.镜头总长(mm)：133.5；

9.镜头接口：C-Mount；

10.物方分辨率(μm)：4.1；

11.数值孔径NA：0.0815。

本实施例中，光源选型通常从光源的类别(功能)、光照强度、安装尺寸及图像质量等几个方面来考量，基于高精度的尺寸测量，对图像质量有着极高的要求，分析说明如下：

1)光源投射到物体表面后，大都会成散射状分散开来，称其为漫射现象，工业中常用的平行度较高的光源主要为同轴光源、平行光源等，其光线的平行度要优于漫射型光源，而本发明中采用平行远心镜头，安装距离较远，需要有一种平行远心光源，依照远心镜头的设计原理，其光线的平行度极高，更优于常用的同轴光源等，此类光源在投射到物体表面后，会更大程度的保持原来的光路路线，为保证更优的平行度，在光源前端加入了透镜，这会使得被测物体在图像中边缘更加锐利、轮廓更加清晰。

2)此发明待测物体为光纤，具有一定的透明度，当使用漫射型光源及平行远心光源时的光路图，可参考图4所示。

3)在图像处理时，必须要考虑图像边缘像素波动带来的误差，普通的漫射型光源像素波动一般在3～4px，当使用平行远心光源时，像素波动可缩减至1～2px，此时理论像素精度可达1pixel，即1.7μm。

4)由于本项目的产线速率较高，相机的曝光时间极短，因此对光源的亮度也有着较高的要求，通常可通过以下三种方法：

①增大LED灯珠的功率；

②增大光源控制器的功率；

③光源瞬时频闪增亮。

其中光源频闪的大致原理为——每秒钟发光数千次，每次光源爆闪，由于并非持续性爆闪，故光源使用寿命不会受到影响，由于本发明使用的是平行远心光源，并非贴片式LED灯珠，因此拟采用频闪的形式提升光源整体亮度，为保证光的平行度，在光源前端增加平行透镜，以保证光更优的平行度。

除了对视觉硬件要求定制外，对结构组装调试部分要求也比较高，如附图1所示，“光源-光纤-相机”需保持三点一线，保证光纤在图像中心，光源可以将图像中光纤照亮，如附图5所示，光纤黑色，背景白色，软件算法可以准确对绕线过程进行检测。

本实施例中，将镜头端的镜头、棱镜进行定制化，使得其下半部分超出光纤绕线切线a的尺寸尽可能减小，并在光源处也设置类似的棱镜，最大程度上保证硬件与光纤绕制过程不会产生干涉，该安装方式可有效缩短水平方向的安装空间，且硬件下表面在加工工艺中尽可能保持光滑，即便发生剐蹭情况也不会对光纤本体进行损伤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，包括光纤绕线机和硬件系统，其特征在于：所述硬件系统在架构上共分为三个模块，包括图像采集模块、光路传输模块、光源模块和结构调整件；

所述光纤绕线机设置有光纤环，用于缠绕的光纤直径范围80～120μm，光纤绕线机的张力控制精度±1g；

所述图像采集模块，采用的是A75P0MU75型号500万像素75帧USB3.0接口面阵相机，用于实时采集图像，生成可见光检测图像；

所述光路传输模块包括定制镜头和定制棱镜，所述定制棱镜安装于定制镜头的一端，且定制棱镜与水平面的夹角的45°，通过定制棱镜45°镜面反射，将光路进行90°的反射；

所述光源模块采用定制频闪式平行远心光源，并在光源前端设置平行透镜；

所述结构调整件包括相机横向调节旋钮、相机纵向调节旋钮、光源横向调节槽、光源横向调节旋钮和光源纵向调节旋钮。

2.根据权利要求1所述的一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，其特征在于：所述光纤绕线机的最大绕线速度为60RPM，套设的光纤环有限直径为90mm。

3.根据权利要求1所述的一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，其特征在于：所述图像采集模块的相机分辨率≤3.45μm、清晰度≥2448×2048、镜头倍率≥2.0x，可计算检测精度为1.725μm。

4.根据权利要求1所述的一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，其特征在于：所述图像采集模块设置图像ROI处理功能，在未进行图像ROI时其帧率可达75FPS，当图像ROI至2448×424时，帧率提升4.8倍，此时帧率为75×4.8＝360FPS。

5.根据权利要求1所述的一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，其特征在于：所述光源模块的光源亮度可调节，调节方法为增大LED灯珠的功率、增大光源控制器的功率或光源瞬时频闪增亮。

6.根据权利要求1所述的一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统，其特征在于：所述图像采集模块、光路传输模块和光源模块采用一体化结构设计，使得“光源-光纤-相机”保持三点一线。

7.一种应用于光纤绕线机缠绕缺陷检测硬件系统的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：频闪式平行远心光源发出光线，其光线的平行度极高，优于常用的同轴光源等，在光源前端设置平行透镜，使得光源在投射到物体表面后，会更大程度的保持原来的光路路线，使得被测物体在图像中边缘更加锐利、轮廓更加清晰；

步骤二：由于待测物体为光纤，具有一定的透明度，当使用平行远心光源时，在镜头端加装定制棱镜，通过45°镜面反射，将光路进行90°的反射，因此安装空间减少为原来的50％，定制频闪式平行光源和透镜保障成像质量；

步骤三：“光源-光纤-相机”需保持三点一线，保证光纤在图像中心，光源将图像中光纤照亮，光纤黑色，背景白色，软件算法可以准确对绕线过程进行检测，因为放大倍数较高，安装稍有偏差，就会使图像偏移目标位置，甚至模糊失焦，使用微调旋钮进行微调，光源、相机可以分别在横向和纵向进行微调，以确保光纤在相机图像中间；

步骤四：在图像处理时，考虑图像边缘像素波动带来的误差，普通的漫射型光源像素波动一般在3～4px，使用平行远心光源时，像素波动可缩减至1～2px，此时理论像素精度可达1pixel，即1.7μm。