激光打標(biāo)產(chǎn)品在線檢測(cè)分析系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　激光打標(biāo)產(chǎn)品在線檢測(cè)分析系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　[摘 要]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種激光打標(biāo)產(chǎn)品在線檢測(cè)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由圖像采集裝置、圖像處理分析軟件、傳送裝置、篩撿裝置四大部分組成。通過(guò)CCD工業(yè)相機(jī)采集激光打標(biāo)產(chǎn)品的精細(xì)圖像信息，接著將圖像傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)結(jié)合圖像處理分析軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析后得出產(chǎn)品的缺陷類型，缺陷信息會(huì)生成文字信息保存在指定文件中，然后通過(guò)無(wú)線傳輸模塊向傳送裝

2、置和篩撿裝置發(fā)出控制指令，傳送裝置將放置在傳送帶上的產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)至篩撿裝置處，篩撿裝置根據(jù)計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果和控制指令將產(chǎn)品分別放置于不同的收集箱內(nèi)，從而完成激光打標(biāo)產(chǎn)品在線檢測(cè)分析的全部過(guò)程。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]激光打標(biāo)產(chǎn)品；圖像處理分析；傳送裝置；篩撿裝置 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TG3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）26-0017-02 &

3、lt;/p><p><b>　　0引言 </b></p><p>　　激光打標(biāo)是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛的一項(xiàng)技術(shù)。主要用于在塑料，金屬等材質(zhì)的產(chǎn)品外殼或面板上打印一些基本說(shuō)明信息。例如在充電器，手機(jī)外殼，各種電器控制面板，玩具等產(chǎn)品的表面上利用激光打標(biāo)，刻上產(chǎn)品的型號(hào)，商標(biāo)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)日期等一系列基本信息。這些信息的打標(biāo)質(zhì)量不僅對(duì)以后的裝配使用有著重要的指導(dǎo)意義

4、，也方便后期產(chǎn)品零部件的維修和更換，更重要的是它代表著一個(gè)企業(yè)給客戶的最直接印象。所以激光打標(biāo)的質(zhì)量問(wèn)題也是企業(yè)重點(diǎn)監(jiān)督的方面之一。 </p><p>　　1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </p><p>　　激光打標(biāo)產(chǎn)品在線檢測(cè)分析系統(tǒng)主要由圖像采集裝置、圖像處理分析軟件、傳送裝置、篩撿裝置四大部分組成。并由上位機(jī)結(jié)合下位機(jī)對(duì)這四大組成部分進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，其中作為上位機(jī)的計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)接收來(lái)自圖像

5、采集裝置的圖像，并運(yùn)用圖像處理分析軟件對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)、灰度化、濾波、邊緣檢測(cè)定位等處理，將處理后的圖像數(shù)據(jù)與模板圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出產(chǎn)品的缺陷類型信息。計(jì)算機(jī)將處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的指令信息發(fā)送給下位機(jī)。由于傳送裝置以及篩撿裝置的控制較為簡(jiǎn)單，下位機(jī)采用較為廉價(jià)STC89C52單片機(jī)即可滿足功能需求。下位機(jī)不僅控制著圖像采集裝置進(jìn)行圖像采集，也控制著傳送裝置將檢測(cè)分析后的產(chǎn)品運(yùn)送到篩撿裝置，篩撿裝置則將產(chǎn)品根據(jù)缺陷的類型分別放置于不同的

6、收集箱內(nèi)，便于工人進(jìn)行后期處理。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 </p><p><b>　　2系統(tǒng)的組成部分 </b></p><p><b>　　2.1圖像采集 </b></p><p>　　圖像采集是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，采集得到的圖像質(zhì)量直接影響著圖像處理的精度和結(jié)果。為了能夠得到精細(xì)的圖像信息，采用CCD工業(yè)相機(jī)作為圖像

7、采集器。考慮到一天之內(nèi)室內(nèi)光線變化對(duì)圖像采集質(zhì)量的影響，圖像采集過(guò)程需要在密閉的環(huán)境下進(jìn)行，并由LED點(diǎn)陣照明模塊為相機(jī)提供穩(wěn)定光源。不同材料的產(chǎn)品對(duì)光線的反射能力不同，需要對(duì)光源的光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，為此使用無(wú)級(jí)調(diào)壓模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)各種各樣的激光打標(biāo)產(chǎn)品。圖2所示為圖像采集裝置的外觀模型。 </p><p>　　放置于傳送帶上的激光打標(biāo)產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)密閉箱時(shí)，觸發(fā)紅外接近傳感器產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)

8、，單片機(jī)根據(jù)紅外接近傳感器產(chǎn)生的低電平信號(hào)確定產(chǎn)品到來(lái)，并對(duì)其進(jìn)行唯一性編碼，便于后期處理；另外通過(guò)控制繼電器使傳送機(jī)停轉(zhuǎn)0.5秒，便于CCD相機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定拍照，CCD相機(jī)拍照后將圖像通過(guò)千兆以太網(wǎng)線傳送給計(jì)算機(jī)。 </p><p>　　2.2圖像處理分析 </p><p>　　計(jì)算機(jī)接收到采集的精細(xì)圖像后，將其存放于指定位置，通過(guò)圖像處理分析軟件對(duì)圖像進(jìn)行一系列的變化處理，并做出相應(yīng)分析，

9、判定產(chǎn)品的質(zhì)量，從而得出結(jié)果。使用VisualStudio開(kāi)發(fā)出了一款與此系統(tǒng)配套使用的軟件，方便了系統(tǒng)的使用。圖3是為激光打標(biāo)產(chǎn)品在線檢測(cè)分析系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件的界面。 </p><p>　　獲取原始圖像后，采用對(duì)比度增強(qiáng)和圖像銳化的方式使圖像增強(qiáng)，起到提高圖像觀察質(zhì)量的效果。對(duì)比度增強(qiáng)也就是增強(qiáng)圖像中不同部分的差別，可以通過(guò)增強(qiáng)原始圖像里兩個(gè)灰度值的范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)。該軟件選用的是較為經(jīng)典的對(duì)比度增強(qiáng)方法。如圖4變換曲

10、線圖。 </p><p>　　通過(guò)變換可以使圖像中的灰度值在0～1s和2s～L-1區(qū)間的動(dòng)態(tài)范圍減小，在1s～2s區(qū)間的動(dòng)態(tài)范圍有效增強(qiáng)，這樣便實(shí)現(xiàn)了原始圖像對(duì)比度的增強(qiáng)。為了使圖像的邊緣輪廓及細(xì)節(jié)更為清晰，，提高識(shí)別的準(zhǔn)確度和效率，還需對(duì)圖像進(jìn)行銳化處理。受到平滑的圖像變得邊緣模糊是因?yàn)槭艿搅朔e分或者平均運(yùn)算，采取其相反的方法也就可以使圖像得到銳化，如進(jìn)行微分運(yùn)算。另外，還可以通過(guò)使用高通濾波器將圖像進(jìn)一步銳化

11、，使其更為清晰。 </p><p>　　相機(jī)采集到的彩色圖像采用的是RGB顏色模式，處理圖像時(shí)要分別對(duì)RGB三種分量進(jìn)行處理比較麻煩，并且RGB顏色模式不能可靠的反應(yīng)出圖像的形態(tài)特征，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理可簡(jiǎn)化后期處理難度，也能更為有效的反應(yīng)出圖像的形態(tài)特征。 </p><p>　　常用的圖像灰度計(jì)算公式： </p><p>　　gray=red*0.299+g

12、reen*0.587+blue*0.114（1） </p><p>　　邊緣檢測(cè)是借助微分算子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如使用Sobel邊緣算子可以強(qiáng)化一個(gè)方向上的邊緣特征。對(duì)圖像中的所有點(diǎn)Sobel算子的兩個(gè)卷積核做卷積，將得到的最大值作為輸出位，得到一個(gè)邊緣圖像。為了定位標(biāo)識(shí)碼，還需先對(duì)圖像進(jìn)行灰度二值化，然后采用投影法得到標(biāo)識(shí)碼的位置坐標(biāo)，并判斷標(biāo)識(shí)碼的位置正確與否。 </p><p>　　通過(guò)前

13、期對(duì)圖像的處理，就能得到適合圖像識(shí)別的灰度圖像了。通過(guò)對(duì)處理后圖像的灰度二值化數(shù)據(jù)與模板圖像的灰度二值化數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。為了能夠得出產(chǎn)品的缺陷類型信息，需要對(duì)灰度圖像的像素點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)對(duì)比，并記錄出不相同像素的坐標(biāo)位置信息，整個(gè)圖像對(duì)比完成后，可以計(jì)算出兩個(gè)圖像的相似度，另外通過(guò)對(duì)不相同像素點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算，可以得出產(chǎn)品的缺陷類型，如圖案模糊、變形，字體缺畫(huà)、偏移、扭曲。根據(jù)不同的缺陷類型，輸出不同的字符，計(jì)算機(jī)通過(guò)與單片機(jī)的串口通信將這些字符

14、發(fā)送給單片機(jī)，并由單片機(jī)控制篩選裝置對(duì)這些不同類型的缺陷產(chǎn)品進(jìn)行分類。圖5是圖像處理分析流程圖。 　　2.3傳送裝置 </p><p>　　傳送裝置主要負(fù)責(zé)對(duì)激光打標(biāo)產(chǎn)品的傳送，采用直流減速電機(jī)提供動(dòng)力。直流減速電機(jī)具有易于控制，輸出扭矩大，價(jià)格較低的優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于激光打標(biāo)產(chǎn)品的生產(chǎn)。傳送裝置主要由直流開(kāi)光電源、STC89C52單片機(jī)、直流減速電機(jī)、紅外接近傳感器、測(cè)速模塊、PWM調(diào)速模塊、機(jī)械裝置組成。直流

15、開(kāi)關(guān)電源將220V的交流電轉(zhuǎn)化為5V及24V的直流電，分別供單片機(jī)和直流減速電機(jī)使用；傳送裝置根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的速度命令要求，通過(guò)單片機(jī)控制PWM調(diào)速模塊實(shí)現(xiàn)傳送帶的起停及傳送速度的調(diào)節(jié)；測(cè)速模塊實(shí)時(shí)測(cè)量傳送速度，反饋給單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)速度的精確控制；紅外接近傳感器用于檢測(cè)傳送帶上的產(chǎn)品位置是否到達(dá)相機(jī)下方位置或者篩撿裝置處，以便控制相機(jī)采集圖像；機(jī)械裝置由動(dòng)力傳送齒輪、傳送帶、軸承和框架構(gòu)成，用于承載產(chǎn)品，電機(jī)以及各個(gè)控制模塊。傳送裝置聯(lián)

16、系著整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分，對(duì)傳送速度的要求較高，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)、測(cè)速模塊、PWM調(diào)速模塊的結(jié)合使用能夠滿足整個(gè)系統(tǒng)對(duì)速度控制精度都需求，使系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)正確的運(yùn)行。 </p><p><b>　　2.4篩撿裝置 </b></p><p>　　篩撿裝置是該系統(tǒng)的最終執(zhí)行部分，主要是由控制模塊、位置檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，圖6為篩撿裝置的方框圖。 &l

17、t;/p><p>　　位置檢測(cè)模塊是由接近開(kāi)關(guān)和信號(hào)放大電路組成，用于進(jìn)一步定位產(chǎn)品的位置，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確的抓??；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括舵機(jī)、擋板、收集箱和立柱等部件；驅(qū)動(dòng)模塊是驅(qū)動(dòng)舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置；控制模塊由控制程序和定位系統(tǒng)組成，能夠控制支配著舵機(jī)按一定的方向和角度運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予篩撿裝置的指令信息，根據(jù)要求對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，還可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤或故障時(shí)能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

18、</p><p>　　2.5系統(tǒng)的使用方法 </p><p>　　激光打標(biāo)產(chǎn)品在線檢測(cè)分析系統(tǒng)的使用十分簡(jiǎn)單，對(duì)使用者的專業(yè)知識(shí)要求很低。首先將制作好的模板圖像信息事先存放于電腦的指定文件夾中，打開(kāi)各個(gè)組成部分的電源，打開(kāi)計(jì)算機(jī)中的軟件，根據(jù)產(chǎn)品檢測(cè)的要求設(shè)定好相應(yīng)的參數(shù)后，系統(tǒng)便可以開(kāi)始工作了。系統(tǒng)將不同類型的缺陷產(chǎn)品放置于不同的收集箱內(nèi)，使用者可根據(jù)缺陷類型判定缺陷產(chǎn)生的原因，進(jìn)而方便

19、對(duì)上一生產(chǎn)線的激光打標(biāo)機(jī)器及時(shí)調(diào)整和維修，從而大大降低企業(yè)的廢品率，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。 </p><p><b>　　3結(jié)論 </b></p><p>　　激光打標(biāo)產(chǎn)品在線檢測(cè)分析系統(tǒng)通過(guò)相機(jī)采集圖像，并由配套開(kāi)發(fā)的圖像處理分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品分析，得出產(chǎn)品的精確質(zhì)量信息，再通過(guò)計(jì)算機(jī)控制其余各部分部分的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了激光打標(biāo)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)可靠檢測(cè)，并能對(duì)不

20、同缺陷類型的產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)分類，有效的解決了現(xiàn)在企業(yè)生產(chǎn)中人工檢測(cè)精度低，效率低，檢測(cè)難度大，檢測(cè)成本高的問(wèn)題。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 鄭義，陳興海，趙曰峰.在線激光打標(biāo)系統(tǒng)綜述[J].中國(guó)電子商情.2003.05. </p><p><b>　　作者簡(jiǎn)介 </b>&l