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瓷砖几何尺寸在线检测系统的研究 s t u d yo n t h eo n l i n em e a s u r i n gs y s t e mo f c e r a m i ct i l eg e o m e t r i cs i z e 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：晁中元 指导教师：王宝光教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年六月 摘要 瓷砖几何尺寸在线检测系统是以视觉测量为基础，集应用光学技术、电子技 术、计算机技术、在线精密测量技术于一体的瓷砖几何尺寸检测设备。 本设备用于瓷砖尺寸( 边长、边直度、对角线) 的在线检测，解决了陶瓷企 业大批量生产时由于人工检测速度慢，只能抽检的状况，工人劳动强度大，易疲 劳，使精度无法保证。通过实时在线测量，报告砖体尺寸的变化，以利于及时调 整生产设备的工艺参数、提高产品质量；同时可根据已设定的分级尺寸范围，对 产品进行分级处理，保证出厂产品的质量要求。 本设备基于机器视觉原理，利用线阵c c d 摄像机扫描成像区域的瓷砖，并 通过适当的算法处理得到瓷砖的各项尺寸参数，判别产品是否符合质量要求；若 发现不合格品，则报警器告警，将其剔除出生产线，并将缺陷记入数据库以便进 行统计分析。整个过程不受人为因素影响，具有很高的稳定性和重复性。 本课题为天津大学精密仪器与光电子工程学院和广东省华南精密制造技术 研究开发院联合开发的产学研课题。本文结合学科发展趋势和实际应用的需求， 对线阵c c d 大幅面扫描技术及动态数据处理技术进行了研究，设计了基于视觉 检测技术的瓷砖几何尺寸在线检测系统。论文的研究内容主要包括： 1 、设计了以线阵c c d 为核心的在线视觉检测系统，确定了该系统中扫描 成像与机械传动同步的控制结构。己完成样机并交付生产线试用。 2 、研究了大幅面线阵c c d 扫描技术、图像处理技术、设计了适用于本系 统的线状l e d 光源。 3 、研究了超大数据量图像采集所需要的快速图像处理算法。其中包括解决 了高精度测量原理与低精度机械传送机构之间的矛盾问题所带来的测 量误差及瓷砖各边薄厚差异自动补偿问题。 4 、针对瓷砖生产线实际状况及国家检测标准，提出了有效的系统标定方 法。 5 、根据瓷砖企业实际检测要求，完成了系统测量与控制软件的编制。 6 、对系统进行了大量的重复性精度、示值精度及测量稳定性试验，并对瓷 砖在线检测系统的误差来源进行了全面分析。 关键词：瓷砖尺寸检测系统线阵c c d 在线检测视觉系统标定调焦评价 a bs t r a c t t h eo n l i n em e a s u r i n gs y s t e mo fc e r a m i ct i l es i z ei so nt h eb a s i so fv i s u a l m e a s u r i n g i ti sa ne q u i p m e n to fd e t e c t i n gt h eg e o m e t r i cs i z eo ft i l ew h i c hi n t e g r a t e s a p p l i c a t i o no p t i c st e c h n o l o g y ，e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y , a c c u r a t e m e a s u r i n gt e c h n i q u e t h ee q u i p m e n ti su s e dt om e a s u r et h ec e r a m i ct i l es i z eo n l i n e ，i n c l u d i n g d e t e c t i n gt h ev a l u eo fs i d el e n g t h ，s t r a i g h t n e s so ff r i n g e s ，d i a g o n a la n dd i a g o n a l d i f f e r e n c e ( d v a l u e ) i tc a ns o l v et h ep r o b l e m st oag r e a te x t e n dw h i c ho c c u rd u r i n g t h em a s sp r o d u c t i o no ft i l e ，s u c ha st h el o w - s p e e do fm a n u a ld e t e c t i o n ，s i z a b l ee r r o r s ， d i f f e r e n tp r e c i s i o nl e v e l ，l a r g el a b o u rq u a n t i t ye t c m a k i n gu s eo ft h er e a l - t i m eo n l i n e m e a s u r i n gt or e p o r tc h a n g i n go ft h et i l es i z e i no r d e rt oa d j u s tt h em a n u f a c t u r i n g f a c i l i t y sp a r a m e t e r sa n di n c r e a s et h ep r o d u c tq u a l i t y a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n g t o t h eg r a d e ds i z er a n g es e t ，t h ee q u i p m e n tc a nc l a s s i f yt h ep r o d u c t sa n dg u a r a n t e et h a t t h es i z eo fp r o d u c t sw i l lm e e tt ot h er e q u i r e m e n t sc o m p l e t e l y t h ee q u i p m e n ti sb a s e du p o nm a c h i n e r yv i s u a lp r i n c i p l e i tu t i l i z e sd o u b l el i n e a r c c dc a m e r a st os c a nt h et i l e si m a g ew h i c hi sp a s s i n gt h r o u g ht h ec a m e r a s p h o t o g r a p h i n ga r e a ，t h e nc a l c u l a t e s a l lt h et i l e ss i z ep a r a m e t e r sb ya p p r o p r i a t e a r i t h m e t i ci no r d e rt od i f f e r e n t i a t ei ft h ep r o d u c t sc o r r e s p o n di na l lr e s p e c t sw i t h q u a l i t y o n c ei td e t e c t sd e f e c t i v ep r o d u c t s ，t h ea l a r ms y s t e mw i l lg i v ea na l a r m a s f o ll o w i n g ，t h em e a s u r i n gs y s t e mw i l lr e j e c tt h ei m p e r f e c t i o n sf r o mp r o d u c t i o nl i n e a n dk e e par e c o r do ft h ed e f e c t i o ni nc o m p u t e ra st os t a ta n da n a l y z e t h ew h o l e p r o c e s si sn o ta f f e c t e db ya r t i f i c i a lf a c t o r s ，h a v i n gh i g hs t a b i l i t ya n dr e p e a t a b i l i t y t h i ss u b j e c ti sd e v e l o p e db yc o l l e g eo fp r e c i s i o ni n s t r u m e n tt i a n j i nu n i v e r s i t y a n ds o u t hc h i n ai n s t i t u t eo fp r e c i s i o nm a n u f a c t u r e t h i sp a p e rc o n t a c td i s c i p l i n e s t r e n d sa n dt h en e e d so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，s t u d i e st h el i n e a rc c dl a r g e a r e a s c a n n i n gt e c h n o l o g y , t h e o n l i n em e a s u r i n gs y s t e mo fc e r a m i ct i l es i z eb a s e do n c o m p u t e rv i s i o ni sd e s i g n e d t h ep a p e rm a i nc o n t a i ni n c l u d e s ： 1 t h eo n l i n ev i s u a lm e a s u r i n gs y s t e mw i t ht h el i n e a rc c d a tt h e c o r e i s d e s i g n e d a st h es a m et i m e ，i td e f i n e st h es c a na n dt h ec o n t r o ls t r u c t u r eo f m a c h i n e r yt r a n s m i s s i o ns y n c h r o n i z a t i o n t h ep r o t o t y p eh a sc o m p l e t e da n d t h a th a sd e l i v e r e dt ot h ec o m p a n yf o rt r i a l 2 i ts t u d i e sa b o u tt h el i n e a rc c ds c a n n i n gt e c h n o l o g yo fl a r g ed i m e n s i o na n d i m a g ec o i l e c t i n gt e c h n o l o g y ，a l s od e s i g n s t h el i n e ：a rl e dl i g h ts o u r c ew h i c hi s a p p l yt ot h es y s t e m 3 i ts t u d i e st h ei m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mw h i c h i sn e e d e dt oc o i l e c tt h e d v n a m i ci m a g ew i t hh u g ed a t as i z e ，i n c l u d i n gs o l v i n gt h e c o n t r a d l c t l o n p r o b l e mb e t w e e nt h eh i 曲p r e c i s i o nm e a s u r i n gp r i n c i p l e a n d1 0 wp r e 0 n m e c h a n i s mt r a n s m i s s i o ne q u i p m e n ta n d m e a s u r e m e n te r r o r sw h i c hb n n g o u t b yt h et h i c k n e s sd i f f e r e n c e so f t i l e ss i d e s 4 i ti n t r o d u c e sa ne f f e c t i v es y s t e md e m a r c a t i n gm e t h o da i m e d a tt h ea c t u a l p r o d u c t i o nc i r c u m s t a n c ea n dn a t i o n a ls t a n d a r d s 5 a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lm e a s u r i n gr e q u i r e m e n t o ft h et i l ep r o d u c t l 伽c o m p a n y , i tc o m p i e t e dt h ec o m p i l i n gw o r k s o ft h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs o t t 啪陀 6 i tc o n d u c t e dal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t so nr e p e a t a b l ep r e c l s l o n ，v a i u e d r e c i s i o na n dm e a s u r i n g s t a b i l i t y i t a l s oa n a l y s i s t h ee r r o r s s o u r c e c o m p r e h e n s i v e l yo f t h e t i l eo n l i n em e a s u r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：t i l es i z em e a s u r i n gs y s t e m ，l i n e a ra r r a yc c d ，o n l i n e m e a s u r i n g ， v i s u a ls y s t e md e m a r c a t i o n ，a u t o 。f o c u s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：魁中云签字日期：沙年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞奎盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：晁n 元，j导师签名： 彩勿 签字日期： 2 口g 年莎月s 日 签字日期：彤年多月3 - 日 第一章绪论 第一章绪论弟一早硒比 1 1 瓷砖在线检测背景和意义 瓷砖，作为室内装饰装修不可或缺的建筑材料，已经得到了极为广泛的使用。 而中国作为陶瓷古国，在瓷砖工业中也在追赶与工业发达国家的差距，短短几十 年里，瓷砖的产量大大提高，目前我国的2 0 0 0 多家瓷砖生产厂家，每年以2 3 6 亿 平方米的数量生产，排名世界第一，一跃成为了瓷砖生产的大国【l 】。其中产地主 要集中在广东佛山和山东，仅佛山一地，就拥有瓷砖生产企业超过3 0 0 家、瓷砖 生产线上千条、年生产能力近1 5 亿平方米，工业生产总值超过4 0 0 亿人民币。近 几年，中国建陶行业在生产工艺技术，机械装备方面也有了根本性的变革和发展 睇j 。瓷砖的花色品种、技术装备、产品质量等方面都有了明显的提高，大大缩小 了我国与国外先进水平的差距，越来越多的瓷砖生产企业开始走出国门，面向更 广阔的海外市场。 然而，就行业总体水平而言，仍存在档次偏低，技术水平不高等问题。虽然 国产瓷砖的出口量逐年增大，但主要占据世界低端市场，7 5 的产品属于“一次 烧成”的低端产品，同时还面临来自俄罗斯、波兰等国家的瓷砖产品的强大竞争。 意大利和西班牙的企业继续占据高端市场，与意大利等瓷砖强国相比，中国建陶 行业仍有很长的路要走。 随着我国加入w t o ，面对燃油价格不断上涨和陶瓷原料相对紧缺的国际局 势，国内的瓷砖生产企业在激烈的市场竞争中更要审时度势，正视并迎接国际性 的严峻挑战。因此，改变现有依靠扩大规模的发展模式，提高瓷砖的档次和质量， 增加产品附加值，打造品牌，并提高成品率，抢占利润空间较高的高端国际市场， 已成为企业谋求发展的重要课题。 瓷砖的产量与质量的提升是与机械装备的发展紧密相连、相辅相成的。只有 提高陶瓷机械的装备水平，提高瓷砖生产线的自动化程度，才能从根本上提高瓷 砖的质量，提高产品竞争力，从而在激烈的国内外市场竞争中立于不败之地。近 几年来，国内的陶瓷机械发展迅猛，生产线及生产设备的采用机制也由过去的完 全进口转换为现在的进口与国产并存，很多陶瓷机械产品甚至已打入国际市场 口】。然而自动质量检测设备至今仍是我国陶瓷机械领域的个空白，由于质量检 测与分级工艺还停留在手工操作水平，成为阻碍产品品质提升的最大瓶颈，是陶 瓷行业中急需攻克的技术问题。 第一章绪论 由于我国瓷砖生产工艺水平的限制，导致产品质量不稳定，使得成品瓷砖的 检测变得极其重要，国内大多数瓷砖生产企业往往更倾向于通过密集劳动力来代 替自动分选，自动化程度很低，所采用的也是传统的检测方法即人工检测。基本 情况是：检测工序在生产线的末端进行，由多名工人进行检测，方法是用卡尺逐 个测量四边尺寸进行判定；对外轮廓的边的平行度测量则是与另一标准瓷砖并排 比较来实现。检测过程中需由工人搬动瓷砖，根据测量的结果来判断其级别，再 分流到不同的等级区域；经过这样一系列操作来实现对一块瓷砖的分检，对大尺 寸的瓷砖需要两个人配合才能完成检测，劳动强度很大，效率较低。 由于人工检测是静态的和局部单点测量，人为因素影响比较大，比如读数、 测量方法，量具磨损等因素。因此检测的效果和速度主要依赖检验人员的经验， 耗费了大量的人力与时间，严重影响了工厂的生产效率和生产成本。一方面这种 传统的接触式检测技术已远远达不到现代墙地砖加工工业的检测要求，成为提高 生产效率和加工精度的制约因素。另一方面传统的离线、静态测量技术也无法满 足现代加工中主动测量的要求，不能及时控制生产过程，在生产中经常出现因不 能及时检测产品、控制流程而造成废品的情况，大大降低了产品合格率，最终影 响企业经济效益。由此可以看出，人工检测的不一致性和对现代化工业生产的高 速度的不适应性，己经越来越成为整个建筑陶瓷行业的瓶颈。 随着现代瓷砖生产工艺的迅速发展，要求瓷砖产品的检测必须具有速度快、 精度高、在线主动检测等特点。尤其是我国瓷砖的国标比欧盟瓷砖的标准几乎高 了一倍，对于瓷砖产品注重无缝拼贴，在精度上的要求也就更加严格。传统技术 的人工检测的不一致性和对现代化工业生产的高速度的不适应性，决定了建筑陶 瓷行业迫切需要采用更高端的技术，使用高精度的自动检测系统，从而实现瓷砖 产品的快速动态全场测量。这对提高瓷砖产品的产品品质、及生产效率具有十分 重要的意义。 1 2 计算机视觉检测技术背景 在一般的工业检测中，最常见的是“离线”测量，即利用一定的检测器具对 被测对象进行接触测量。随着现代工业的发展，对于工业检测水平的要求也有所 提高，这种离线检测的方式速度慢、精度低、柔性差，越来越不能适应现代的生 产方式，迫切需要一种能实时、高速、非接触的在线检测方式来取而代之。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是由贝尔实验室于1 9 7 0 年首先提出的，后来发 展成为以一维势阱模型为基础的非稳态c c d 理论近年来已成为现代光电子学和 现代测试技术中最活跃、最富有成果的新兴图像传感器| 4 】。测量任务的多样性， 第一章绪论 使得基于机器视觉的非接触测量技术自诞生以来就受到极大的关注，由于具有一 系列接触测量无法比拟的优越性，其应用范围也越发广泛。机器视觉检测系统以 图像处理理论为基础，其在在线质量检测领域中获得广泛应用，对于常温、常压 环境下，采用主动光源的光电检测，可通过一定的手段将几何尺寸、外部缺陷、 颜色等转换为适当的光学量，通过对光学量的检测、光电转换和后继处理，从而 实现尺寸、外部缺陷、颜色测量在线动态测量。 在线视觉检测系统区别于普通视觉系统，在于图像处理的方法和实现技术不 同，也在于工业应用环境的特殊要求。典型的在线机器视觉检测系统具有如下特 点：在线工作于生产流水线中；被测物体是运动的，因而图像获取必须与之同步； 被测物体处于杂乱背景中，必须将其提取出来；检测结果必须及时报告或通讯给 其执行系统。这就决定了机器视觉检测系统包括有很多的子系统：光源和光学成 像；摄像与图像处理：用于摄像、图像处理、图像分析的计算机；摄像扫描与生 产线的同步结构，如：距离与位移速度控制等；输出检测结果，如：标记、报警 或通讯等。 一般地讲，非接触测量是通过图像获取、图像识别、建模计算等一系列步骤 完成测量任务的。c c d 图像采集单元是基于机器视觉的非接触测量系统的核心部 分，而c c d 器件又有面阵c c d 和线阵c c d 两种。前者可对被测对象直接成像， 无需驱动机构，设备相对简单，获取被测物体二维信息的速度较高，但是单个面 阵成像面积较小，适用于测量较小物体或检测精度要求不很高的大物体。由于生 产技术的制约，单个面阵c c d 的面积很难达到一般工业测量对视场的需求。线阵 c c d 的优点是成像视场大、分辨率高、价格相对低廉，在非接触测量领域有着广 泛的应用。用线阵c c d 获取二维图像，虽然必须配以扫描同步运动机构，但线阵 c c d 力i 上扫描机构及位置反馈环节，其成本大大低于同等面积、同等分辨率的面 阵c c d 。 基于机器视觉的工业在线检测系统已有了很大发展，在许多领域都己实现了 在线质量检测，将这一技术应用于瓷砖几何尺寸检测中，同样具有重要意义。 由于采用设备进行质量检测可提供生产全过程的实时分析报告，现场操作者 可以凭借自动检测设备的及时报警，根据实时分析报告，及时对生产中的问题进 行调整，不仅能降低废品率，管理者还可以依据检测结果的分析报告对生产过程 进行跟踪，更有利于加强对生产技术的管理。客户所要求的高质量的检测设备， 不仅仅停留在准确的检测瓷砖尺寸，还要求具备事后的问题分析能力。某些质量 检测设备所能做的不仅可以提升成品的合格率，还能协助生产商改进工艺流程， 建立质量管理体系，达到一个长期稳定的质量标准。 第一章结论 1 3 瓷砖在线检测系统的国内外现状 影响瓷砖质量的因素众多，从技术上可以分为尺寸偏差、表面与结构质量、 理化及结构特性等三大类口】 o i 。在实际生产中。影响瓷砖质量的因素主要包括尺 寸及边直度、表面缺陷、表面颜色等等，因此，对于瓷砖的质量检测主要包括这 几方面。尺寸( 尺寸偏差、变形) 检测主要针对瓷砖长度、宽度、平整度的测量； 表面缺陷检测主要针对瓷砖表面裂纹、釉裂、缺釉、针孔、结釉和斑点等检测； 表面颜色( 色差) 检测主要针对瓷砖表面颜色色号的确认。 近几年t 由于计算机技术和图像处理技术的迅速发展，基于机器视觉的检测 技术在工业检测中应用越来越广【7 删，在瓷砖测量领域，也越来越倾向于机器视 觉检测技术的应用。国外的一些检测线实现了对瓷砖平整度、边长尺寸等的在线 检测，一些厂家如意大利的s y s t e m 公司研制成功了利用线阵c c d 测量瓷砖尺寸的 检测系统，同时该系统采用一组p s d 连续测量的方法，可对瓷砖的平整度进行检 测，精度可以达到0l m m ，如图1 】、1 2 所示。德国的m e d a v 公司9 】、m a s s e n 公 司 1 0 】基于机器视觉的方法也分别开发了在线检测系统，实现对瓷砖尺寸、平整度、 色彩、缺陷的检测。意大利的g o m e s 公司同样研制生产出激光尺寸检测设备，但 由于他们采用的方 去是测量几个孤立位置。较难准确的测量真实的边缘形状，因 此也就难以测出边直度的准确值，更无法测量墙地砖的表面质量。虽然国外在线 检测系统种类众多。但遗憾的是由于瓷土配料、生产工艺、流程控自0 等方面存在 国情上的差异，其本地化存在诺多难点。而且这些检测线大都非常昂贵，比如意 大利的瓷砖检测系统的售价超过2 0 0 万，远超出了国内大部分瓷砖生产厂家的接 受范围，即使投入生产后，也存在系统维护与升级困难等问题。 酴酉 氐f l 圈i - 1s y s t e m 公司l i n e r 2 0 0 0 型图1 - 2s y m e m 公司d i c o l i n e r 型 在国内方面，虽然机器视觉起步较晚，但近年来发展较快，已经在机械、电 子、化工、纺织、农产品等众多行业得到广泛的应用】。在瓷砖检测方面r 山东 理工大学的邢希东等人采用机器视觉的方法开展过相关方面的相关研究；西安交 通大学赵海洋等人也曾进行过一些相关研究：华中科技大学图像所、广东佛山市 某企业曾合作研制“c s z f 墙地砖等级智能分拣系统叫”j ，王丰、周春晓、戴勇 第一章绪论 等分别在表面颜色分级、尺寸检测和表面缺陷检测等方面进行过研究；虽形成较 完善的理论体系，但距离实际生产应用还有一定差距，在尺寸检测、缺陷检测和 表面颜色分级方面。处理速度、精度和效果也有待提高。 近几年，浙江大学的周文峰等人研制出一套“陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测 系统”，该系统采用p s d 测量瓷砖平整度，3 对线阵c c d 测量瓷砖长宽，基本实现 了瓷砖四边尺寸的在线测量m j 。但由于测量系统复杂，c c d 数量多，光源和机 械部分难以调试另外对于比较重要的对角线和边直度也无法完成测量；中国地 质大学的王小虎等也研制成一套“瓷砖尺寸在线检测系统”，如图1 3 所示，他采 用四枚面阵c c d 分别拍摄瓷砖四角，摒弃边直度的测量，而对瓷砖边长和对角线 的测量达到了较好的精度，但是这个系统由于需要采取气缸将瓷砖顶起到固定位 置定位进行拍摄测量，再放下瓷砖通过的方式，极大的限制了检测速度，最高速 度仅有1 0 块，分钟，并且由于快速的气缸冲顶和瓷砖起落，也容易对瓷砖造成不 必要的损害。此外该系统内部机械设计较为复杂，常需要耗时调试，不适合投入 到太规模的瓷砖生产线中。 目前，世界上还没有一套十分成熟并适合中国国情的瓷砖几何尺寸在线检测 系统。 图i 3 中国地质大学研制的瓷砖尺寸在线测量系统 1 4 本论文的主要内容 本课题为天津大学精仪学院和广东省华南精密制造技术研究开发院联台开 发的产学研项目瓷砖尺寸及表面缺陷在线检测系统，如图i - 4 所示，系统由 三部分组成，本文的研究内容是其中瓷砖尺寸和边直度检测部分的开发。 第一章绪论 图l - 4 瓷砖尺寸及表面缺陷在线检测系统的构成 本课题的实际意义在于把计算机视觉检测技术与瓷砖在线检测设备的研制 开发有机的结合起来，能有效的提高我国瓷砖制造与检测水平，大幅度提升产品 品质，填补领域空白，满足瓷砖生产高速发展需求，更有利于国产成品标准顺利 与国际市场高标接轨。 本论文的主要内容及创新点有： 1 、在国内首次研制成功以线阵c c d 为核心的瓷砖实用型在线视觉检测系 统，并投入厂家生产线运行。 2 、研究了大幅面线阵c c d 扫描技术、图像采集及处理技术、测量系统及 参数标定技术、线状l e d 光源应用技术。 3 、提出了双摄像机定标与同步扫描方法，解决了超大数据量扫描对计算机 速度造成的影响，同时也克服了同步带轮传送系统节距误差及导轨扭摆 造成的长度测量累计误差。从而解决了高精度测量要求与低成本机械传 送机构之间的矛盾。 4 、以编码器修正方法解决了瓷砖各边薄厚差异所带来的测量误差，为瓷砖 的动态测量打下了基础。 5 、本方法即依据了国家标准规则进行测量方案的设计，又满足了实际生产 线状况，提出了有效的系统标定方法。 6 第二章瓷砖在线检测系统的设计及组成 第二章瓷砖在线检测系统的设计及组成 瓷砖几何尺寸在线检测系统是专业用于对瓷砖的各项尺寸及其边直度进行 检测的自动化系统。该系统通过安装在瓷砖生产线上的线阵c c d 摄像头，对准 所要检测的瓷砖扫描拍摄，通过图像采集卡，把拍摄下来的图像信号输入到计算 机中，经过计算机对接受到的图像进行识别和处理后，得到瓷砖的各种检测尺寸， 同时将有用数据记录下来，系统在检测的同时进行报警。 本设备测量瓷砖的主要参数是瓷砖四边的边长、两条对角线长和四边的边直 度，设计要求为：- 测量对象为8 0 0 m m 8 0 0 m m 和6 0 0 m m 6 0 0 m m 规格的瓷砖； 对于6 0 0 m m x 6 0 0 m m 的瓷砖边长测量精度达到士0 1 m m ，依据国家标准， 瓷砖边长定义为离瓷砖顶角10 m m 处测得的边长； 对角线测量精度达到士0 2 m m 边直度的测量精度达到士0 1 m m ，边直度定义为瓷砖一边中点偏离瓷砖该 边两顶角所决定的直线的距离； 要求检测线速度达到18 2 5 米分钟，瓷砖在不停顿的状态下检测； 本章对系统测量方法、系统组成架构及各构成部分的功能进行了详细的分析 与阐述。瓷砖几何尺寸在线检测系统主要包括机械支承与传送机构、视觉系统、 计算机及其接口电路和系统软件四部分组成。 注：1 ) 瓷砖各边名称定义：平行于传送带行进方向的两边称为左、右边； 垂直于行进方向的两边称为前、后边。 2 ) 线阵c c d 在垂直于传送带行进方向的扫描称为主扫描方向；在行进 方向的扫描线集合称为c c d 的副扫描方向。 2 1 系统测量方法 由于这个项目的目的是要研制出一种可应用于现场、成本较低、维修调试简 单、测量速度快、精度高的瓷砖尺寸自动化检测设备，根据市场调研，系统各部 分硬件的成本应控制在6 7 万元之内。瓷砖的常见规格为6 0 0 m m x 6 0 0 m m 、 8 0 0 m m x 8 0 0 m m ，边长的测量精度要求士0 1 m m ，相对误差达到0 0 2 5 ( 0 0 1 6 ) 。 对于这样大幅面、测量相对精度较高的被测物体，如果采用工业级的面阵c c d 进行高精度视觉测量，则必将超出预算，a t m e l 的4 0 9 6 4 0 9 6 的面阵c c d 售 第二章瓷砖在线检测系统的设计及组成 价高达1 0 余万元，而线阵c c d 的价格相对较低，分辨率高，且光学系统对其检 测精度的影响是一维的，便于校正【l4 1 ，所以本系统采用线阵c c d 。 本系统采用线阵c c d 扫描瓷砖以获取图像的方式。将线阵c c d 固定在瓷砖 上方，由传送皮带运送瓷砖通过c c d 拍摄区域，到达固定位置后，定位传感器 发给摄像机信号，开始采集瓷砖图像。线阵c c d 工作在外部触发模式，由装配 在同步皮带轮同一轴上的编码器实时取得传送皮带的速度，并反馈给摄像机，即 在同步皮带每走固定距离，则同步轮旋转相应角度，使编码器发送一个或几个脉 冲信号，就控制摄像机拍摄一行，从而保证由线阵c c d 采集图像的行距均匀一 致，不受皮带速度不均的影响。 采集到的图像传送到计算机进行处理，滤波、剔除离散点、选择合适的阈值 二值化、提取轮廓，然后再选取合适的点通过一定算法来得出瓷砖各个尺寸数据。 由于本系统的视觉系统受瓷砖厚度影响，故加装了两个测厚装置来读取瓷砖 四角的厚度变化，如果超出预设范围，则将厚度变化补偿到边长的计算结果中。 方案一：单摄像机； 采用一个线阵c c d 摄像机固定在检测线上方，对准经过检测区域的瓷砖拍 摄，采集被测瓷砖的整幅图像，然后送入计算机进行处理，如图2 1 所示。由于 是整幅图像，瓷砖的各个部分乃至细节在图像上都有反映，这样各边长、对角线， 边直度，甚至四角的角度都比较容易计算，选取适当区域的点便可直接计算，即 使进砖角度不佳，加入角度补偿也相对容易，并且此方法只需一套成像系统，成 本比较低，因此是相对直接的方案。 锹、i 传动机均光i l i i 厂： 、 iq 如 h 随 、 、机械支承 置置 1 一i l ll ， f 图2 1 单摄像机瓷砖图像采集系统 但是经过一段时间的实验发现这种方案有其致命的弊病： l 、 拍摄时间过长。如8 0 0 m m 8 0 0 m m 规格的瓷砖在1 8 米分钟的皮带速 度下经过拍摄区域要2 6 7 s ，6 0 0 r a m 长的瓷砖也要2 s 才能通过。这么 第二章瓷砖在线检测系统的设计及组成 长的运行时间下，外界干扰将造成很大的图像尺寸误差，例如，地面 振动造成摄像机抖动、瓷砖在拍摄过程中打滑、下块瓷砖紧随进入 传送皮带时的影响等等，就很容易造成采集的图像失真，比如正常的 瓷砖拍摄到图像呈梯形，或者侧边弯曲等，一旦瓷砖图像发生这种毫 无规律的图像失真，是无法进行修正的； 2 、 拍摄时皮带行进距离过长。拍摄8 0 0 m m x 8 0 0 m m 瓷砖整幅图像，传送 皮带也要走过至少8 0 0 m m ，即使是同步皮带也很难保证节距完全相等， 这么长的距离，很容易把皮带的节距误差因素掺杂进来，这样就会造 成瓷砖行进方向上采集图像的行距不准确，导致测量误差； 3 、 图像较大，处理困难。本系统采用4 0 9 6 像元的线阵c c d ，在c c d 副 扫描方向，即瓷砖行进方向上达到相同的像素分辨率，则需要拍摄 4 0 9 6 x 4 0 9 6 像素的图像来进行处理，一幅如此大的2 5 6 级灰度的b m p 图像容量就达到1 6 m ，高达1 6 0 0 万个像素点，处理需要一定的时间， 而且实际拍摄的图像中有8 0 是抛弃不用的，但却要消耗资源来拍摄 和处理，合理性欠佳； 4 、 这种方式要求瓷砖之间保证一定的间隔。由于要拍摄整幅的瓷砖图像， 必须等当前瓷砖拍摄完毕，采集到的图像才能送到计算机中去处理、 计算，加之图像比较庞大，所以在下一块瓷砖进入拍摄区域前，要保 证一定的间距，预留足够的时间来处理图像，这样会直接降低检测效 率。 方案二：双摄像机； 为了弥补单摄像机的缺点，采用两个距离一定的线阵c c d 对准被测瓷砖行 进方向上的前、后两端拍摄，只需拍摄很少的一段距离( 本系统设计大约为 4 0 r a m ) 就可以完成瓷砖四边及对角线的测量功能，瓷砖前后两段图像是同步拍 摄的，无论8 0 0 m m 还是6 0 0 m m 规格的瓷砖在1 8 米分钟的传送速度下只需要 0 1 3 s 就可以通过拍摄区域，拍摄距离和时间是单镜头方式的1 2 0 ，大大减少了 外界干扰误差，尤其是传送皮带和同步轮的节距累加误差，而且这样可以增加瓷 砖在行进方向的分辨率，而不增加系统额外负担。 为了测量边直度，利用定位传感器和后端的摄像机补充拍摄瓷砖中间的一段 图像，以达到和拍整幅图像相同的功能。这样系统要处理的图像大大减少，只有 三段4 0 9 6 5 0 0 的图像，而且在瓷砖通过一半时就已经完成了图像采集并送到计 算机处理了，给下一块瓷砖至少留出3 0 0 m m ( 或4 0 0 m m ) 的距离，使得对瓷砖 间距要求大大降低，理论上说，瓷砖可以块接着一块的行进，只要相互不接触 即可。虽然增置了一个摄像机和一套照明光源，成本提高，但能够减少大部分误 第二章瓷砖在线检测系统的设计厦组成 差来源，大幅提升系统的稳定性，提高检测效率，本文认为是十分必要的。 综上所述，本系统的方案定为双摄像机架拘，系统结构如图2 2 所示。 圄”“”“国 图2 - 2 系统结构示意图 在本方案中两个摄像机中心距根据被测瓷砖规格而不同8 0 0 m m 的瓷砖 摄像机中心距为8 0 0 m m 6 0 0 m m 瓷砖相应的摄像机中心距为6 0 0 m m 。 检测流程：如图2 - 2 所示，瓷砖行进方向为从右向左，瓷砖行进过程中，瓷 砖先经过i 号传感器，发出信号给处于后端的1 号摄像机拍摄瓷砖中间段的图像， 并使测厚装置读取瓷砖前段的厚度值。瓷砖继续前进，经过2 号传感器时，发出 信号使两个摄像机同时拍摄瓷砖的前后段图像，处于前端的2 号摄像机拍摄瓷砖 前段，i 号摄像机拍摄瓷砖后段，获取的三段图像送入计算机进行处理。瓷砖行 进到3 号传感器时，读取瓷砖后段的厚度值，将厚度值传入计算机给予结果补偿 并输出数据。拍摄到的图像如图2 - 3 所示。 ( a ) 前段 ( b ) 中段 第二章瓷砖在线检测系统的设计及组成 2 2 机械支承与传送机构 f c l 后段 图2 - 3 双摄像机采集瓷砖图像 由于瓷砖几何尺寸在线检测设备属于精密测量仪器，相对测量精度比较高， 而线阵c c d 只有一列光敏像元，只能直接接受一维光信息，需要外加扫描机构， 才能获得二维图像，导致被测物体行进方向的分辨率和精度受到运动的影响，所 以本系统要求有一套精度高、速度快、过程平稳、结构简单的传送机构。 本系统的传送机构由同步皮带轮、同步传送皮带、对中限位导轮、无级减速 电机阻及旋转编码器组成。机械支承与传送部分可嵌入生产线中，高度和长度可 按实际生产线情况定制。由编码器对同步轮的角速度，即对传送皮带速度进行实 时反馈- 并产生兀l 外部触发信号，提供给摄像机作为外部触发时序信号进行 图像采集，这样可以避免由皮带速度不均匀带来的误差，如图2 - 4 所示。 同步皮带和同步皮带轮的加工精度要求较高，要求皮带厚度差 ol m m ，两 个同步轮齿项直径差 ；而7 ：龇占c i i i ：z i ，d i i i i l i i i i d 7 、， c ( c )一 护。 、 。 。c d 7 图4 8 瓷砖对角线计算示意图 由于同一瓷砖四边边长的差值一般不会超过i m m ，则其四顶点连接成的矩 形基本为正方形，四个角非常接近9 0 。，误差在( 1 5 1 0 西) 。之内，本文假定标定 瓷砖的b d 与d c 的夹角为9 0 。，有 雠占c = 曰c7 一b c = 0 肋一分) 2 + 0 c d + 血) 2 一粤2 肋+ 粤2 c d ( 4 2 8 ) 则实测的对角线结果为 曰7 c = 粤。，+ 粤。r ( 4 - 2 9 ) 同理 a d 7 = 粤肋+ 雠j 4 d ( 4 3 0 ) 考虑瓷砖限位不准造成的偏摆对这种方法带来的误差，依据上一节中的分 析，当瓷砖偏摆至最大，即一边偏摆距离达到2 5 m m ，则对于边长的影响为 o 0 0 3 m m ，这样的边长误差对于8 0 0 r a m 8 0 0 m m 规格瓷砖的对角线影响最大为 4 2 ( 8 0 0 ) 2 4 2 ( 8 0 0 0 0 0 3 ) 2 = 0 0 0 4 2 5 m m 。 4 1 第四章视觉系统中的线阵c c d 图像检测技术 4 4 3 瓷砖边直度的计算方法 边直度代表某边中点到该边两个顶点所决定直线的距离，也是本系统需要测 量的一项瓷砖参数。 在行进方向上的前、后两边由于有完整图像，可以比较容易的计算出来，参 考计算边长时的四角顶点计算方法，在前、后边的中点附近取一部分轮廓点的y 坐标，取得平均后作为该中点的y 坐标。这样就得到了四个顶点a 、b 和前、后 中点p a b 、p c d 的y 坐标y ：，y ：、y ；、y ：、y 么和y 岛，则边直度s a b 、s c o 可 以简单的计算出来。 s 仙= y 么一丛当 ( 4 3 1 ) 二 s c d = 堕婴一y 岛 ( 4 3 2 ) 二 在左、右两边没有采集到完整图像，所以为完成该功能，本系统在瓷砖行进 一半时，由后端摄像机采集瓷砖中段图像，处理得到中点坐标x ：l c 和x 二，作为 左、右两边边直度的计算依据，如图2 - 3 ( b ) 所示。左、右边顶点和中点分别处于 两个摄像机拍摄的三幅图像中，而摄像机的安装精度会造成前后摄像机的位置、 放大率和拍摄角度的不同，所以计算边直度会有点麻烦，只有通过标定的方式来 进行检测，让计算机记住两个相机的位置差。 判别依据是利用前后段图像的完整性，前后边的边直度是比较可靠的，如果 一块瓷砖单一方向经多次测量，其前、后边边直度小于0 0 5 m m ，则认为这个边 是直的，然后用这两个边来标定左右边的瓷砖图像位置，得到s ：c 、s 品，在以 后测量中以此为参考。 则有， s c ：三l 去2 量一工：c s ：c ( 4 3 3 ) 二 s ：，一瓮譬一(434)bdx b d 5 4 6 2 一。_ 一。肋 l 斗。 二 如果s a b 、s c d 、s a c 或s b d 为正，则代表该边外凸，为负，则代表该边内凹。 4 5 瓷砖厚度补偿方法 由于本系统的视觉系统的特点，拍摄视角达到4 0 0 左右，瓷砖厚度的变化对 于本视觉系统造成的误差是直接的，将视觉系统简化为小孔成像模型，示意图如 图4 - 9 所示，我们可以计算出瓷砖厚度变化幽导致的测量结果误差。 4 2 第四章视觉系统中的线阵c c d 图像检测技术 图4 - 9 瓷砖厚度影响示意图 l 】是像距、l 2 是物距、l 3 是瓷砖边缘距离光轴的距离，理想情况下l 3 为瓷