基于正交CCD圖像反饋的自動(dòng)打標(biāo)控制系統(tǒng)研制*

陳 健 姜曉明 陸國棟

（①浙江大學(xué)CAD＆CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027;②浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315211）

隨著能源行業(yè)的高速發(fā)展，對高壓天然氣瓶的需求量迅猛增加，如圖1所示，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對每只氣瓶均需進(jìn)行標(biāo)記，包括有出廠檢驗(yàn)標(biāo)記、制造廠代號、鋼瓶的壁厚、容積、編號、水壓實(shí)驗(yàn)壓力以及出廠日期等共30多個(gè)字符，分布在鋼瓶肩部范圍的球面上且按多行排列，以便進(jìn)行身份識別和有效管理。

目前，國產(chǎn)高壓天然氣瓶氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)的控制系統(tǒng)主要由二維平面氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)的基礎(chǔ)上改造而來［1－2］，國內(nèi)研究人員在基于網(wǎng)絡(luò)化、計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)和打標(biāo)頭運(yùn)動(dòng)分析等控制方面開展了許多研究［3－5］，國外在節(jié)能和智能化控制方面開展了一些研究［6－7］，但這些研究主要集中在開環(huán)控制系統(tǒng)并且應(yīng)用局限在曲面較為規(guī)則的氣瓶上。作為薄壁圓筒件，受國產(chǎn)工藝條件限制，高壓天然氣瓶的肩部在沖壓縮口過程中會(huì)產(chǎn)生大量的鍛造缺陷，而且表面皮層在熱處理過程中會(huì)產(chǎn)生氧化剝落，造成氣瓶肩部曲率半徑變化不連續(xù)，甚至存在大量的凹坑。如圖2所示，如直接按照氣瓶外形進(jìn)行標(biāo)記，由于軸向存在凹凸不平的缺陷區(qū)域，徑向輪廓曲面標(biāo)記點(diǎn)各處法向不規(guī)則，使得打標(biāo)頭在缺陷位置標(biāo)記和無法處處垂直于打標(biāo)面，造成了字符深淺不一、字跡模糊遺漏和排列錯(cuò)亂等不足，極大地降低了國產(chǎn)氣瓶的標(biāo)記質(zhì)量。

目前主要的解決方法是事先通過人工視覺檢查來盡量避免在缺陷位置標(biāo)記，而如何保證標(biāo)記頭自適應(yīng)地按照標(biāo)記曲面變化調(diào)整打標(biāo)方向還亟待解決，當(dāng)前主流的氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)精度、自動(dòng)化和效率都較低。要實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量的氣動(dòng)打標(biāo)，就需要探索如何利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)即圖像處理技術(shù)來替代人工視覺檢查，研究自動(dòng)檢測打標(biāo)缺陷及曲面法向?qū)崟r(shí)捕獲技術(shù)，結(jié)合多軸伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量標(biāo)記。

圖像識別和處理技術(shù)作為計(jì)算學(xué)科的一個(gè)研究熱點(diǎn)，現(xiàn)已在許多場合替代人工進(jìn)行各種應(yīng)用［8－9］，如零件的幾何質(zhì)量檢測、車輛牌照識別等，但在氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用尚待研究。

因此，利用圖像處理技術(shù)研發(fā)具有反饋功能的高壓天然氣瓶氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，以此來有效提升高壓天然氣瓶的標(biāo)記質(zhì)量和氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)的整體性能，是迫切的現(xiàn)實(shí)需求并具有重要的科研意義。

1 雙CCD正交布局與圖像反饋控制原理

針對以上不足，通過避免在缺陷位置打標(biāo)和準(zhǔn)確獲取打標(biāo)面各點(diǎn)垂直法向量的方法，即通過基于軸向和徑向正交布局的雙CCD圖像反饋?zhàn)詣?dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)清晰可靠的氣瓶標(biāo)記。

基于軸向和徑向正交布局的雙CCD圖像處理技術(shù)原理如圖3所示，信息反饋控制架構(gòu)如圖4所示。

如圖3所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過軸向CCD結(jié)合氣瓶在工位上的轉(zhuǎn)動(dòng)，采集肩部的軸向輪廓圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后進(jìn)行打標(biāo)區(qū)域的自動(dòng)優(yōu)化選擇，以保證打標(biāo)頭在氣瓶最佳區(qū)域打標(biāo);通過徑向CCD采集氣瓶肩部優(yōu)化后的待打標(biāo)位置的法向圖像數(shù)據(jù)，精確計(jì)算打標(biāo)位置各點(diǎn)的法線方向，自適應(yīng)地調(diào)整打標(biāo)頭位置姿態(tài)確保每個(gè)字符沿法向標(biāo)記。

如圖4所示，CCD圖像采集系統(tǒng)在定位機(jī)構(gòu)的配合下，獲取氣瓶的圖像信息，然后通過圖像處理判別出缺陷和輪廓法向兩種信息，在數(shù)據(jù)處理模塊中由內(nèi)置的數(shù)控代碼生成系統(tǒng)將打標(biāo)點(diǎn)位置轉(zhuǎn)化為數(shù)控機(jī)床加工的宏程序，生成坐標(biāo)調(diào)整控制信號反饋傳遞給伺服控制機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)工件和打標(biāo)頭在氣瓶的無缺陷區(qū)域進(jìn)行法向標(biāo)記，實(shí)時(shí)自動(dòng)地根據(jù)氣瓶外形輪廓的質(zhì)量進(jìn)行自適應(yīng)高清標(biāo)記。

2 控制系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)打標(biāo)過程中需要控制的4個(gè)主要部分為:空間定位系統(tǒng)、打標(biāo)頭行走系統(tǒng)、氣動(dòng)打標(biāo)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，如何通過正交CCD圖像信息，進(jìn)行自反饋式協(xié)調(diào)和驅(qū)動(dòng)各坐標(biāo)軸伺服電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確定位是本文打標(biāo)控制研究的核心任務(wù)之一，為此設(shè)計(jì)了如圖5所示的打標(biāo)機(jī)整體控制系統(tǒng)架構(gòu)。

架構(gòu)中，正交CCD圖像采集系統(tǒng)首先在計(jì)算機(jī)控制下采集工件三維輪廓，獲取最佳標(biāo)記區(qū)域及輪廓各處的法向量并形成反饋信號，通過空間定位系統(tǒng)、打標(biāo)頭行走系統(tǒng)和氣動(dòng)打標(biāo)系統(tǒng)，自動(dòng)修正工件打標(biāo)面和打標(biāo)頭的空間相對位置，保證打標(biāo)頭與最佳打標(biāo)面在垂直法向量方向上的完全重合。

在五軸空間定位系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)通過X、Z方向上的直線移動(dòng)實(shí)現(xiàn)打標(biāo)頭在XOZ平面的定位，設(shè)計(jì)通過繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)打標(biāo)針與鋼瓶打標(biāo)球面切面法線方向一致，設(shè)計(jì)通過繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和字模輪軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)分別實(shí)現(xiàn)鋼瓶打標(biāo)曲面和打標(biāo)字模的選取;標(biāo)記頭行走系統(tǒng)在接受圖像采集系統(tǒng)修正控制信號后，將打標(biāo)頭旋轉(zhuǎn)到最佳的打標(biāo)位置;在氣動(dòng)打標(biāo)系統(tǒng)中，獲取反饋修正信息完成準(zhǔn)確定位的信號后，輔助系統(tǒng)夾緊氣瓶，沖擊缸的驅(qū)動(dòng)氣源驅(qū)動(dòng)標(biāo)記頭進(jìn)行高速的沖擊，最終完成氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)標(biāo)記氣瓶的整個(gè)控制過程。打標(biāo)結(jié)束后氣動(dòng)打標(biāo)頭復(fù)位，并由輔助系統(tǒng)切換工件進(jìn)行下一次的打標(biāo)循環(huán)。

3 自動(dòng)打標(biāo)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)控制系統(tǒng)從硬件層面主要包含圖像采集裝置、機(jī)電伺服控制器和打標(biāo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)3個(gè)具體部分設(shè)計(jì)，硬件原理如圖6所示。

（1）研制的圖像采集裝置主要由正交布置的CCD攝像頭和計(jì)算機(jī)圖像采集卡組成。CCD攝像頭具有自掃描、高分辨率、易于與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn)，按照視頻捕捉過程中前后兩幀之間的間隔劃分，通過硬調(diào)節(jié)或軟調(diào)節(jié)來獲取連續(xù)或單幀圖像，通過正交布置從兩個(gè)維度獲取工件打標(biāo)輪廓的立體圖形;設(shè)計(jì)普通白熾燈為光源，以Sony Exview HAD Interline CCD為CCD攝像頭，以10MOONS SDK－2000圖像采集卡為數(shù)字圖像采集卡，由通過CCD攝像頭獲取工件打標(biāo)區(qū)域圖像后，由圖像采集卡將采集到的圖像信號傳遞給計(jì)算機(jī)形成自反饋修正信號。

（2）機(jī)電伺服控制器按照反饋的修正信號，完成工件和打標(biāo)頭的空間準(zhǔn)確定位，其主要設(shè)計(jì)有數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、變頻器、交流進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)和齒輪、蝸輪、蝸桿組成的機(jī)械傳動(dòng)裝置，其中數(shù)控系統(tǒng)采用了SIEMENS 802C系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)采用了SIEMENS 611U交流數(shù)控系統(tǒng)。

（3）打標(biāo)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由沖擊缸、活塞桿、打標(biāo)針、字盤、伺服電動(dòng)機(jī)、壓板、拖板等構(gòu)成。標(biāo)記打印通過固定在沖擊缸活塞桿上的打標(biāo)針沖擊字盤輪上的字模來完成，通過伺服電動(dòng)機(jī)控制整個(gè)打標(biāo)頭的轉(zhuǎn)動(dòng)以及字盤輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與圖像處理方法

采用模塊化的工程思路，軟件系統(tǒng)的主要任務(wù)是打標(biāo)圖像處理、加工代碼自動(dòng)生成和打標(biāo)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，著重解決氣瓶圖像輪廓提取、打標(biāo)缺陷提取和打標(biāo)加工代碼自動(dòng)生成等問題。軟件系統(tǒng)模塊組成如圖7所示。

（1）人機(jī)交互模塊:輸入相關(guān)控制參數(shù)，校正圖像顯示，制定各種打標(biāo)數(shù)據(jù)，控制各模塊完成鋼印打標(biāo)。

（2）圖像處理模塊:應(yīng)用圖像處理技術(shù)分別處理高壓天然氣瓶軸向缺陷圖像和徑向輪廓的提取，生成打標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（3）加工代碼生成模塊:采用標(biāo)記位置逐點(diǎn)掃描法實(shí)現(xiàn)矢量化位圖數(shù)據(jù)，從而生成數(shù)控加工代碼。

（4）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊:根據(jù)控制系統(tǒng)傳送的坐標(biāo)點(diǎn)控制數(shù)據(jù)，控制伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，標(biāo)記頭行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)打標(biāo)針移至合理的打標(biāo)位置。

氣瓶打標(biāo)缺陷和輪廓法線提取分別通過軸向CCD和徑向CCD圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行，其整體流程圖如圖8所示。軸向CCD圖像采集氣瓶肩部曲面數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列的圖像處理后獲取缺陷局域的輪廓，經(jīng)過宏程序計(jì)算后確定需要避免的缺陷位置參數(shù)給伺服數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)控制氣瓶旋轉(zhuǎn)到最佳打標(biāo)區(qū)域，從而利用CCD技術(shù)自動(dòng)獲取每支氣瓶的外形輪廓，判別誤差及缺陷，自動(dòng)優(yōu)化標(biāo)記區(qū)域，并依據(jù)每支氣瓶的外形輪廓質(zhì)量自適應(yīng)地調(diào)整打標(biāo)參數(shù);徑向CCD圖像處理系統(tǒng)獲取氣瓶徑向輪廓外形尺寸，將圖像數(shù)據(jù)處理后完成工件邊界垂直法向量的設(shè)定，自動(dòng)生成打標(biāo)點(diǎn)法向位置及打標(biāo)數(shù)控程序，驅(qū)動(dòng)打標(biāo)針撞擊碼盤字符沿邊界法向標(biāo)記。

正交CCD的圖像處理方法，主要是對采集到的圖像進(jìn)行二值化處理及邊界特征值提取，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的識別與生成，以判別缺陷區(qū)域和法向，圖9是軸向圖像處理的4個(gè)主要過程。

（1）獲取原始圖片:系統(tǒng)首先通過高清CCD攝像頭獲取氣瓶肩部的原始圖片，如圖9a所示。

（2）圖像增強(qiáng):為了去除拍攝過程中產(chǎn)生的圖像噪聲提高圖像質(zhì)量，對原始圖片進(jìn)行增強(qiáng)處理，如圖9b所示。圖像增強(qiáng)技術(shù)通?？梢苑譃榭臻g域方法和頻率域方法，基于工程實(shí)踐的需要使用了計(jì)算量較小的空間域方法，即對圖像像素灰度值直接進(jìn)行運(yùn)算。

圖像可以看做是像素的集合體，對像素進(jìn)行運(yùn)算，在空間域增強(qiáng)技術(shù)可以表示為

式中:f（x，y）是輸入圖像;F是算子，定義在某個(gè)領(lǐng)域上;g（x，y）表示經(jīng)過算子F施加作用后的圖像。

方法主要包括3個(gè)步驟:

①圖像灰度修正:對不均勻圖像或曝光不足圖像利用灰度直方圖進(jìn)行逐點(diǎn)灰度校正。

②圖像平滑:采用區(qū)域模板法來處理，即從某個(gè)像素開始，逐個(gè)地移動(dòng)像素模板，在每個(gè)位置處應(yīng)用算子F，對該像素進(jìn)行運(yùn)算。如此反復(fù)，直到所有的像素都處理過，最后就得到新的平滑圖像。

③圖像銳化:主要是通過拉普拉斯運(yùn)算對圖像微分逆運(yùn)算，使模糊的圖像變得更加清晰。

（3）邊界檢測:在對氣瓶缺陷圖像進(jìn)行特征提取之前，進(jìn)行邊緣檢測，如圖9c所示，再進(jìn)行二值化處理。處理后缺陷圖像邊界的亮度與原圖中邊緣周圍的亮度變化率成正比，因?yàn)檫吘壴鰪?qiáng)方法處理后缺陷圖像的亮度保持不變，采用Roberts邊緣檢測算子尋找邊緣，其定義為:

其中f（x，y）是具有整數(shù)像素坐標(biāo)的輸入圖像，平方根運(yùn)算使該處理類似于在人類視覺系統(tǒng)中發(fā)生的過程。

（4）輪廓提取:輪廓提取與輪廓跟蹤的目的是為了獲得氣瓶缺陷圖像的外部輪廓特征，如圖9d所示。由于二值化圖像只有黑白之分，像素值只有0和1之分，因此利用二值化氣瓶缺陷圖像輪廓提取較為容易，因此需要把灰度圖像轉(zhuǎn)換為黑白二值圖像進(jìn)行處理。圖像的二值化根據(jù)下式的閾值公式來表示:

其中t為自定的閾值。由于氣瓶球面圖像與背景的灰度差別很大，在灰度直方圖上呈現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的波峰，因此采用迭代求最佳閾值法將去噪后的圖像二值化為黑白圖像，并利用黑色填充算法進(jìn)行邊界提取。

徑向CCD圖像處理如圖10所示，與軸向CCD圖像處理過程基本相同，差異化是在進(jìn)行輪廓提取之前要進(jìn)行曲線插值擬合處理。若是按照采集的工件輪廓對打標(biāo)曲面進(jìn)行加工，會(huì)產(chǎn)生滑擦等現(xiàn)象，數(shù)據(jù)的確切度得不到保證，甚至影響氣瓶的強(qiáng)度，達(dá)不到加工要求。所以必須對采集的輪廓點(diǎn)進(jìn)行圖像二次處理技術(shù)，去除采集到極點(diǎn)缺陷，并將曲線用光滑連續(xù)的樣條曲線插值處理。

5 氣動(dòng)打標(biāo)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于正交CCD反饋的氣動(dòng)打標(biāo)自動(dòng)控制系統(tǒng)，研發(fā)了如圖11所示的軸向CCD圖像處理系統(tǒng)和圖12所示的綜合CCD圖像處理系統(tǒng)，并開發(fā)了如圖13所示的試驗(yàn)樣機(jī)，標(biāo)記效果如圖14所示

以上圖像處理系統(tǒng)以Windows為開發(fā)平臺，以可視化面向?qū)ο蟮腃++builder作為軟件開發(fā)工具，如圖11所示，在利用CCD獲取軸向圖像信息后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像增強(qiáng)和圖像邊緣檢測，最終提取缺陷輪廓并進(jìn)行跟蹤，獲取標(biāo)記優(yōu)化位置。

按照圖8所示流程，如圖12所示，在獲取優(yōu)化打標(biāo)位置后，利用徑向CCD進(jìn)行徑向輪廓的圖像采集，并進(jìn)行平滑和邊緣增強(qiáng)，獲取輪廓曲線，生成打標(biāo)軌跡，從而自動(dòng)生成打標(biāo)點(diǎn)位置，并且內(nèi)置的數(shù)控生成系統(tǒng)可以將打標(biāo)點(diǎn)位置轉(zhuǎn)化為數(shù)控機(jī)床加工的宏程序，從而徹底摒棄手工輸入的復(fù)雜和繁瑣，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高精可靠的標(biāo)記。如圖13所示，機(jī)床在2個(gè)正交方向上設(shè)置了CCD，采集氣瓶肩部軸向和徑向的輪廓數(shù)據(jù)，圖14為直徑400 mm的氣瓶標(biāo)記圖形。

6 結(jié)語

總結(jié)分析了現(xiàn)有高壓天然氣瓶氣動(dòng)打標(biāo)質(zhì)量偏低的原因，通過雙CCD的正交布局架構(gòu)，準(zhǔn)確獲取天然氣瓶肩部軸向和徑向圖像，自動(dòng)識別缺陷位置和標(biāo)記點(diǎn)法向，以此為反饋信息構(gòu)建的軟硬閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了機(jī)床打標(biāo)的自動(dòng)化水平和面對不規(guī)則氣瓶的自適應(yīng)標(biāo)記能力，實(shí)現(xiàn)一臺機(jī)床面向多種質(zhì)量層次氣瓶的精密打標(biāo);以二值化為核心思想構(gòu)建的圖像四步處理流程系統(tǒng)，數(shù)據(jù)獲取簡單計(jì)算量小，輪廓提取完整迅速，對工業(yè)生產(chǎn)具有廣泛的適應(yīng)性。樣機(jī)的研制試驗(yàn)表明，氣瓶上的字符標(biāo)記清晰完整，多層排列整齊有序，避開了氣瓶的缺陷位置。因此，基于正交CCD圖像反饋控制的高質(zhì)量氣動(dòng)打標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了基于現(xiàn)有國產(chǎn)天然氣氣瓶的高質(zhì)量標(biāo)記，通過提高圖像獲取實(shí)時(shí)性等方面的繼續(xù)研究，可以進(jìn)一步地提升國內(nèi)氣瓶加工業(yè)整體加工檔次和產(chǎn)品防偽性能，并向其他行業(yè)推廣應(yīng)用。

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