专利名称：一种金属自粘标牌的自动检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机器视觉和自动控制技术领域，特别是一种基于机器视觉技术，能自动对金属自粘标牌表面上金属自粘标牌的缺失、歪斜、偏移、翘曲等缺陷进行自动检测，并对不良品进行自动排除的智能自动检测装置。
背景技术：
金属自粘标牌是一种新型包装装饰技术，该技术主要是在金、银、铜等贵金属板材上通过蚀刻等方式以得到图案或字符，其背面为强力胶水粘纸，其正面为移转膜。使用时撕去背面粘纸将标牌粘接在被装饰金属自粘标牌表面，再去除表面移转膜即可，是目前高端金属自粘标牌如名贵药品、化妆品、纪念币、珠宝及艺术品等包装盒上最主要的标牌种类， 而且因为其工艺简单方便，是各种不干胶标贴、铝牌、铜牌、铁牌等的最佳替代金属自粘标牌，有着广泛的应用市场。现有技术中的金属自粘标牌工艺主要存在以下缺陷一是照明光源。因为金属自粘标签为贵金属材料，其粘接表面一般也采用烤漆处理，近似镜面效果反光严重，采用常规照明方式容易在表面形成倒影。同时其材料不同，金属标签和背景的颜色也不同，现在一般照明均采用单色照明，其适用性很窄，很难得到对比度较好的图像；在国外也出现了采用三色照明方式，但其控制均为手动控制，即由人工来调节红、绿、蓝三种LED亮度，没有具体调节标准，只能由人工感觉控制，即不科学，也不方便。二是传感器。因为被检测金属自粘标牌厚度差异很大，最厚超过230mm,最薄的不过2mm。而金属自粘标牌放置流水线皮带上而随之运动，皮带边缘上下抖动，如采用普通对射光电传感器，容易被皮带边缘抖动而误触发造成错误检测。而采用普通反射式光电传感器，又无法适应厚薄差异较大之金属自粘标牌。三是相机、光源等位置调整。金属自粘标牌厚度差异很大，如金属自粘标牌表面不处于焦平面上，图像则模糊不清而无法检测。一般的解决方式是手动调整相机和光源位置，但在少批量多品种的实际生产中，造成很大工作量，也耽误了许多生产时间。另一种解决方式是采用国外进口的电动自动调焦镜头，但此类镜头特别昂贵，带来很大的设备成本，同时也无法控制光源的运动。四是人工作业。在金属自粘标牌的粘接工序时，由于标牌超薄且图案字符之间连接较少或无连接，很容易造成字符或图案缺失、歪斜、偏移、翘曲等缺陷，严重影响金属自粘标牌外观，这在金属自粘标牌生产中是不允许的。目前在生产中均为人工目视检查，但由于图案为金属材质而反光严重，字符图案较多，金属自粘标牌种类很多，生产数量较大，容易造成视觉疲劳以致出现漏检、错检等现象，而且检测效率低下。目前在国内包装品生产企业中，尚无能够对此进行自动化检测装置。因此，如何在工艺中实现自动检测此类缺陷，提高金属自粘标牌品质，降低生产成本，是包装企业采用金属自粘标牌的一个主要难题。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于机器视觉技术的金属自粘标牌的自动检测装置，用于解决人工目视检查金属自粘标牌易出现漏检、错检等问题。本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下一种金属自粘标牌的自动检测装置，包括照明光源、工业相机、流水线皮带、激光传感器、工控机、步进马达、排除气缸、滚珠丝杆和直线滑轨；所述流水线皮带，用于在所述自动检测装置工作过程中传送金属自粘标牌。所述照明光源放置在工业相机与流水线皮带之间，且所述工业相机与所述照明光源同轴线垂直于流水线皮带表面，所述照明光源用于成像时的照明；所述工业相机通过设置的硬件触发端口与所述激光传感器的输出端连接，用于通 过所述激光传感器获取触发传感，实现光学成像；所述激光传感器固定在所述流水线皮带上，使激光落在流水线皮带上的光电位于工业相机垂直轴心偏前处，用于保证每次采集到的图像的一致性；所述工控机分别与工业相机、步进马达和排除气缸连接；所述步进马达通过联轴器带动滚珠丝杆进行旋转，并驱动直线滑轨，所述直线滑轨上设有四个滑块，滚珠丝杆上的螺母通过连接块与直线滑轨和滑块组合使旋转运动转变为直线运动，从而通过连接杆带动工业相机进行上下运动；这里，可以将滚珠丝杆的螺母、直线滑轨和滑块的组合装置安装在一块连接板上，再通过连接板带动连接杆。所述排除气缸安装在流水线皮带上，并通过电磁阀与所述工控机连接，用于对不良品进行排除。除排除气缸外，还可以采用其它能实现排除不良品功能的装置。本实用新型中，照明光源、工业相机和激光传感器构成了图像采集装置，其用于实现光学成像和采集转换，并将采集到的图像信号传输给所述工控机。所述工控机，即是工控PC机，用于实现系统控制及图像处理功能。另外，步进马达、滚珠丝杆、联轴器、连接杆、直线滑轨和滑块等构成了一个伺服驱动装置，用于调整和驱动上述的图像采集装置上下移动。伺服驱动装置根据金属自粘标牌厚度不同而驱动图像采集装置上下运动，以保证得到最佳的图像。在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。 进一步，所述工业相机上安装有工业镜头，构成了一个光学成像装置。进一步，所述照明光源采用半球型穹顶漫反射结构，其上安装有两圈红、绿、蓝三路LED灯，且所述照明光源上设置有光源控制器，用于独立输出三通道电流以控制红、绿、蓝三路LED灯，所述光源控制器还与所述工控机连接，用于向所述工控机传输金属自粘标牌的颜色信息。对于半球型穹顶漫反射结构，即是以不锈钢冲压形成一个半球型外罩，内部喷以颗粒状白漆，在球型外罩底部安装一环形LED灯光圈，环形外径和球型外罩底部直径相同，内径小于外径40mm，上安装两圈LED，LED采用红、绿、蓝三种颜色依次混合排列，每种LED可单独恒流控制，通过控制电流以控制LED发光亮度而形成不同颜色的光，以适用不同颜色的被检测金属自粘标牌。具体地，通电时LED发光，光线向上及四周照射到球型外罩的颗粒状白漆上再次反射下来，形成漫反射照明被检测物体，完全避免了普通环形、条形或平面照明的反光缺点。光源控制器可独立输出三通道电流，以控制红、绿、蓝三路LED灯。此夕卜，光源控制器通过RS232通讯接口和工控机相连，由工控机根据金属自粘标牌颜色自动生成最佳照明参数。进一步，所述激光传感器通过万向安装架固定在所述流水线皮带上。进一步，所述工控机分别与工业相机、步进马达和排除气缸连接是通过在所述工控机上设置三个PCI插槽实现的，所述三个PCI插槽分别用于直接插入图像采集卡、运动控制卡和数字I/o卡，所述图像采集卡通过数据线和工业相机相连，所述运动控制卡与所述步进马达连接，所述数字I/o卡通过电磁阀与排除气缸连接；这里，所述图像采集卡提供IEEE1394接口，通过数据线和工业相机相连，在系统初始化时控制相机各项曝光时间、增益等参数，当相机开始工作时取得所采集到的图像信息，并将其存到指定内存区域，再以消息的方式传送给所述工控机处理；所述数字I/O卡除用于驱动所述排除气缸动作，同时也用于接受启动停止信号和驱动声光报警装置。所述运动控制卡，用于通过输出脉冲控制所述步进马达，从而进一步地控制相机等的聚集作用。进一步，所述工控机能通过软件形式实现自动生成最佳照明参数功能、模板学习功能或自动检测功能。进一步，所述自动检测功能的实现采用特征参数计算和模板匹配的方式所述特征参数计算包括对目标区域的面积、周长、圆形度、重心、长宽和旋转角度的计算；所述模板匹配指在图像中寻找目标区域，计算相似度，判别当前目标与设定目标是否相同。这里，所述面积就是目标区域中像素的数量；所述周长是指目标区域轮廓线上像素之间间距之和；所述圆形度是指在面积和周长的基础上，计算目标形状复杂程度的一个特征量，具体计算
= 4^fm，对于半径为r的圆来说，面积为nr2，周长为2 π r，如果形状越接近圆，则
该值越接近1，形状越复杂，则该值越小；所述重心指目标中像素坐标的平均值；所述长宽包含目标最小平行轴外接矩形的长宽和任意方向最小外接矩形的长宽；所述旋转角度指目标区域的椭圆特征中长轴与横轴的夹角。本实用新型的有益效果是一是相机、光源等可由通过伺服驱动上下运动，以取得最佳清晰度的图像；二是采用半球型穹顶漫反射结构光源，避免了普通光源反光的缺点。颜色亮度可控，通过软件配合以适合不同金属自粘标牌，能够自动生成最佳照明参数，取得最佳对比度图像；三是采用激光传感器作为触发信号，保证即使是厚度2mm的金属自粘标牌也能够稳定检测；四是采用模板匹配和特征参数计算统一判别，有效的检测金属自粘标牌的掉字、歪斜、偏移、翘曲缺陷，完全取代人工作业，性能稳定，效果良好。因此，本实用新型提供的一种基于机器视觉的自动检测装置，能够实现在线快速、稳定的检测，并且对不良品进行自动排除。
图I为本实用新型所述的自动检测装置的整体结构图；[0037]图2为本实用新型实施例的生成最佳照明参数的流程图；图3为本实用新型实施例的模板学习功能流程图；图4为本实用新型实施例的自动检测功能流程图。附图中，各标号所代表的部件列表如下 I、金属自粘标牌，2、工控机，3、照明光源，4、工业镜头，5、工业相机，6、连接杆，7、滚珠丝杆，8、流水线皮带，9、直线滑轨，10、滑块，11、滚珠丝杆连接块，12、滚珠丝杆螺母，13、联轴器，14、步进马达，15、激光传感器，16、万向安装架，17、排除气缸。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用 新型，并非用于限定本实用新型的范围。如图I所示，本实施例所述的一种金属自粘标牌I的自动检测装置，包括照明光源
3、工业相机5、流水线皮带8、激光传感器15、工控机2、步进马达14、排除气缸17、滚珠丝杆7和直线滑轨9 ；所述流水线皮带8，用于在所述自动检测装置工作过程中传送金属自粘标牌。所述照明光源3放置在工业相机5与流水线皮带8之间，且所述工业相机5与所述照明光源3同轴线垂直于流水线皮带8表面，所述照明光源3用于成像时的照明；所述工业相机5通过设置的硬件触发端口与所述激光传感器15的输出端连接，用于通过所述激光传感器15获取触发传感，实现光学成像；所述激光传感器15通过万向安装架16固定在所述流水线皮带8上，使激光落在流水线皮带上的光电位于工业相机垂直轴心偏前处，用于保证每次采集到的图像的一致性；所述工控机2分别与工业相机5、步进马达14和排除气缸17连接，所述工控机2还能包括部分附属电路；所述步进马达14通过联轴器13带动滚珠丝杆7进行旋转，并驱动直线滑轨9，所述直线滑轨9上设有四个滑块10，滚珠丝杆上的螺母12通过连接块11与直线滑轨9和滑块10组合使旋转运动转变为直线运动，从而通过连接杆6带动工业相机5进行上下运动；这里，可以将滚珠丝杆螺母12、直线滑轨9和滑块10的组合装置安装在一块连接板上，再通过连接板带动连接杆6。所述排除气缸17安装在流水线皮带上，并通过电磁阀与所述工控机2连接，用于对不良品进行排除。除排除气缸外17，还可以采用其它能实现排除不良品的功能的装置。本实施例中，照明光源3、工业相机5和激光传感器15构成了图像采集装置，其用于实现光学成像和采集转换，并将采集到的图像信号传输给所述工控机2。所述工控机2，即是工控PC机，用于实现系统控制及图像处理功能。另外，步进马达14、滚珠丝杆7、联轴器13、连接杆6、直线滑轨9和滑块10等构成了一个伺服驱动装置，用于调整和驱动上述的图像采集装置上下移动。伺服驱动装置根据金属自粘标牌厚度不同而驱动图像采集装置上下运动，以保证得到最佳的图像。另外，所述工业相机5上安装有工业镜头4，构成了一个光学成像装置。本实施例采用面阵500万像素CXD工业相机，IEEE1394接口，最短电子快门速度为30us，帧率为6fps，流水线线速一般为每分钟5-10米，可以满足流水线金属自粘标牌动态检测的需求，而工业镜头采用五百万像素分辨率的定焦镜头。所述照明光源3采用半球型穹顶漫反射结构，其上安装有两圈红、绿、蓝三路LED灯，且所述照明光源上设置有光源控制器，用于独立输出三通道电流以控制红、绿、蓝三路LED灯，所述光源控制器还与所述工控机2连接，用于向所述工控机2传输金属自粘标牌的颜色信息。对于半球型穹顶漫反射结构，即是以不锈钢冲压形成一个半球型外罩，内部喷以颗粒状白漆，在球型外罩底部安装一环形LED灯光圈，环形外径和球型外罩底部直径相同，内径小于外径40mm，上安装两圈LED，LED采用红、绿、蓝三种颜色依次混合排列，每种LED可单独恒流控制，通过控制电流以控制LED发光亮度而形成不同颜色的光，以适用不同颜色的被检测金属自粘标牌。具体地，通电时LED发光，光线向上及四周照射到球型外罩的颗粒状白漆上再次反射下来，形成漫反射照明被检测物体，完全避免了普通环形、条形或平面照明的反光缺点。光源控制器可独立输出三通道电流，以控制红、绿、蓝三路LED灯。此外，光源控制器通过RS232通讯接口和工控机相连，由工控机2根据金属自粘标牌颜色自动生成最佳照明参数。 所述工控机2分别与工业相机5、步进马达14和排除气缸17连接是通过在所述工控机2上设置三个PCI插槽实现的，所述三个PCI插槽分别用于直接插入图像采集卡、运动控制卡和数字I/O卡，所述图像采集卡通过数据线和工业相机5相连，所述运动控制卡与所述步进马达14连接，所述数字I/O卡通过电磁阀与排除气缸17连接；这里，所述图像采集卡提供IEEE1394接口，通过数据线和工业相机5相连，在系统初始化时控制相机各项曝光时间、增益等参数，当相机开始工作时取得所采集到的图像信息，并将其存到指定内存区域，再以消息的方式传送给所述工控机2处理；所述数字I/O卡除用于驱动所述排除气缸17动作，同时也用于接受启动停止信号和驱动声光报警装置(所述自动检测装置中可自设一套声光检测装置)。所述运动控制卡，用于通过输出脉冲控制所述步进马达14，从而进一步地控制相机等的聚集作用。本实施例中所述工控机2能通过软件形式实现自动生成最佳照明参数功能、模板学习功能或自动检测功能。而所述自动检测功能的实现采用特征参数计算和模板匹配的方式所述特征参数计算包括对目标区域的面积、周长、圆形度、重心、长宽和旋转角度的计算；所述模板匹配指在图像中寻找目标区域，计算相似度，判别当前目标与设定目标是否相同。这里，所述面积就是目标区域中像素的数量；所述周长是指目标区域轮廓线上像素之间间距之和；所述圆形度是指在面积和周长的基础上，计算目标形状复杂程度的一个特征量，
Απ V而和
具体计算为e =，对于半径为r的圆来说，面积为n r2，周长为2 π r，如果形状越接
近圆，则该值越接近1，形状越复杂，则该值越小；所述重心指目标中像素坐标的平均值；所述长宽包含目标最小平行轴外接矩形的长宽和任意方向最小外接矩形的长宽；所述旋转角度指目标区域的椭圆特征中长轴与横轴的夹角。本实施例所述的自动检测装置的工作原理是在系统运作之初，先将所检测的金属自粘标牌I的图像特征及高度等设置存储为参数文件。检测前调出参数文件，系统进行初始化，同时通过伺服驱动机构将相机光源等驱动至设定位置。工作时金属自粘标牌I从流水线皮带8上流过，被激光传感器15感应而输出信号触发工业相机5取像，并将图像传送工控机2处理，处理完成后，如为良品则通过数字I/O卡控制亮绿灯，如为不良品则亮红灯报警，同时电磁阀得电，排除气缸17动作，将该不良品推出。对于上文提到的本实施例的软件主体功能自动生成最佳照明参数、模板学习功能和自动检测功能。生成最佳照明参数功能流程图如图2所示，首先输入金属标牌前景和背景颜色。系统根据公知之冷暖色调原理生成初始化照明参数，即红、绿、蓝三路LED驱动电流，开始采集图像，对图像进行直方图计算，计算其前景和背景各自的中心值和离差，然后通过RS232串口输出命令给光源控制器，依次调整三路驱动电流值，继续采集图像并计算前景和背景各自的中心值和离差。在调整范围内三路驱动电路均调整结束后，通过比较各自中心值和离差数值，其中心值差异最大而离差最小的为三路驱动电流值为最佳照明参数。在调整过程中，系统选用图像中的特定区域进行处理，同时控制调整幅度，大大缩短了调整时间。一般在2-3秒之内，即可调整获得最佳照明参数，而后此类金属自粘标牌在生产中均按照此参数进行照明。 模板学习功能流程图如图3所示。首先读入图像，并将图像显示出来。然后对图像进行中值滤波，利用像素邻域内灰度中值代替该像素的灰度值，滤除图像中的椒盐噪声。再对图像进行阈值分割，阈值分割的方法很多，在本实用新型中采用大津法进行分割，具体实施过程为设t为图像分割阈值，从而判别图像的前景和背景，图像中前景像素与图像总像素比例为w0，前景平均灰度为uO ;图像中背景与图像总像素比例为wl，背景平均灰度为ul,从而算出图像平均灰度 u=wO*uO+wl*ul,类间方差 g=wO* (uO_u)* (uO_u)+wl* (ul_u)*(ul-u),设t为从O到255，计算类间方差g的值，以该值最大是的t值为分割阈值。以该阈值对图像进行二值化处理，得到一幅新的图像。其次，就是提取字符图案，其中包含数学形态处理和区域标记。二值化处理后的图像中除了字符图案外，一般还有很多噪声点。在本实用新型中通过数学形态处理的膨胀和腐蚀方式将噪声点去掉。再进行区域标记处理，即通过扫描图像，把连接在一起的像素附上相同的标记。通过统计标记的数量，即可知图像中有多少个字符图案了。再次即进行特征参数的计算。在本实用新型中对字符图案标记区域的面积、周长、圆形度、重心、长宽和旋转角度进行计算。面积的计算即是统计各个标记区域的像素数量；周长计算则是提取区域的轮廓线，计算其轮廓线的长度；圆形度计算式在面积和周长的基
4;rx面积
础上，计算标记区域的形状复杂程度，在本实用新型中以下面公式e=，重心就是
In-\I n-l
求标记区域像素坐标的平均值，在本实用新型中利用公式( ,凡)=-Σχ.-Σ 计算区
Jl /=O n f=0 _
域重心；在重心求出基础上根据外轮廓线，求出最小外接矩形，从而的到区域标记的长宽和旋转角度。全部标记区域统计完成后，将各项参数和设定公差均存入参数文件。再次则恢复图像，利用前面统计到的标记区域扩大一定像素在恢复图像中取得各个对应的子图像，对每一个子图像进行边缘提取。在本实用新型中采用cany边缘检测算子提取边缘，其首先计算G (X，y)的梯度,得到对于X和y的偏微分值fx和fy,公式为f _ fix,7+1)—fix, y)+/0+1，y+1)—fix+1, y)
Λ -￡[0068]
权利要求1.一种金属自粘标牌的自动检测装置，其特征在于，包括照明光源、工业相机、流水线皮带、激光传感器、工控机、步进马达、排除气缸、滚珠丝杆和直线滑轨； 所述照明光源放置在工业相机与流水线皮带之间，且所述工业相机与所述照明光源同轴线垂直于流水线皮带表面； 所述工业相机通过设置的硬件触发端口与所述激光传感器的输出端连接，所述激光传感器固定在所述流水线皮带上，使激光落在流水线皮带上的光电位于工业相机垂直轴心偏前处； 所述工控机分别与工业相机、步进马达和排除气缸连接； 所述步进马达通过联轴器带动滚珠丝杆进行旋转，并驱动直线滑轨，所述直线滑轨上设有四个滑块，滚珠丝杆上的螺母通过连接块与直线滑轨和滑块组合使旋转运动转变为直线运动，从而通过连接杆带动工业相机进行上下运动； 所述排除气缸安装在流水线皮带上，并通过电磁阀与所述工控机连接。
2.根据权利要求I所述的自动检测装置，其特征在于，所述工业相机上安装有工业镜头。
3.根据权利要求I所述的自动检测装置，其特征在于，所述照明光源采用半球型穹顶漫反射结构，其上安装有两圈红、绿、蓝三路LED灯，且所述照明光源上设置有光源控制器，用于独立输出三通道电流以控制红、绿、蓝三路LED灯，所述光源控制器还与所述工控机连接，用于向所述工控机传输金属自粘标牌的颜色信息。
4.根据权利要求I所述的自动检测装置，其特征在于，所述激光传感器通过万向安装架固定在所述流水线皮带上。
5.根据权利要求I所述的自动检测装置，其特征在于，所述工控机分别与工业相机、步进马达和排除气缸连接是通过在所述工控机上设置三个PCI插槽实现的，所述三个PCI插槽分别用于直接插入图像采集卡、运动控制卡和数字I/o卡，所述图像采集卡通过数据线和工业相机相连，所述运动控制卡与所述步进马达连接，所述数字I/O卡通过电磁阀与排除气缸连接。
专利摘要本实用新型涉及一种金属自粘标牌的自动检测装置，包括照明光源、工业相机、流水线皮带、激光传感器、工控机、步进马达、排除气缸、滚珠丝杆和直线滑轨；照明光源放置在工业相机与流水线皮带之间，工业相机通过设置的硬件触发端口与激光传感器的输出端连接，激光传感器、排除气缸固定在流水线皮带上，工控机分别与工业相机、步进马达和排除气缸连接；步进马达通过联轴器驱动滚珠丝杆和直线滑轨，直线滑轨上设有四个滑块，滚珠丝杆上的螺母通过连接块与直线滑轨、滑块组合，再通过连接杆带动工业相机进行上下运动。因此，本实用新型提供的一种基于机器视觉的自动检测装置，能够实现在线快速、稳定的检测，并且对不良品进行自动排除。
文档编号G01N21/956GK202710486SQ20122035480
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月20日 优先权日2012年7月20日
发明者朱飞虎, 李龙根 申请人:朱飞虎, 李龙根