专利名称：基于工控机的氟塑料薄膜疵点在线检测控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属步进电机与及图像采集协同控制技术领域，特别涉及一种用于实时高精度检 测带状产品质量的基于工控机的多线阵图像传感器的视觉检测系统。
背景技术：
由于质量检测自动化的需求日益迫切，近年来疵点的自动检测己成为国内外学者一直 关注和研究的热门课题，并已经取得了许多成果。例如佐治亚理工学院的研究人员公开 了一种织物巻绕时对疵点进行在线检测的图像识别系统，硬件由三个固定的CCD摄像机 和经过特殊安排的照明系统组成，而软件中应用了神经网络、模糊逻辑和小波变换等工具
(Dorrity JL， Vachtsevanos, C, Jasper. Annual Report-National Textile Center, 1996,31(1): 621-626)，这种系统将会由美国西弗吉尼亚的Appalachian电子仪器公司进行商业化生产。 而J. A. Throopa等人则公开了一条嵌入了疵点在线视觉检测系统的苹果按质量分类的生产 线(D.J. Aneshansleya， W.C. Angerb and D.L. Peterson. Quality evaluation of apples based on surface defects: development of an automated inspection system[J]. Postharvest Biology and Technology,2003,volume 36)。
而在国内，有关疵点检测的专利只检索到了东华大学2006年公开的200510U0244"— 种自动验布等级客观评定系统"，其主要功能是利用DSP模块实现自动验布，不涉及基于 工控机的多线阵CCD阵列图像采集以及驱动电机控制系统等高速实时检测的关键技术。 此外，关于氟塑料产品的专利，其中与带状缠绕材料相关的共有6项，都是关于其再应用 的，而关于其质量检测的相关专利还未见报道。
氟塑料薄膜制品有其独特的产品特性，如表面不具有规则的花纹；质地透明无色且 平滑，反光性能好；大多数薄膜疵点大都为细小孔洞、淡色污染；生产线幅面大都较宽等。 适用于该种产品的疵点自动检测系统现在还尚未有公开的技术专利。
发明内容
本发明的目的是弥补国内现有自动检测技术的不足，提供一种适用于宽幅透明塑料薄 膜疵点实时采集与处理的多线阵CCD视觉检测系统，同时结合LabVIEW软件作为各个模 块的控制平台，实现了在氟塑料薄膜生产线上对该产品的疵点实时检测、信息存储与监
本发明的创新点是采用多个线阵CCD作为成像器件，并针对线阵CCD行扫描特点设
4计了运动系统和采集系统的协调工作方案。设计了步进电机+双编码器的闭环控制方法， 并采用以VC为中介的、基于LabV正W的对运动控制卡动态链接库的双重调用方法来实 现控制；设计了基于张紧辊编码器脉冲外触发的多线阵CCD同步等比例采集方法和基于 多缓冲区Ring方式的图像釆集方法；同时实时地对所得图像数据进行处理、储存和网络发 布，从而有效地提高可检疵点的精度和检测速度，实现透明(半透明)带状材料的视觉在 线质量监控。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下
(1) 照明模块采用CCS白色条形光源背投；照明模块充分考虑氟塑料薄膜材质特
点，采用ccs白色条形光源背投方式具有很好的稳定性，可以较有效地克服由
于自然光的变化所带来的检测误差。
(2) 运动控制模块采用GT-400运动控制器，包括GT-400-SV-PCI-G运动控制卡、
端子板和步进电机驱动器，并使用两个增量型旋转编码器，其一安装在步进电
机同轴(称为电机编码器)，用于产生反馈脉冲与运动卡控制脉冲进行比对；其
二安装在薄膜张紧辊上(称之张紧辊编码器)，用于将生产线的线速度转化为脉 冲信号，输出给采集控制模块。
(3) 釆集控制模块多个SmartBlue SB4480线阵CCD摄像机在塑料薄膜生产线的 同一纵向位置排列，并依照分辨率和检测精度划分视场，连接至NI-1409图像 采集卡，采集卡接受运动控制模块传送来的触发信号后按照多缓冲区图像Ring 采集方式进行同步采集，并将图像数据存放在缓冲区内。
(4) 检测处理模块对薄膜疵点进行图像识别，从缓冲区提取图像数据，采用"由粗 到细"的图像处理方法来提取出疵点各项信息进行存储，并使用户能进行对疵点 灰度阀值、电机运行方式、信息存储位置各参数的设定操作，并实时显示疵点 图像处理结果。
(5) 网络监测模块针对工厂网络化环境，采用基于B/S构架和LabVIEW WEB SERVER 的远程面板监测方案，实现了一套测试硬件平台的多点共享和网络化监测。
所述的运动控制模块采用以VC为中介的，基于LabVIEW的对运动控制卡函数的双 重调用方法来实现对步进电机的控制。
所述的采集控制模块由NI Vision实现对采集卡的快速配置。 所述的检测处理模块的疵点检测与界面生成在LabVIEW中实现。 所述的网络监测模块采用LabVIEW WEB SERVER的远程面板功能实现客户端通过浏览器对系统前面板的访问与监测。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果
(1) 着眼于工业机器视觉系统发展趋势，对特定行业——塑料薄膜厂家的产品设计 符合需求的专用检测系统。所构建的视觉检测系统不仅仅完成传统视觉系统图像采集与处 理的功能，还涉及运动控制、工业通信等领域，协调和发挥了多种工厂自动化系统的功能， 体现了机器视觉与工业环境更智能化的融合。
(2) 将图像采集过程与生产线运动过程紧密地结合一起。设计了一种"步进电机+双 编码器"的闭环控制方案，既提高了步进电机控制精度，又为采集模块提供了触发脉冲； 同时采用多个线阵CCD作为成像器件，并设计了以运动模块输出脉冲为外触发信号的薄膜 图像纵向等比例采集方案，提出了适用于数据传输量大的情况的多缓冲区Ring采集方法。
(3) 系统软件基于LabV正W平台开发，提出了以VC为中介的、基于LabVIEW的 对运动控制卡动态链接库的双重调用方法，实现了基于PC和运动控制卡的运动控制；编 写了基于LabVIEW平台和NI Vision Module的塑料薄膜疵点检测程序，并生成了包括电机 控制、采集控制、检测结果显示在内的软件界面。充分利用了该平台图形化开发的优势， 实现用户对各硬、软件参数的设定、配置，并具有美观便捷、易于操作的界面。
图1是本发明的系统整体结构原理图2是本发明的系统构成图3是本发明的系统层次图4是本发明的步进电机双编码器闭环控制方案设计图5是本发明的电机编码器反馈脉冲补偿原理图6是本发明的运动控制模块的信号类型变换示意图7是本发明的步进电机S型升降速实测曲线图8是本发明的步进电机加入位置反馈和脉冲补偿前后对比图9是本发明的多线阵CCD同步等比例图像釆集方案设计图10是本发明的多缓冲区图像Ring连续采集方式的原理示意图11是本发明的多缓冲区图像Ring连续采集方式的流程图12是本发明的疵点检测及存储的LabVIEW程序框图13是本发明的疵点检测实时显示图及在Excel中存储结果的截图14是本发明的人机交互界面图；图15是本发明的客户端浏览器中显示的远程监控面板示意图； 图16是本发明的服务器端的远程前面板管理器功能示意图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术 人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限
定的范围。
以下结合图l-16对本发明作进一步的描述。
这种适用于宽幅透明塑料薄膜疵点实时采集与处理的多线阵CCD视觉检测系统的一
个实施例包括下列步骤
(1) 如图1所示，塑料原坯由切膜刀切割为薄膜后，水平覆盖于生产线传送带上， 步进电机驱动传送带一端的旋转辊，由生产线中部的多个张紧辊来保持薄膜水平张直，并 将其传送至生产线末端的巻轴进行收巻。
(2) 在照明模块，使用CCS白色条形光源(或高频白色管灯)，长度根据需求为1.3m 左右(定做)，采用背光方式。在安装中根据现场需求进行调整，架设位置主要以CCD感 光区域为主。
(3) 在运动控制模块，釆用固高公司的GT-400运动控制器，包括GT-400-SV-PCI-G
运动控制卡、端子板和步进电机驱动器，将控制卡连接至端子板(端子板用来连外部信号 及输出等)，并将控制卡的CN1与端子板的CN1、 CN2与CN2用屏蔽电缆连接，以保证 外部电路正常；控制卡输出脉冲信号通过端子板CN5的引脚输出给驱动器。 如图4 6所示，"步进电机+双编码器"闭环控制方案设计如下 运动控制器以脉冲控制步进电机按设定方案运动，通过步进电机同轴的增量型旋转编 码器(文中称之为电机编码器)反馈脉冲与运动卡控制脉冲进行比对，同时进行误差补偿； 另一个编码器(文中称之为张紧辊编码器)安装在薄膜张紧辊上，张紧辊将生产线的线速 度转化为角速度，张紧辊编码器又实时将其转变为TTL脉冲信号，并作为采集控制模块的 多个线阵CCD外触发信号，连接到采集卡接口盒Trigger接点，作为采集卡的外触发信号， 采集卡根据该信号来确定和控制线阵CCD的采集行频，即接收到一个脉冲信号，就采集 一行图像数据。
由于运动控制卡只提供了可在C语言环境下编程的动态链接库，因此本系统提出一种
7对运动卡动态链接库二次调用的方法，以VC为中介，在LabVIEW平台下实现了电机控 制参数的设置和运动过程的控制。即首先在VC中建立一个VC+十工程，包含入GT400,h， GT400.dll文件，在CPP中编写各部分控制功能函数，设定输入输出参数；再在LabVIEW 中利用CLF接口结点设置输入输出参数进行VC函数调用，从而实现对运动卡的控制。 该方案提出三个关键技术，重点解决系统在运动控制中的精度与实时两大问题
a) 为了提高步进电机控制精度，解决低速高频启动时步进电机的失步问题，设计了基 于运动控制卡的S型升降速模式，在步进电机上实测的结果参见图7;
b) 为了进一步提高步进电机控制精度，解决失步或薄膜巻轴半径变化引起的生产线 运动速度变化问题，在步进电机同轴安装增量型旋转编码器，构成脉冲反馈，用精度更高 的编码器脉冲与运动卡控制脉冲进行比对，并实时进行控制卡输出脉冲的补偿，在步进电 机上实测的结果参见图8;
c) 为了保证在疵点检测系统的图像采集模块能采集到纵向精度较高的图像数据，同时 提高采集的实时性，实现线阵CCD的等比例采集，本方案在塑料薄膜生产线中部的张紧 辊上连接编码器，并以编码器脉冲作为采集卡的外触发信号。
(4) 在采集控制模块，将多个线阵CCD并列竖直固定在塑料薄膜上方，并连接至 NIPCI-1409采集卡(连接IMAQ—A6822扩展接口盒)，将来自运动控制模块张紧辊编码 器的脉冲信号也连接至接口盒。
如图9所示，多线阵CCD同步等比例图像采集方案设计如下
首先，对于线阵CCD行采集而言， 一旦采集频率和生产线运动频率不一致，将会使 采集到的图像数据发生纵向拉伸或压縮，本系统通过运动模块与采集模块协调工作，以张 紧辊编码器脉冲信号作为采集卡采集信号的触发条件来实现基于外触发的线阵CCD纵向 等比例采集；其次，由于疵点精度要求高和薄膜幅面宽，使得最终采集到的图像数据量很 大，如果图像处理部分的速度跟不上采集速度，就会发生图像缓冲区内尚未处理的数据被 新采入的图像数据所覆盖的现象，本系统通过多缓冲区图像Ring连续采集方式实现了采集 模块与检测模块的协调工作，在Ring方式下，创建一个缓冲区列表，并开辟一系列与列表 相关联的缓冲区域，当一个缓冲区中的数据正在被处理时，新采集到的图像数据会更新到 另外的缓冲区中去，如图10~11所示。
(5) 在检测处理模块，每次从缓冲区提取出指定行数的图像数据后，就在LabVIEW 中对其进行一次处理过程。由于单位时间内采集到的图像数据量很大，而实际上原塑料薄 膜包含疵点的部分不多，且较为分散，因此为了减轻系统缓存的压力，同时减少处理后信息的存储量，采用"先粗后细"的方法
首先，由于塑料薄膜与疵点灰度特征差异很大，因此粗检测采用最简单的基于标准帧的灰度阈值法，即将待检测薄膜图像帧与无疵点的标准图像帧进行灰度比较，对这两幅图像进行减运算，求出两者灰度差，再与设定阈值比较，对待检测薄膜做出判断。设每次从
缓冲区取出的由设定行图像数据构成的图像帧分别是/,，/2,...，而标准帧为/，对各帧图像分别计算其在每个像素点i处与标准帧I的灰度差异
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其中/m(0 ， /(/)分别表示第m帧图像在i位置上的灰度值和标准帧图像在i位置上的
灰度值。如果差异度五J/)小于所设定的阈值，则判定为此帧图像无疵点，舍弃构成这一
帧的行数据，只把行数进行累加，以记住当前行在薄膜上的纵向位置；否则判定为此帧图像有疵点，进入细检测过程。
其次，对判定为有疵点的帧图像进行细检。我们通过图像锐化后进行灰度阈值分割的
方法来确定疵点的横向位置及面积大小。设含有疵点的图像帧为乙，按照一定的准则在4
中找到特征值T，将图像分割为两个部分。
使用IMAQ count object子VI，在其前面板中设定灰度阈值参数，并通过不断调整获得最有效分割薄膜背景与油墨疵点的阈值。处理后由该子VI输出的数据流为包含疵点左上角与右下角横、纵坐标位置，疵点中心坐标，疵点面积大小等数据的捆绑簇，将其中的数据解除捆绑至空数组后，转换为统一的数据格式后，存入Excel文件。最终，在每次图像数据处理后，疵点所在位置都由红框圈出，显示在人机界面上。LabVIEW程序与处理结果如图12 14及及表一所示。
(6)在网络监测模块，如图15~16所示，按以下方案设计在服务器端，使用LabV正W8.2版本，利用工具》\\^3发布工具(LabVIEW Web Server)来发布VI的前面板或者是希望在客户端看到的信息。此时可以在前面板图前后编写用于网页的文档标题或HTML内容，设置可以访问的IP地址；在客户器端，安装NI提供的一个23M左右的免费引擎LabVIEW Run-Time Engine,使用最常见的IE浏览器，输入服务器提供的网页地址，实现实时检测过程的网络监测。同时，服务器端使用远程前面板连接管理器，反过来对实时连接到该网页的客户端进行监测和管理，并记录这个过程。
虽然以其优选的形式公开了本发明，但对于本领域的普通技术人员来说，在不偏离由权利要求书提出的本发明的构思和范围的条件下，还可以进行许多改进。表一
注Center xft表疵点中心点在当前帧图像中的迹，位置；^
Center yf^表疵点中心点在当前帧图像中的y座标位置；一Left!rR表疵点最左端在当前帧图像中的連标位置；^Top y^表疵点最顶端在当前帧图像中的y座标位置；一Right x代表疵点最右端在当前帧图像中的速标位置；g^!By代表疵点最底端在当前帧图像中的y座标位置；^Area代表疵点面积大小。
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权利要求
1. 一种基于工控机的氟塑料薄膜疵点在线检测控制系统，其特征在于，包括以下五个模块照明模块；运动控制模块；采集控制模块；检测处理模块；网络监测模块。(1)照明模块采用CCS白色条形光源，直流供电，背投照明，适合氟塑料薄膜透明无纹理、表面光滑等特殊属性；(2)运动控制模块采用步进电机双编码器闭环控制方案，通过步进电机同轴的电机编码器反馈脉冲与运动卡控制脉冲进行比对，同时进行误差补偿，来保证控制精度；通过张紧辊编码器将生产线运动速度实时转变为TTL脉冲信号，并作为采集控制模块的多个线阵CCD外触发信号，连接到采集卡接口盒，从而保证采集到高精度的同步等比例图像；(3)采集控制模块以张紧辊编码器脉冲作为采集行信号，触发采集卡对薄膜图像进行行扫描采集，并将采集到的图像数据传输给工控机(PC)，暂存在工控机系统的缓存区中；(4)检测处理模块从缓冲区提取图像数据，采用“由粗到细”的图像处理方法来提取出疵点各项信息，存储在Excel文件中以备技术员随时查看，同时由软件界面向用户显示处理结果；(5)网络监测模块采用B/S网络构架，以工控机为NI应用服务器，将检测数据利用远程面板发布到工厂网络中，客户端的技术人员由浏览器即可对实时检测结果进行监控。
2. 根据权利要求1所述的一种基于工控机的带状材料疵点在线检测控制系统，其特征在 于所述的运动控制模块使用了一种以VC+十为中介的，在LabVIEW平台上对运动控 制卡提供的动态链接库文件的双重调用方法。该方法在丫0++环境中调用运动卡函数 库来编写运动控制程序，然后在LabVIEW中通过函数参数传递实现图形化的功能调 用，同时利用了 C语言程序的快速性和LabV正W前面板的便捷特性。
3. 根据权利要求1所述的一种基于工控机的带状材料疵点在线检测控制系统，其特征在 于所述的采集控制模块采用了多缓冲区图像Ring连续釆集方式，并由NI Vision提 供的子VI实现对采集卡的快速配置。在该采集方式下，创建一个缓冲区列表，并开辟 一系列与列表相关联的缓冲区域，当一个缓冲区中的数据正在被处理时，新采集到的 图像数据会更新到另外的缓冲区中去，该方式缓解了宽幅高精度需求时图像采集数据 量大和图像处理速度不高的矛盾。同时利用NI Vision提供的子VI，只需对采集位置、 触发信号类型等参数进行选择，就可高效快捷地实现对采集方式的配置。
4. 根据权利要求1所述的一种基于工控机的氟塑料薄膜疵点在线检测控制系统，其特征 在于充分考虑线阵CCD行扫描特点，协同控制图像采集过程与生产线运动过程，以 运动模块的输出信号作为采集模块的输入信号，即以张紧辊编码器输出脉冲作为采集 卡的外触发信号，保证在疵点检测系统的图像采集模块能采集到纵向精度较高的图像 数据，同时提高采集的实时性，实现线阵CCD的等比例采集。
5. 根据权利要求1所述的一种基于工控机的氟塑料薄膜疵点在线检测控制系统，其特征 在于针对工厂网络化环境，设计了基于B/S构架和LabVIEW WEB SERVER的工业 网络监测模块，实现了一套测试硬件平台的多点共享和网络化监测。
全文摘要
本发明涉及一种基于工控机的带状材料疵点在线检测控制系统，包括五个模块适合带状材料特点的生产线照明模块(本文以氟塑料薄膜为例)；对步进电机进行高精度控制的运动控制模块；驱动多个高分辨率线阵CCD同步采集的采集控制模块；对带状材料疵点进行图像识别的检测处理模块；以及用于工厂网络内对检测结果面板进行实时监测的网络监测模块。提出了步进电机与及图像采集协同控制的关键技术以及多个高分辨率线阵CCD同步采集的采集控制关键技术；本发明具有速度快、精度高等优点，可普遍适用于塑料薄膜、纸张制品等类似的透明(半透明)、带状、宽幅产品的疵点实时自动检测。
文档编号G01N21/88GK101510085SQ20091004752
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月13日 优先权日2009年3月13日
发明者丁永生, 宋邵宁, 詹司佳, 郝矿荣 申请人:东华大学