一种基于正交CCD图像反馈的自动打标控制系统的制作方法

本发明涉及一种基于正交CCD图像反馈的自动打标控制系统，适用于机械领域。

背景技术：

随着能源行业的高速发展，对高压天然气瓶的需求量迅猛增加，国家标准规定对每只气瓶均需进行标记，包括有出厂检验标记、制造厂代号、钢瓶的壁厚、容积、编号、水压实验压力以及出厂日期等共30多个字符，分布在钢瓶肩部范围的球面上且按多行排列，以便进行身份识别和有效管理。

目前，国产高压天然气瓶气动打标机的控制系统主要由二维平面气动打标机的基础上改造而来，国内研究人员在基于网络化、计算机并行处理技术和打标头运动分析等控制方面开展了许多研究，国外在节能和智能化控制方面开展了一些研究，但这些研究主要集中在开环控制系统并且应用局限在曲面较为规则的气瓶上。作为薄壁圆筒件，受国产工艺条件限制，高压天然气瓶的肩部在冲压缩口过程中会产生大量的锻造缺陷，而且表面皮层在热处理过程中会产生氧化剥落，造成气瓶肩部曲率半径变化不连续，甚至存在大量的凹坑。

目前主要的解决方法是事先通过人工视觉检查来尽量避免在缺陷位置标记，而如何保证标记头自适应地按照标记曲面变化调整打标方向还亟待解决，当前主流的气动打标机精度、自动化和效率都较低。要实现高效高质量的气动打标，就需要探索如何利用计算机视觉技术即图像处理技术来替代人工视觉检查，研究自动检测打标缺陷及曲面法向实时捕获技术，结合多轴伺服控制系统实现高质量标记。

图像识别和处理技术作为计算学科的一个研究热点，现已在许多场合替代人工进行各种应用，如零件的几何质量检测、车辆牌照识别等，但在气动打标机床控制系统中的应用尚待研究。

因此，利用图像处理技术研发具有反馈功能的高压天然气瓶气动打标机闭环自动控制系统，以此来有效提升高压天然气瓶的标记质量和气动打标机的整体性能，是迫切的现实需求并具有重要的科研意义。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于正交CCD图像反馈的自动打标控制系统，进一步提高了机床打标的自动化水平和面对不规则气瓶的自适应标记能力，实现一台机床面向多种质量层次气瓶的精密打标；以二值化为核心思想构建的图像四步处理流程系统，数据获取简单计算量小，轮廓提取完整迅速，对工业生产具有广泛的适应性。

本发明所采用的技术方案是：

所述控制系统设计通过轴向CCD结合气瓶在工位上的转动，采集肩部的轴向轮廓图像数据，经计算机处理后进行打标区域的自动优化选择，以保证打标头在气瓶最佳区域打标。

所述控制系统通过径向CCD采集气瓶肩部优化后的待打标位置的法向图像数据，精确计算打标位置各点的法线方向，自适应地调整打标头位置姿态确保每个字符沿法向标记。

所述气动打标机控制系统从硬件层面主要包含图像采集装置、机电伺服控制器和打标执行机构3个部分。

所述控制系统采用模块化的工程思路，软件系统的主要任务是打标图像处理、加工代码自动生成和打标机运动控制，着重解决气瓶图像轮廓提取、打标缺陷提取和打标加工代码自动生成等问题。

本发明的有益效果是：基于正交CCD图像反馈控制的高质量气动打标，实现了基于现有国产天然气气瓶的高质量标记，通过提高图像获取实时性等方面的继续研究，可以进一步地提升国内气瓶加工业整体加工档次和产品防伪性能，并向其他行业推广应用。

附图说明

图1是本发明的正交CCD图像反馈控制架构图。

图2是本发明的正交CCD自反馈打标控制整体架构图。

图3是本发明的正交CCD图像采集系统硬件原理图。

图4是本发明的软件系统模块组成图。

图5是本发明的自动打标图像处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，系统设计通过轴向CCD结合气瓶在工位上的转动，采集肩部的轴向轮廓图像数据，经计算机处理后进行打标区域的自动优化选择，以保证打标头在气瓶最佳区域打标;通过径向CCD采集气瓶肩部优化后的待打标位置的法向图像数据，精确计算打标位置各点的法线方向，自适应地调整打标头位置姿态确保每个字符沿法向标记。

CCD图像采集系统在定位机构的配合下，获取气瓶的图像信息，然后通过图像处理判别出缺陷和轮廓法向两种信息，在数据处理模块中由内置的数控代码生成系统将打标点位置转化为数控机床加工的宏程序，生成坐标调整控制信号反馈传递给伺服控制机构，驱动工件和打标头在气瓶的无缺陷区域进行法向标记，实时自动地根据气瓶外形轮廓的质量进行自适应高清标记。

如图2，气动打标过程中需要控制的4个主要部分为：空间定位系统、打标头行走系统、气动打标系统和辅助系统，如何通过正交CCD图像信息，进行自反馈式协调和驱动各坐标轴伺服电动机准确定位是本文打标控制研究的核心任务之一。

架构中，正交CCD图像采集系统首先在计算机控制下采集工件三维轮廓，获取最佳标记区域及轮廓各处的法向量并形成反馈信号，通过空间定位系统、打标头行走系统和气动打标系统，自动修正工件打标面和打标头的空间相对位置，保证打标头与最佳打标面在垂直法向量方向上的完全重合。

在五轴空间定位系统中，设计通过X、Z方向上的直线移动实现打标头在XOZ平面的定位，设计通过绕X轴转动实现打标针与钢瓶打标球面切面法线方向一致，设计通过绕X轴的转动和字模轮轴线的转动分别实现钢瓶打标曲面和打标字模的选取；标记头行走系统在接受图像采集系统修正控制信号后，将打标头旋转到最佳的打标位置；在气动打标系统中，获取反馈修正信息完成准确定位的信号后，辅助系统夹紧气瓶，冲击缸的驱动气源驱动标记头进行高速的冲击，最终完成气动打标机标记气瓶的整个控制过程。打标结束后气动打标头复位，并由辅助系统切换工件进行下一次的打标循环。

如图3，气动打标机控制系统从硬件层面主要包含图像采集装置、机电伺服控制器和打标执行机构3个具体部分设计。

研制的图像采集装置主要由正交布置的CCD摄像头和计算机图像采集卡组成。CCD摄像头具有自扫描、高分辨率、易于与计算机连接等优点，按照视频捕捉过程中前后两帧之间的间隔划分，通过硬调节或软调节来获取连续或单帧图像，通过正交布置从两个维度获取工件打标轮廓的立体图形;设计普通白炽灯为光源，以Sony Exview HAD Interline CCD为CCD摄像头，以10MOONS SDK-2000图像采集卡为数字图像采集卡，由通过CCD摄像头获取工件打标区域图像后，由图像采集卡将采集到的图像信号传递给计算机形成自反馈修正信号。

机电伺服控制器按照反馈的修正信号，完成工件和打标头的空间准确定位，其主要设计有数控系统、伺服驱动控制系统、变频器、交流进给伺服电动机和齿轮、蜗轮、蜗杆组成的机械传动装置，其中数控系统采用了SIEMENS 802C系统，伺服驱动采用了SIEMENS 611U交流数控系统。

打标执行机构主要由冲击缸、活塞杆、打标针、字盘、伺服电动机、压板、拖板等构成。标记打印通过固定在冲击缸活塞杆上的打标针冲击字盘轮上的字模来完成，通过伺服电动机控制整个打标头的转动以及字盘轮的转动。

如图4，采用模块化的工程思路，软件系统的主要任务是打标图像处理、加工代码自动生成和打标机运动控制，着重解决气瓶图像轮廓提取、打标缺陷提取和打标加工代码自动生成等问题。

如图5，气瓶打标缺陷和轮廓法线提取分别通过轴向CCD和径向CCD图像处理系统进行。轴向CCD图像采集气瓶肩部曲面数据，经过一系列的图像处理后获取缺陷局域的轮廓，经过宏程序计算后确定需要避免的缺陷位置参数给伺服数控系统，数控系统控制气瓶旋转到最佳打标区域，从而利用CCD技术自动获取每支气瓶的外形轮廓，判别误差及缺陷，自动优化标记区域，并依据每支气瓶的外形轮廓质量自适应地调整打标参数；径向CCD图像处理系统获取气瓶径向轮廓外形尺寸，将图像数据处理后完成工件边界垂直法向量的设定，自动生成打标点法向位置及打标数控程序，驭动打标针撞击码盘字符沿边界法向标记。