激光打标产品在线检测分析系统的研究与实现

[摘 要]设计开发一种激光打标产品在线检测分析系统。该系统主要由图像采集装置、图像处理分析软件、传送装置、筛捡装置四大部分组成。通过CCD工业相机采集激光打标产品的精细图像信息，接着将图像传送给计算机，计算机结合图像处理分析软件对图像进行分析后得出产品的缺陷类型，缺陷信息会生成文字信息保存在指定文件中，然后通过无线传输模块向传送装置和筛捡装置发出控制指令，传送装置将放置在传送带上的产品转运至筛捡装置处，筛捡装置根据计算机处理的结果和控制指令将产品分别放置于不同的收集箱内，从而完成激光打标产品在线检测分析的全部过程。

[关键词]激光打标产品；图像处理分析；传送装置；筛捡装置

中图分类号：TG3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0017-02

0引言

激光打标是在现代工业生产中应用十分广泛的一项技术。主要用于在塑料，金属等材质的产品外壳或面板上打印一些基本说明信息。例如在充电器，手机外壳，各种电器控制面板，玩具等产品的表面上利用激光打标，刻上产品的型号，商标，执行标准，生产日期等一系列基本信息。这些信息的打标质量不仅对以后的装配使用有着重要的指导意义，也方便后期产品零部件的维修和更换，更重要的是它代表着一个企业给客户的最直接印象。所以激光打标的质量问题也是企业重点监督的方面之一。

1系统的总体结构设计

激光打标产品在线检测分析系统主要由图像采集装置、图像处理分析软件、传送装置、筛捡装置四大部分组成。并由上位机结合下位机对这四大组成部分进行协调和控制，其中作为上位机的计算机主要负责接收来自图像采集装置的图像，并运用图像处理分析软件对图像进行增强、灰度化、滤波、边缘检测定位等处理，将处理后的图像数据与模板图像数据进行对比，得出产品的缺陷类型信息。计算机将处理结果转化为对应的指令信息发送给下位机。由于传送装置以及筛捡装置的控制较为简单，下位机采用较为廉价STC89C52单片机即可满足功能需求。下位机不仅控制着图像采集装置进行图像采集，也控制着传送装置将检测分析后的产品运送到筛捡装置，筛捡装置则将产品根据缺陷的类型分别放置于不同的收集箱内，便于工人进行后期处理。整个系统的结构如图1所示。

2系统的组成部分

2.1图像采集

图像采集是本系统的关键所在，采集得到的图像质量直接影响着图像处理的精度和结果。为了能够得到精细的图像信息，采用CCD工业相机作为图像采集器。考虑到一天之内室内光线变化对图像采集质量的影响，图像采集过程需要在密闭的环境下进行，并由LED点阵照明模块为相机提供稳定光源。不同材料的产品对光线的反射能力不同，需要对光源的光照强度进行调节，为此使用无级调压模块实现对光照强度的无级调节，从而适应各种各样的激光打标产品。图2所示为图像采集装置的外观模型。

放置于传送带上的激光打标产品在经过密闭箱时，触发红外接近传感器产生一个低电平信号，单片机根据红外接近传感器产生的低电平信号确定产品到来，并对其进行唯一性编码，便于后期处理；另外通过控制继电器使传送机停转0.5秒，便于CCD相机进行稳定拍照，CCD相机拍照后将图像通过千兆以太网线传送给计算机。

2.2图像处理分析

计算机接收到采集的精细图像后，将其存放于指定位置，通过图像处理分析软件对图像进行一系列的变化处理，并做出相应分析，判定产品的质量，从而得出结果。使用VisualStudio开发出了一款与此系统配套使用的软件，方便了系统的使用。图3是为激光打标产品在线检测分析系统开发的软件的界面。

获取原始图像后，采用对比度增强和图像锐化的方式使图像增强，起到提高图像观察质量的效果。对比度增强也就是增强图像中不同部分的差别，可以通过增强原始图像里两个灰度值的范围来实现。该软件选用的是较为经典的对比度增强方法。如图4变换曲线图。

通过变换可以使图像中的灰度值在0～1s和2s～L-1区间的动态范围减小，在1s～2s区间的动态范围有效增强，这样便实现了原始图像对比度的增强。为了使图像的边缘轮廓及细节更为清晰，，提高识别的准确度和效率，还需对图像进行锐化处理。受到平滑的图像变得边缘模糊是因为受到了积分或者平均运算，采取其相反的方法也就可以使图像得到锐化，如进行微分运算。另外，还可以通过使用高通滤波器将图像进一步锐化，使其更为清晰。

相机采集到的彩色图像采用的是RGB颜色模式，处理图像时要分别对RGB三种分量进行处理比较麻烦，并且RGB颜色模式不能可靠的反应出图像的形态特征，通过对图像进行灰度化处理可简化后期处理难度，也能更为有效的反应出图像的形态特征。

常用的图像灰度计算公式：

gray=red*0.299+green*0.587+blue*0.114（1）

边缘检测是借助微分算子来实现的，例如使用Sobel边缘算子可以强化一个方向上的边缘特征。对图像中的所有点Sobel算子的两个卷积核做卷积，将得到的最大值作为输出位，得到一个边缘图像。为了定位标识码，还需先对图像进行灰度二值化，然后采用投影法得到标识码的位置坐标，并判断标识码的位置正确与否。

通过前期对图像的处理，就能得到适合图像识别的灰度图像了。通过对处理后图像的灰度二值化数据与模板图像的灰度二值化数据进行比较。为了能够得出产品的缺陷类型信息，需要对灰度图像的像素点进行逐个对比，并记录出不相同像素的坐标位置信息，整个图像对比完成后，可以计算出两个图像的相似度，另外通过对不相同像素点坐标的计算，可以得出产品的缺陷类型，如图案模糊、变形，字体缺画、偏移、扭曲。根据不同的缺陷类型，输出不同的字符，计算机通过与单片机的串口通信将这些字符发送给单片机，并由单片机控制筛选装置对这些不同类型的缺陷产品进行分类。图5是图像处理分析流程图。

2.3传送装置

传送装置主要负责对激光打标产品的传送，采用直流减速电机提供动力。直流减速电机具有易于控制，输出扭矩大，价格较低的优点，适合应用于激光打标产品的生产。传送装置主要由直流开光电源、STC89C52单片机、直流减速电机、红外接近传感器、测速模块、PWM调速模块、机械装置组成。直流开关电源将220V的交流电转化为5V及24V的直流电，分别供单片机和直流减速电机使用；传送装置根据计算机发出的速度命令要求，通过单片机控制PWM调速模块实现传送带的起停及传送速度的调节；测速模块实时测量传送速度，反馈给单片机，以实现速度的精确控制；红外接近传感器用于检测传送带上的产品位置是否到达相机下方位置或者筛捡装置处，以便控制相机采集图像；机械装置由动力传送齿轮、传送带、轴承和框架构成，用于承载产品，电机以及各个控制模块。传送装置联系着整个系统的各个部分，对传送速度的要求较高，通过多次实验发现，单片机、测速模块、PWM调速模块的结合使用能够满足整个系统对速度控制精度都需求，使系统能长时间平稳正确的运行。

2.4筛捡装置

筛捡装置是该系统的最终执行部分，主要是由控制模块、位置检测模块、驱动模块和执行机构组成，图6为筛捡装置的方框图。

位置检测模块是由接近开关和信号放大电路组成，用于进一步定位产品的位置，实现执行机构的精确的抓取；执行机构包括舵机、挡板、收集箱和立柱等部件；驱动模块是驱动舵机执行机构运动的动力装置调节装置；控制模块由控制程序和定位系统组成，能够控制支配着舵机按一定的方向和角度运动，并记忆人们给予筛捡装置的指令信息，根据要求对执行机构发出指令，还可实现执行机构的动作进行监视，当出现错误或故障时能够发出报警信号。

2.5系统的使用方法

激光打标产品在线检测分析系统的使用十分简单，对使用者的专业知识要求很低。首先将制作好的模板图像信息事先存放于电脑的指定文件夹中，打开各个组成部分的电源，打开计算机中的软件，根据产品检测的要求设定好相应的参数后，系统便可以开始工作了。系统将不同类型的缺陷产品放置于不同的收集箱内，使用者可根据缺陷类型判定缺陷产生的原因，进而方便对上一生产线的激光打标机器及时调整和维修，从而大大降低企业的废品率，节约生产成本，提高产品的生产效率。

3结论

激光打标产品在线检测分析系统通过相机采集图像，并由配套开发的图像处理分析软件进行产品分析，得出产品的精确质量信息，再通过计算机控制其余各部分部分的协同工作，实现了激光打标产品的实时可靠检测，并能对不同缺陷类型的产品进行自动分类，有效的解决了现在企业生产中人工检测精度低，效率低，检测难度大，检测成本高的问题。

参考文献

[1] 郑义，陈兴海，赵曰峰.在线激光打标系统综述[J].中国电子商情.2003.05.

作者简介

（1992―），男，汉族，河南周口，学生，研究方向：检测技术与自动化装置。