CN111598836A - 一种基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统及方法，该系统包括工控机、光学平台以及CCD工业相机，CCD工业相机安装在龙门架上，龙门架安装在光学平台上，光学平台上固定有两个支撑柱，两个支撑柱上分别固定有电动平移台，两电动平移台的电动轴的轴心线平行，两电动平移台上分别支撑有用于夹持光纤的光纤夹具，光纤的两端分别夹持在两光纤夹具上，工控机利用工业相机拍摄光纤当前位置，计算当前位置与目标位置的偏差距离并控制电动平移台移动，调整光纤至目标位置，实时检测光纤反馈偏差进行反复微调，将偏差值控制在精度范围内，本发明可自动调整光纤至CCD拍摄区域的目标位置，满足了调整精度要求，实现了全自动化调整。

Description

一种基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤调整领域，尤其涉及一种基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统及方法。

背景技术

现有的光纤调整设备是通过相机拍摄放大光纤成像，手动调整光纤夹具使光纤在人眼视觉上处于水平、正中的位置。

但这种方式主要通过肉眼识别位置，调整精度较差，无反馈机制，调节后的位置不可控，生产效率不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统及方法，可自动调整光纤至区域的正中位置，提高了调整精度，实现全自动化调整，提高了生产效率。

本发明是这样实现的：本发明公开了一种基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统，包括工控机、光学平台以及用于拍摄光纤图像的CCD工业相机，所述CCD工业相机安装在龙门架上，所述龙门架安装在光学平台上，所述光学平台上固定有两个支撑柱，两个支撑柱上分别固定有电动平移台，两电动平移台上的电动轴的轴心线平行，两电动平移台上分别支撑有用于夹持光纤的光纤夹具，所述光纤夹具与电动平移台上的电动轴固定连接，所述CCD工业相机用于将拍摄的光纤图像传递给工控机，所述工控机利用工业相机拍摄光纤位置，计算偏差距离并控制电动平移台调整光纤至校正位置，实时检测光纤反馈偏差进行反复微调，将偏差值控制在精度范围内。

进一步地，所述CCD工业相机与工控机连接，所述电动平移台与运动控制器连接，所述运动控制器与工控机连接，所述运动控制器用于接受工控机的指令信号，控制电动平移台的电动轴移动，带动光纤夹具移动。

进一步地，所述CCD工业相机的相机镜头朝下设置，CCD工业相机的相机镜头位于光纤上方。当然，也可以将工控机替换成其他设备，可以获取CCD工业相机当前拍摄的光纤图像，并运行基于机器视觉的光纤位置和角度调整的方法的步骤即可。

进一步地，CCD工业相机的相机镜头上安装有环形灯。

进一步地，所述CCD工业相机安装在CCD调节机构上，通过CCD调节机构带动CCD工业相机移动，调整CCD工业相机拍摄光纤的位置，所述CCD调节机构安装在龙门架上。

本发明公开了一种基于机器视觉的光纤位置和角度调整的方法，包括如下步骤：进行角度调整，使光纤角度在设定目标角度精度范围内，具体包括：获取CCD工业相机当前拍摄的光纤图像，对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘在相机坐标系中与X轴的夹角θ1、θ2，进一步计算得到光纤中线与X轴的当前夹角θ，然后与目标夹角θm进行对比计算后控制光纤两端电动轴反方向位移，进行一次粗调，粗调过后光纤中线与X轴夹角θ已非常接近θm，此时需要判断θ与θm之间偏差是否在允许精度范围内，如果不在，则进行反馈调整，控制光纤两端电动轴朝偏差减小方向做定步长为Aμm的微量移动后再次检测光纤中线与X轴的当前夹角θ，直至θ与θm之间偏差在精度允许范围内后停止电动轴；

角度调整完后进行位置调整，具体包括：获取CCD工业相机当前拍摄的光纤图像，对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘在相机坐标系中坐标，进一步计算得到光纤中线的中点的纵坐标Y，然后与目标Ym进行对比计算后控制光纤两端电动轴同方向位移，进行一次粗调，粗调过后光纤中线位置Y已接近Ym，此时判断Y与Ym之间偏差是否在允许精度范围内，如果不在，则进行反馈调整，控制光纤两端电动轴朝偏差减小方向做定步长为Bμm的微量移动后再次检测光纤中线的中点的纵坐标Y，直至Y与Ym之间偏差在精度允许范围内后停止电动轴。

进一步地，对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘在相机坐标系中与X轴的夹角θ1、θ2，进一步计算得到光纤中线与X轴的当前夹角θ，计算公式为：

进一步地，对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘的中点在相机坐标系中的纵坐标Y1、Y2，进一步计算得到光纤中线的中点的纵坐标Y，计算公式为：

进一步地，在控制CCD工业相机拍摄光纤图像之前，调整CCD工业相机的位置，使CCD工业相机拍摄到光纤的中间部分。

本发明的有益效果为：本发明针对现有光纤调整设备操作使用及精度问题，将光纤夹具装持在电动平移台的电动轴上，利用工控机和软件程序，将光纤调整过程自动化。并利用高像素工业相机拍摄光纤位置，计算偏差距离并快速调整至校正位置，实时检测光纤反馈偏差进行反复微调，将偏差值控制在精度范围内。采用本发明的系统配合本发明的方法在某些工序场合中需要重复夹持光纤，可自动调整光纤至区域的正中位置，位置精度±1μm，角度精度±0.005°，提高了调整精度，实现全自动化调整，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统的结构示意图；

图2为本发明角度调整时两电动轴之间夹持光纤的示意图；

图3为本发明图2的工业相机拍摄光纤图像区域I放大示意图；

图4为为本发明角度调整示意图(图中只画出光纤中线)；

图5为本发明位置调整示意图(图中只画出光纤中线)。

附图中，1为光学平台，2为右支撑柱，3为光纤，31为光纤中心线，32为光纤上边线，33为光纤下边线，4为左光纤夹具，5为左支撑柱，6为左电动平移台，7为龙门架，8为CCD水平调节机构，9为CCD垂直调节机构，10为CCD工业相机，11为相机镜头，12为环形灯，13为右电动平移台，14为右光纤夹具。

具体实施方式

本实施例公开了一种下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

参见图1，本实施例公开了一种基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统，包括工控机、光学平台1以及用于拍摄光纤图像的CCD工业相机10，所述CCD工业相机10安装在龙门架7上，所述龙门架7安装在光学平台1上，所述光学平台1上固定有两个支撑柱，分别为左支撑柱5和右支撑柱2，左支撑柱5上固定有左电动平移台6，右支撑柱2上固定有右电动平移台13，左电动平移台6上的电动轴的轴心线与右电动平移台13上的电动轴的轴心线平行(左电动平移台6上的电机的动力输出轴轴心线与右电动平移台13上的电机的动力输出轴轴心线平行)，左电动平移台6上支撑有左光纤夹具4，左电动平移台6上的电动轴与左光纤夹具4固定连接，右电动平移台13上支撑有右光纤夹具14，右电动平移台13上的电动轴与右光纤夹具14固定连接，光纤的一端夹持在左光纤夹具4上，光纤3的另一端夹持在右光纤夹具14上，左光纤夹具4、右光纤夹具14用于夹持待调整光纤，并使光纤具有一定张力，防止后面光纤调整后出现松弛。左电动平移台6、右电动平移台13用于调整光纤的位置和角度，左电动平移台6、右电动平移台13同向移动时使光纤平动，可以调整光纤位置，左电动平移台6、右电动平移台13反向移动时使光纤旋转，可以调整光纤角度。

光纤夹具与电动平移台滑动配合。所述电动平移台上的电动轴与光纤夹具固定连接，通过电动轴带动光纤夹具沿电动轴的轴向移动，从而带动光纤移动。电动平移台用于支撑光纤夹具，并给光纤夹具提供导向作用。如光纤夹具的下端面设有凹槽，电动平移台的上端设有凸台，光纤夹具下端面的凹槽与电动平移台的凸台配合，实现光纤夹具的导向。

所述CCD工业相机10用于将拍摄的光纤图像传递给工控机，所述工控机利用工业相机拍摄光纤当前位置，计算当前位置与目标位置的偏差距离并控制电动平移台移动，调整光纤至目标位置，实时检测光纤反馈偏差进行反复微调，将偏差值控制在精度范围内，本发明可自动调整光纤至CCD拍摄区域的目标位置，满足了调整精度要求，实现了全自动化调整。

进一步地，所述CCD工业相机10与工控机连接，所述电动平移台与运动控制器连接，所述运动控制器与工控机连接，所述运动控制器用于接受工控机的指令信号，控制电动平移台的电动轴移动，带动光纤夹具移动。本实施例的左电动平移台6、右电动平移台13分别通过运动控制器控制，运动控制器与工控机用以太网连接；本实施例的CCD工业相机10为USB3.0相机，插在工控机的USB3.0口。

所述CCD工业相机10的相机镜头11朝下设置，CCD工业相机10的相机镜头11位于光纤上方。相机镜头11用于调整相机放大倍数，使得拍摄到的光纤图像清晰，像素足够，保证调整精度。

进一步地，CCD工业相机10的相机镜头11上安装有环形灯12，环形灯12用于提高拍摄亮度。

进一步地，所述CCD工业相机10安装在CCD调节机构上，通过CCD调节机构带动CCD工业相机10移动，调整CCD工业相机10拍摄光纤的位置，所述CCD调节机构安装在龙门架7上。

CCD调节机构包括CCD水平调节机构8和CCD垂直调节机构9，CCD水平调节机构8用于调节CCD工业相机10的水平方向位置(如根据实际需要调节CCD工业相机10的前后、左右位置)，CCD垂直调节机构9用于调节CCD工业相机10的竖直方向位置，调整时需要使CCD工业相机10拍摄到光纤的中间部分，以便提高光纤角度调整效率。

本实施例的CCD工业相机10夹持在CCD夹持装置上，CCD夹持装置固定在CCD垂直调节机构9上，CCD垂直调节机构9包括竖直设置的第一竖直板和第二竖直板，CCD水平调节机构8包括水平设置的第一水平板、第二水平板，CCD垂直调节机构9的第一竖直板与第二竖直板滑动配合，并通过螺栓固定连接。CCD垂直调节机构9的第一竖直板、第二竖直板的相对面分别设有相互配合的滑槽、滑轨。CCD竖直调节机构相互配合的滑轨、滑槽的横截面为梯形，最好是等腰，使第一竖直板、第二竖直板不能沿水平方向脱开。通过滑动第一竖直板与第二竖直板调整CCD竖直方向的位置，位置调整后通过螺栓将第一竖直板与第二竖直板固定连接。

CCD水平调节机构8的第一水平板与第二水平板滑动配合，并通过螺栓固定连接。CCD水平调节机构8的第一水平板、第二水平板的相对面分别设有相互配合的滑槽、滑轨。CCD水平调节机构8相互配合的滑轨、滑槽的横截面为梯形，最好是等腰，使第一水平板、第二水平板不能沿竖直方向脱开。通过滑动第一水平板与第二水平板调整CCD水平方向的位置，位置调整后通过螺栓将第一水平板与第二水平板固定连接。

CCD夹持装置与CCD垂直调节机构9的第一竖直板固定连接，松开连接第一竖直板与第二竖直板之间的螺栓，CCD垂直调节机构9的第一竖直板可以沿第二竖直板沿竖直方向上下移动，从而带动CCD工业相机10沿竖直方向上下移动。CCD垂直调节机构9的第二竖直板与CCD水平调节机构8的第一水平板固定连接。松开连接第一水平板与第二水平板之间的螺栓，CCD水平调节机构8的第一水平板可以沿第二水平板沿水平方向前后移动，从而带动CCD垂直调节机构9、CCD工业相机10整体向前后移动。CCD水平调节机构8的第二水平板固定在龙门架7的上端。如果需要CCD工业相机10沿水平方向左右移动，则采用与CCD水平调节机构8相同的结构，只需调整两块水平板的滑动方向即可。

本发明的光纤调整步骤为：

1)安装光纤。将光纤安装在左/右光纤夹具上，安装时需保证光纤有一定张力。

2)调整前准备。调整CCD水平调节机构及CCD垂直调节机构使CCD可以拍摄到光纤中间位置。

3)调整相机镜头使光纤放大到合适倍数且清晰。

4)粗调光纤角度。根据CCD拍摄到的光纤图片在工控机上做图像处理并检测出光纤的上下边缘，根据检测的边缘计算出光纤与相机坐标系之间的角度，根据检测的角度和目标角度之间的差值计算出左/右电动平移台所需要的位移量并控制平移台移动到目标位置。

5)精调光纤角度。经过角度粗调之后光纤已经基本到达目标角度，但可能还不在精度范围内。此时利用反馈不停地检测光纤角度并控制左/右电动平移台做相应微量位移最终使光纤调整到目标角度精度范围内。

6)粗调光纤位置。根据CCD拍摄到的光纤图片在工控机上做图像处理并检测出光纤的上下边缘，根据检测的边缘计算出光纤中心在相机坐标中的位置，根据检测的位置和目标位置之间的差值计算出左/右电动平移台所需要的位移量并控制平移台移动到目标位置。

7)精调光纤位置。经过位置粗调之后光纤已经基本到达目标位置，但可能还不在精度范围内。此时利用反馈不停地检测光纤中心位置并控制左/右电动平移台做相应微量位移最终使光纤调整到目标位置精度范围内。

8)调整结束，停止对光纤图片做边缘检测处理。

实施例二

参见图1至图5，本实施例公开了一种基于机器视觉的光纤位置和角度调整的方法，包括如下步骤：

获取CCD工业相机当前拍摄的光纤图像，参见图2，光纤两端电动轴之间的水平方向间距为L，光纤中心偏移角度为θ，角度校准需调整的位移量为C1，

进行角度调整，使光纤角度在设定目标角度精度范围内，具体包括：获取CCD工业相机当前拍摄的光纤图像，对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘在相机坐标系中与X轴的夹角θ1、θ2，进一步计算得到光纤中线与X轴的当前夹角θ，然后与目标夹角θm进行对比计算后控制光纤两端电动轴反方向位移进行一次粗调，粗调过后光纤中线与X轴夹角θ已非常接近θm，此时需要判断θ与θm之间偏差是否在允许精度范围(如本实施例允许精度范围设定为±0.005°，可以根据需要进行调整)内，如果不在，需要做反馈调整，控制光纤两端电动轴朝偏差减小方向做定步长Aμm(反向)微量移动后再次检测θ直至θ与θm之间偏差在精度允许范围内后停止电动轴。本实施例距离A为1μm；当然，距离A不仅仅限于3μm，可以根据需要进行调整。

角度调整完后进行位置调整，具体包括：获取CCD工业相机当前拍摄的光纤图像，对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘在相机坐标系中坐标，进一步计算得到光纤中线的中点的纵坐标Y，然后与目标Ym进行对比计算后控制两端电动轴同方向位移进行一次粗调，粗调过后光纤中线位置Y已接近Ym，此时需要判断Y与Ym之间偏差是否在允许精度范围(如本实施例允许精度范围设定为±1μm，可以根据需要进行调整)内，如果不在，需要做反馈调整，控制两端电动轴朝偏差减小方向做定步长Bμm(同向)微量移动后再次检测直至Y与Ym之间偏差在精度允许范围内后停止电动轴。

进一步地，对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘在相机坐标系中与X轴的夹角θ1、θ2，进一步计算得到光纤中线与X轴的当前夹角θ，计算公式为：

进一步地，对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘的中点在相机坐标系中的纵坐标Y1、Y2，进一步计算得到光纤中线的中点的纵坐标Y，计算公式为：

进一步地，在控制CCD工业相机拍摄光纤图像之前，调整CCD工业相机的位置，使CCD工业相机拍摄到光纤的中间部分。

本发明利用工业相机实时读取光纤位置，通过通讯线结合工控机软件程序监控光纤的位置成像，截取光纤的两边界线的位置作为与基准线计算之间的实时计算并显示与基点相对位置和角度，与设备精度值做比较，提供反馈值进行重复微调，直至达到精度要求。采用本发明的系统配合本发明的方法提高了调整精度，实现全自动化调整，提高了生产效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统，其特征在于：包括工控机、光学平台以及用于拍摄光纤图像的CCD工业相机，所述CCD工业相机安装在龙门架上，所述龙门架安装在光学平台上，所述光学平台上固定有两个支撑柱，两个支撑柱上分别固定有电动平移台，两电动平移台上的电动轴的轴心线平行，两电动平移台上分别支撑有用于夹持光纤的光纤夹具，所述光纤夹具与电动平移台上的电动轴固定连接，所述CCD工业相机用于将拍摄的光纤图像传递给工控机，所述工控机利用工业相机拍摄光纤当前位置，计算当前位置与目标位置的偏差距离并控制电动平移台移动，调整光纤至目标位置，实时检测光纤反馈偏差进行反复微调，将偏差值控制在精度范围内。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统，其特征在于：所述CCD工业相机与工控机连接，所述电动平移台与运动控制器连接，所述运动控制器与工控机连接，所述运动控制器用于接受工控机的指令信号，控制电动平移台的电动轴移动，带动光纤夹具移动。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统，其特征在于：所述CCD工业相机的相机镜头朝下设置，CCD工业相机的相机镜头位于光纤上方；CCD工业相机的相机镜头上安装有环形灯。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的光纤位置和角度调整的系统，其特征在于：所述CCD工业相机安装在CCD调节机构上，通过CCD调节机构带动CCD工业相机移动，调整CCD工业相机拍摄光纤的位置，所述CCD调节机构安装在龙门架上。

5.一种基于机器视觉的光纤位置和角度调整的方法，其特征在于，包括如下步骤：

进行角度调整，使光纤角度在设定目标角度精度范围内，具体包括：获取CCD工业相机当前拍摄的光纤图像，对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘在相机坐标系中与X轴的夹角θ1、θ2，进一步计算得到光纤中线与X轴的当前夹角θ，然后与目标夹角θm进行对比计算后控制光纤两端电动轴反方向位移，进行一次粗调，粗调过后光纤中线与X轴夹角θ已非常接近θm，此时需要判断θ与θm之间偏差是否在允许精度范围内，如果不在，则进行反馈调整，控制光纤两端电动轴朝偏差减小方向做定步长为Aμm的微量移动后再次检测光纤中线与X轴的当前夹角θ，直至θ与θm之间偏差在精度允许范围内后停止电动轴；

角度调整完后进行位置调整，具体包括：获取CCD工业相机当前拍摄的光纤图像，对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘在相机坐标系中坐标，进一步计算得到光纤中线的中点的纵坐标Y，然后与目标Ym进行对比计算后控制光纤两端电动轴同方向位移，进行一次粗调，粗调过后光纤中线位置Y已接近Ym，此时判断Y与Ym之间偏差是否在允许精度范围内，如果不在，则进行反馈调整，控制光纤两端电动轴朝偏差减小方向做定步长为Bμm的微量移动后再次检测光纤中线的中点的纵坐标Y，直至Y与Ym之间偏差在精度允许范围内后停止电动轴。

6.根据权利要求5所述的基于机器视觉的光纤位置和角度调整的方法，其特征在于：对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘在相机坐标系中与X轴的夹角θ1、θ2，进一步计算得到光纤中线与X轴的当前夹角θ，计算公式为：

7.根据权利要求5所述的基于机器视觉的光纤位置和角度调整的方法，其特征在于：对光纤图像做边缘检测计算得到光纤上、下边缘的中点在相机坐标系中的纵坐标Y1、Y2，进一步计算得到光纤中线的中点的纵坐标Y，计算公式为：

8.根据权利要求5所述的基于机器视觉的光纤位置和角度调整的方法，其特征在于：在控制CCD工业相机拍摄光纤图像之前，调整CCD工业相机的位置，使CCD工业相机拍摄到光纤的中间部分。

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