CN114046741B - 瓶状容器尺寸智能视觉检测方法及其检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瓶状容器尺寸智能视觉检测方法及其检测系统，包括以下步骤：S1、将被测容器放置在初始测量位置上；S2、顶激光传感器测量总高度；S3、顶视觉监测相机获得该瓶口在测量平台中的圆心坐标及瓶口内径；S4、定位夹爪移至被测容器瓶口内,将被测容器夹持；S5、自由度监测系统将被测容器分别移至关键尺寸测量位置与外形测量位置对被测容器进行尺寸检测；S6、定位夹爪将被测容器移至初始测量位置，并释放被测容器；S7、自由度监测系统回归零位，完成对瓶状容器尺寸的检测，采用激光测距和图像检测相结合的数控光学测量方法，解决了精度和效率的矛盾，实现检测速度提高的同时，满足高精度测量。

Description

瓶状容器尺寸智能视觉检测方法及其检测系统

技术领域

本发明涉及一种瓶状容器尺寸智能视觉检测方法及其检测系统。

背景技术

目前针对瓶状容器的常规测量技术，主要是两种，一种是人工通过卡尺测量，即人工目测和采用传统量具，如游标卡尺等工具的测量方法。测量速度和精度因人而异，检测硬件成本低，但人工成本高，并且受限于人员熟练程度，重复性与再现性差，检测重复精度低，基本有0.05-0.1mm的误差，对于螺距尺寸更是无法测量。

另一种是人工采用三坐标测量机进行测量，精度较高，可控制在0.01mm 误差以内，但速度慢，预计测量时间超过10分钟，另外，三坐标的测量操作对人员技术要求高，测量截面越多，操作工时越长，并且对于不同型号的被测容器测量时，都需要重新进行三坐标寻点，操作不便，人工耗费巨大，不适合生产需求，只适合在实验室个别验证时采用。

被测容器，如塑料瓶的尺寸，其瓶口、瓶身尺寸较多，包括瓶口高度、瓶口内径、瓶口防盗齿高度、瓶口防盗齿直径、瓶口外螺纹大直径、瓶口外螺纹底直径、螺距、瓶口螺纹起始点高度、瓶口缺陷、瓶身最大直径、瓶身高度、瓶身缺陷等都是需要检测的，特别是螺纹起始点高度是难以测量的参数。而现有设备中没有设备能够对以上所有测量要素一次性全部测量，测量具有局限性。另外检测的精度与效率本身是一对矛盾，满足高精度的情况下，检测速度较慢。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种瓶状容器尺寸智能视觉检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种瓶状容器尺寸智能视觉检测方法,具体包括以下步骤：

S1、将被测容器放置在设定有世界坐标系原点的测量平台的初始测量位置上；

S2、将位于零位的自由度监测系统的顶激光传感器移至初始测量位置上方测量总高度L，根据总高度L获得被测容器的型号；

S3、将自由度监测系统的顶视觉监测相机移至初始测量位置上方采集瓶口俯视图像，从而获得该瓶口在测量平台中的圆心坐标及瓶口内径，并对瓶口缺陷进行检测；

S4、将自由度监测系统的定位夹爪移至被测容器瓶口内,将被测容器夹持；

S5、自由度监测系统将被测容器分别移至关键尺寸测量位置与外形测量位置对被测容器进行尺寸检测，

在关键尺寸测量位置下，定位夹爪带动被测容器的瓶口在测量平台相对两侧并对射的第一侧激光传感器与第二侧激光传感器之间沿Z轴方向直线运动，采集瓶口外螺纹大直径、瓶口外螺纹底直径、螺距，螺距为瓶口的上下两个外螺纹之间的Z轴光栅位移数据，定位夹爪带动被测容器的瓶身沿Z轴方向移至测量平台相对两侧并对射的第一侧激光传感器与第二侧激光传感器之间，定位夹爪带动被测容器沿Y轴方向直线运动，采集瓶身最大直径；

在外形测量位置下，定位夹爪将被测容器移至正对着设置于测量平台一侧的侧视觉监测相机，定位夹爪带动被测容器沿ω轴旋转，或者,再结合X轴、Y轴、与/或Z轴方向直线运动实时变换被测容器的位置与姿态，侧视觉监测相机采集瓶口及瓶身图像，获得瓶口螺纹起始点高度，并对瓶身缺陷进行检测；

S6、定位夹爪将被测容器移至初始测量位置，并释放被测容器；

S7、自由度监测系统回归零位，完成对瓶状容器尺寸的检测。

在某些实施方式中，在步骤S5中的关键尺寸测量位置下，还具有定位夹爪带动被测容器沿ω轴旋转，对瓶口防盗齿直径进行测量的步骤。

在某些实施方式中，在步骤S6中，在回归初始测量位置下，自由度监测系统的顶激光传感器移至被测容器上方测量瓶口高度、瓶口防盗齿高度。

在某些实施方式中，瓶口高度为总高度L与瓶身高度的差值，瓶口防盗齿高度为瓶口防盗齿所在高度与瓶身高度的差值。

在某些实施方式中，在步骤S5中的关键尺寸测量位置下，定位夹爪带动被测容器的瓶口在测量平台相对两侧并对射的第一侧激光传感器与第二侧激光传感器之间沿Z轴方向直线运动，并且定位夹爪带动被测容器沿ω轴旋转，采集瓶口高度以及瓶口防盗齿高度。

在某些实施方式中，在步骤S5中的外形测量位置下，侧视觉监测相机采集瓶口图像，获得瓶口高度以及瓶口防盗齿高度。

在某些实施方式中，直径d计算公式为：d=D-(B+C)，D为第一侧激光传感器与第二侧激光传感器之间的距离，B为第一侧激光传感器至被测容器的距离，C为第二侧激光传感器至被测容器的距离。

本发明要解决的又一技术问题是提供一种瓶状容器尺寸智能视觉检测系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种瓶状容器尺寸智能视觉检测系统，专用于实施上述任一技术方案的瓶状容器尺寸智能视觉检测方法，包括机架、设置在所述机架上的测量平台、电控系统，还包括位于所述测量平台相对两侧并对射的第一侧激光传感器与第二侧激光传感器、设置于所述测量平台同一侧的至少一个侧视觉监测相机、位于所述测量平台上方的自由度监测系统、设置于所述机架上用于控制所述自由度监测系统沿X Y Z三轴任意直线方向移动的伺服机构，所述伺服机构包括用于检测所述自由度监测系统在Z轴上位移的Z轴光栅，所述自由度监测系统包括监测架，还包括设置于所述监测架上且分别向下对着所述测量平台的顶激光传感器、顶视觉监测相机，还包括设置于所述监测架上具有以自身中心线作为ω轴旋转设置的定位夹爪，所述ω轴的轴心线垂直于所述测量平台。

在某些实施方式中，所述侧视觉监测相机具有两个，分别为上下设置的侧上视觉监测相机与侧下视觉监测相机，其中，侧上视觉监测相机正对着被测容器的瓶口。

在某些实施方式中，所述顶激光传感器相对所述监测架的安装位置，对应步骤S3中所述顶视觉监测相机移至初始测量位置的路径。

本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提供一种瓶状容器尺寸智能视觉检测方法及其检测系统,位于顶部的顶视觉监测相机在移向瓶状容器采集圆心坐标及内径的过程中，顶激光传感器先经过该瓶状容器直接通过瓶状容器的总高度得出其型号。对于瓶状容器横向所有直径等尺寸都能通过测量平台相对两侧并对射的第一侧激光传感器与第二侧激光传感器配合Z轴移动完成检测，并能通过Z轴光栅直接得出螺距等高度尺寸。对于瓶身缺陷、瓶口缺陷、螺纹起始点高度等都可通过图像检测来完成。采用激光测距和图像检测相结合的数控光学测量方法，解决了精度和效率的矛盾，实现检测速度提高的同时，满足高精度测量。非接触、智能化、精度高、适应性强。使得在功能、精度、效率、品种、操作、成本六个方面获得优化平衡。是一项多技术综合应用、多种尺寸测量目标一次完成的快速测量方法。

附图说明

图1为瓶状容器尺寸智能检测系统结构示意图；

图2为瓶口各尺寸检测示意图；

图3为瓶身各尺寸检测示意图；

图4为螺纹起始点高度测量及瓶身缺陷检测示意图；

图5为瓶口内径、圆心坐标检测示意图；

图6为瓶口外螺纹大直径、瓶口外螺纹底直径示意图；

图7为瓶口防盗齿直径、瓶口内径示意图；

图8为电控系统示意图；

图9为瓶状容器尺寸智能视觉检测方法流程图；

其中: 1、被测容器；2、测量平台；3、自由度监测系统；31、顶激光传感器；32、顶视觉监测相机；33、定位夹爪；4、第一侧激光传感器；5、第二侧激光传感器；6、侧视觉监测相机；61、侧上视觉监测相机；62、侧下视觉监测相机；d1、瓶口内径；d2、瓶身最大直径；d3、瓶口外螺纹大直径；d4、瓶口外螺纹底直径；d5、瓶口防盗齿直径。

具体实施方式

一种瓶状容器尺寸智能视觉检测方法,具体包括以下步骤：

S1、将被测容器1放置在设定有世界坐标系原点的测量平台2的初始测量位置上；

S2、将位于零位的自由度监测系统3的顶激光传感器31移至初始测量位置上方测量总高度L，根据总高度L获得被测容器1的型号；

S3、将自由度监测系统3的顶视觉监测相机32移至初始测量位置上方采集瓶口俯视图像，从而获得该瓶口在测量平台2中的圆心坐标及瓶口内径d1，并对瓶口缺陷进行检测；

S4、将自由度监测系统3的定位夹爪33移至被测容器瓶口内,将被测容器1夹持；

S5、自由度监测系统3将被测容器1分别移至关键尺寸测量位置与外形测量位置对被测容器1进行尺寸检测，

在关键尺寸测量位置下，定位夹爪33带动被测容器1的瓶口在测量平台2相对两侧并对射的第一侧激光传感器4与第二侧激光传感器5之间沿Z轴方向直线运动，采集瓶口外螺纹大直径d3、瓶口外螺纹底直径d4、螺距，螺距为瓶口的上下两个外螺纹之间的Z轴光栅位移数据，定位夹爪33带动被测容器1的瓶身沿Z轴方向移至测量平台2相对两侧并对射的第一侧激光传感器4与第二侧激光传感器5之间，定位夹爪33带动被测容器1沿Y轴方向直线运动，采集瓶身最大直径d2；

在外形测量位置下，定位夹爪33将被测容器1移至正对着设置于测量平台2一侧的侧视觉监测相机6，定位夹爪33带动被测容器1沿ω轴旋转，或者,再结合X轴、Y轴、与/或Z轴方向直线运动实时变换被测容器1的位置与姿态，侧视觉监测相机6采集瓶口及瓶身图像，获得瓶口螺纹起始点高度，并对瓶身缺陷进行检测；

S6、定位夹爪33将被测容器1移至初始测量位置，并释放被测容器1；

S7、自由度监测系统3回归零位，完成对瓶状容器尺寸的检测。

在步骤S5中的关键尺寸测量位置下，还具有定位夹爪33带动被测容器1沿ω轴旋转，对瓶口防盗齿直径d5进行测量的步骤。

瓶口内径d1、瓶身最大直径d2、瓶口外螺纹大直径d3、瓶口外螺纹底直径d4、瓶口防盗齿直径d5的计算均按照以下公式：直径d计算公式为：d=D-(B+C)，D为第一侧激光传感器与第二侧激光传感器之间的距离，B为第一侧激光传感器至被测容器的距离，C为第二侧激光传感器至被测容器的距离。

测量瓶口高度、瓶口防盗齿高度可以采用多种方法，以下为其中的三种方法：

实施例一为本发明采用的实施方案，在步骤S6中，在回归初始测量位置下，自由度监测系统3的顶激光传感器31移至被测容器1上方测量瓶口高度、瓶口防盗齿高度。瓶口高度为总高度L与瓶身高度的差值，瓶口防盗齿高度为瓶口防盗齿所在高度与瓶身高度的差值。

实施例二，在步骤S5中的关键尺寸测量位置下，定位夹爪33带动被测容器1的瓶口在测量平台2相对两侧并对射的第一侧激光传感器4与第二侧激光传感器5之间沿Z轴方向直线运动，并且定位夹爪33带动被测容器1沿ω轴旋转，采集瓶口高度以及瓶口防盗齿高度。

实施例三，在步骤S5中的外形测量位置下，侧视觉监测相机6采集瓶口图像，获得瓶口高度以及瓶口防盗齿高度。

如图1所示，一种瓶状容器尺寸智能视觉检测系统，专用于实施上述任一技术方案的瓶状容器尺寸智能视觉检测方法，包括机架、设置在所述机架上的测量平台2、电控系统，还包括位于所述测量平台2相对两侧并对射的第一侧激光传感器4与第二侧激光传感器5、设置于所述测量平台2同一侧的至少一个侧视觉监测相机6、位于所述测量平台2上方的自由度监测系统3、设置于所述机架上用于控制所述自由度监测系统3沿X Y Z三轴任意直线方向移动的伺服机构，所述伺服机构包括用于检测所述自由度监测系统3在Z轴上位移的Z轴光栅，所述自由度监测系统3包括监测架，还包括设置于所述监测架上且分别向下对着所述测量平台的顶激光传感器31、顶视觉监测相机32，还包括设置于所述监测架上具有以自身中心线作为ω轴旋转设置的定位夹爪33，所述ω轴的轴心线垂直于所述测量平台2。

所述侧视觉监测相机6具有两个，分别为上下设置的侧上视觉监测相机61与侧下视觉监测相机62，其中，侧上视觉监测相机61正对着被测容器的瓶口。

所述顶激光传感器31相对所述监测架的安装位置，对应步骤S3中所述顶视觉监测相机32移至初始测量位置的路径。

如图8所示，电控系统为数控领域常用技术，通常包括工控机、用于将各路传感信号传输给工控机再将工控机发出的信号反馈给光源、激光控制、伺服控制的综合接口。

顶视觉监测相机与顶激光传感器配合完成被测容器的精确定位，顶视觉监测相机完成瓶口内径d1的测量、瓶口缺陷检测；顶激光传感器完成瓶口防盗齿高度、瓶口高度等测量；第一侧激光传感器与第二侧激光传感器完成瓶口外螺纹大直径d3、瓶口外螺纹底直径d4、瓶口防盗齿直径d5，并配合Z轴光栅检测螺距等尺寸的测量；侧上视觉监测相机与侧下视觉监测相机完成瓶身缺陷检测，其中侧上视觉监测相机担负螺纹起始点高度测量；定位夹爪配合测量目的实时变换被测容器位置和姿态。Z轴光栅是光栅传感器，是尺寸检测基元，光栅传感器是精密位移测量器件，用栅距被细分成亚微米级的脉冲为最小单位，累积测量移动位移。

顶激光传感器、第一侧激光传感器、第二侧激光传感器采用的是三角测距原理。

顶视觉监测相机、侧上视觉监测相机、侧下视觉监测相机均为面阵相机，面阵相机原理是二维多点像素成像，标定像素距离和被测物尺寸的关系从而确定被测物尺寸。

被测容器放置在规定区域后，一键启动检测，如图9所示，流程图中各步骤自动完成。

顶激光传感器测量被测容器总高度L，启动检测后首先对被测容器总高度L进行检测，可以自动判别被测容器的型号，以防止放错或选错被测件；再结合面阵相机的标定工作距离K将检测装置沿着Z轴方向移动至L+K的位置，使相机对焦到瓶口处。

在设定平台空间内，完成对平台空间内物件的位置及跟踪等是已知技术，本发明利用了该已知技术，通过顶视觉监测相机采集测量平台内的瓶状容器的圆心，处理分析瓶口内径d1。操作时，控制打开光源，完成图像采集，在此基础上完成瓶口内径d1的测量并根据预先标定的X、Y轴方向上的像素分辨率计算得到瓶口的三维坐标。对被测容器瓶口内径d1的图像采集工位，同样，对图像需要滤波、分割，对直径的信息计算。计算方法，可采用特征点霍夫变换算法或最小二乘法识别内径元，将最有可能是该圆上的点拟合成最接近目标圆，则获得该圆的圆心、直径等参数。

定位夹爪根据瓶口的三维坐标完成对被测容器的夹持并进行校准。定位夹爪为现有技术，为现有的伸入瓶口内的夹持结构。

根据顶视觉监测相机获得的位置信息，伺服机构控制定位夹爪提起被测容器并获得测量位置。第一侧激光传感器与第二侧激光传感器组成的光尺进行测量，测量时，被测容器在第一侧激光传感器与第二侧激光传感器之间沿Z轴运动，第一侧激光传感器与第二侧激光传感器扫描距离信息，同时，Z轴光栅信号触发数据采集卡采集第一侧激光传感器与第二侧激光传感器的距离数据，变换测量截面时，定位夹爪以自身中心线作为ω轴旋转一定角度，这样获得多个截面上的直径信息，测量更准确。

螺距的测量方法则是第一侧激光传感器与第二侧激光传感器在X轴方向的距离信息和Z轴光栅位移的数据融合获得。

在一定高度位置上，Y轴运动扫描获得最高点信息，检测被测容器瓶身直径。

螺纹起始点高度是难以测量的参数，如果用点激光传感很难快速找到螺纹起始点，势必拉长测量时间。因此采用图像检测方法，在一定的高度和相机聚焦面位置上，将螺纹起始点转动到成像面，采集图像进行处理。图像检测大体分成以下几个步骤：图像采集、图像滤波、图像分割、特征提取、分析计算等。

本发明能够对直径、高度、螺距、缺陷等不同性质的项目进行检测，且需要在不同的位置和截面进行；精度小于公差的1/4；所有尺寸和缺陷检测在180秒内；适合圆形、方形，150毫升到20升大小的容器；一键完成检测；成本低。

测量方法上综合性强，且有创新，解决了现有技术一机不能全部覆盖的问题。在测量速度上优于现有技术，在测量精度上相较于人工测量有了较大的提升，能够准确地测量出不同规格的螺纹尺寸、螺纹起始点高度等。测量的绝对精度能够达到0.05mm，重复精度能够达到0.02mm，在实际生产应用中具有良好的可行性。很好地解决了精度和速度的矛盾。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种瓶状容器尺寸智能视觉检测方法,其特征在于：具体包括以下步骤：

S1、将被测容器（1）放置在设定有世界坐标系原点的测量平台（2）的初始测量位置上；

S2、将位于零位的自由度监测系统（3）的顶激光传感器（31）移至初始测量位置上方测量总高度L，根据总高度L获得被测容器（1）的型号；

S3、将自由度监测系统（3）的顶视觉监测相机（32）移至初始测量位置上方采集瓶口俯视图像，从而获得该瓶口在测量平台（2）中的圆心坐标及瓶口内径，并对瓶口缺陷进行检测；

S4、将自由度监测系统（3）的定位夹爪（33）移至被测容器瓶口内,将被测容器（1）夹持；

S5、自由度监测系统（3）将被测容器（1）分别移至关键尺寸测量位置与外形测量位置对被测容器（1）进行尺寸检测，

在关键尺寸测量位置下，定位夹爪（33）带动被测容器（1）的瓶口在测量平台（2）相对两侧并对射的第一侧激光传感器（4）与第二侧激光传感器（5）之间沿Z轴方向直线运动，采集瓶口外螺纹大直径、瓶口外螺纹底直径、螺距，螺距为瓶口的上下两个外螺纹之间的Z轴光栅位移数据，定位夹爪（33）带动被测容器（1）的瓶身沿Z轴方向移至测量平台（2）相对两侧并对射的第一侧激光传感器（4）与第二侧激光传感器（5）之间，定位夹爪（33）带动被测容器（1）沿Y轴方向直线运动，采集瓶身最大直径；

在外形测量位置下，定位夹爪（33）将被测容器（1）移至正对着设置于测量平台（2）一侧的侧视觉监测相机（6），定位夹爪（33）带动被测容器（1）沿ω轴旋转，或者,再结合X轴、Y轴、与/或Z轴方向直线运动实时变换被测容器（1）的位置与姿态，侧视觉监测相机（6）采集瓶口及瓶身图像，获得瓶口螺纹起始点高度，并对瓶身缺陷进行检测；

S6、定位夹爪（33）将被测容器（1）移至初始测量位置，并释放被测容器（1）；

S7、自由度监测系统（3）回归零位，完成对瓶状容器尺寸的检测。

2.根据权利要求1所述的瓶状容器尺寸智能视觉检测方法,其特征在于：在步骤S5中的关键尺寸测量位置下，还具有定位夹爪（33）带动被测容器（1）沿ω轴旋转，对瓶口防盗齿直径进行测量的步骤。

3.根据权利要求2所述的瓶状容器尺寸智能视觉检测方法,其特征在于：在步骤S6中，在回归初始测量位置下，自由度监测系统（3）的顶激光传感器（31）移至被测容器（1）上方测量瓶口高度、瓶口防盗齿高度。

4.根据权利要求3所述的瓶状容器尺寸智能视觉检测方法,其特征在于：瓶口高度为总高度L与瓶身高度的差值，瓶口防盗齿高度为瓶口防盗齿所在高度与瓶身高度的差值。

5.根据权利要求2所述的瓶状容器尺寸智能视觉检测方法,其特征在于：在步骤S5中的关键尺寸测量位置下，定位夹爪（33）带动被测容器（1）的瓶口在测量平台（2）相对两侧并对射的第一侧激光传感器（4）与第二侧激光传感器（5）之间沿Z轴方向直线运动，并且定位夹爪（33）带动被测容器（1）沿ω轴旋转，采集瓶口高度以及瓶口防盗齿高度。

6.根据权利要求2所述的瓶状容器尺寸智能视觉检测方法,其特征在于：在步骤S5中的外形测量位置下，侧视觉监测相机（6）采集瓶口图像，获得瓶口高度以及瓶口防盗齿高度。

7.根据权利要求1所述的瓶状容器尺寸智能视觉检测方法,其特征在于：直径d计算公式为：d=D-(B+C)，D为第一侧激光传感器与第二侧激光传感器之间的距离，B为第一侧激光传感器至被测容器的距离，C为第二侧激光传感器至被测容器的距离。

8.一种专用于实施权利要求1-7任意一项所述的瓶状容器尺寸智能视觉检测方法的瓶状容器尺寸智能视觉检测系统，包括机架、设置在所述机架上的测量平台（2）、电控系统，其特征在于：还包括位于所述测量平台（2）相对两侧并对射的第一侧激光传感器（4）与第二侧激光传感器（5）、设置于所述测量平台（2）同一侧的至少一个侧视觉监测相机（6）、位于所述测量平台（2）上方的自由度监测系统（3）、设置于所述机架上用于控制所述自由度监测系统（3）沿X Y Z三轴任意直线方向移动的伺服机构，所述伺服机构包括用于检测所述自由度监测系统（3）在Z轴上位移的Z轴光栅，所述自由度监测系统（3）包括监测架，还包括设置于所述监测架上且分别向下对着所述测量平台的顶激光传感器（31）、顶视觉监测相机（32），还包括设置于所述监测架上具有以自身中心线作为ω轴旋转设置的定位夹爪（33），所述ω轴的轴心线垂直于所述测量平台（2）。

9.根据权利要求8所述的瓶状容器尺寸智能视觉检测系统,其特征在于：所述侧视觉监测相机（6）具有两个，分别为上下设置的侧上视觉监测相机（61）与侧下视觉监测相机（62），其中，侧上视觉监测相机（61）正对着被测容器的瓶口。

10.根据权利要求8所述的瓶状容器尺寸智能视觉检测系统,其特征在于：所述顶激光传感器（31）相对所述监测架的安装位置，对应步骤S3中所述顶视觉监测相机（32）移至初始测量位置的路径。