CN207215727U - 一种曲面高精度成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种曲面高精度成像系统，包括用于载物的运动平台以及对运动平台上的产品进行拍摄的成像机构；所述的运动平台包括两个相互垂直的、可在水平方向上位移的直线电机组件，分别用作X轴和Y轴；以及，一个旋转的DD马达，用作R轴；所述的成像机构包括线阵相机、远心镜头以及成像光源；所述的线阵相机设置在远心镜头的上方，作为拍摄工具；所述的线阵相机为两台，两台线阵相机成夹角设置；远心镜头和线阵相机是一个成固定角度的结构；成像光源设置在远心镜头的下方。本实用新型使用线阵相机及三轴联动高精度插补运动简化了圆弧面的成像系统问题，有效缩短了产品检测的时间，对存在圆弧面相关产品的成像、检测起到了很大的帮助。

Description

一种曲面高精度成像系统

技术领域

本实用新型涉及曲面成像和图像处理技术领域，尤其是一种曲面高精度成像系统。

背景技术

针对曲面产品的外观检测，由于运动控制难度大，成像难度大，因此目前没有很好的解决方法能够处理曲面的成像；目前常用的方法是采用面阵相机，但是面阵相机对曲面成像特别繁琐，面阵相机需要进行3次拍摄才能拍全曲面，而且面阵相机需要很大视野，这样使成像系统比较复杂，也无法达到高精度的检测要求；特别是在R角处拍摄时，使用面阵相机不光要多次拍摄而成像效果很差，四条直边和四个R角如此复杂繁琐的成像方案导致CT时间很长，图像处理时间很长；如果要做到外观检测所有缺陷的检测条件按这样的面阵方案肯定需要很大的安装空间，要做到相机之间的拍照配合难度也比较大；如果使用高精度成像系统则成本很高；无法多角度拍摄等。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种曲面高精度成像系统，解决现有技术中面阵相机成像精度较低，拍摄次数较多，检测时间较长，光源相机安装空间较大等问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种曲面高精度成像系统，包括用于载物的运动平台以及对运动平台上的产品进行拍摄的成像机构；所述的运动平台包括两个相互垂直的、可在水平方向上位移的直线电机组件，分别用作X轴和Y轴；以及，一个旋转的DD马达，用作R轴；运动平台带动产品运动到成像机构的成像点处，确认运动轨迹并确保产品在运动时边缘的每一点都在成像机构的采图点上；所述的成像机构包括线阵相机、远心镜头以及成像光源；所述的线阵相机设置在远心镜头的上方，作为拍摄工具；所述的线阵相机为两台，两台线阵相机成夹角设置；远心镜头和线阵相机是一个成固定角度的结构；成像光源设置在远心镜头的下方。

成像机构通过外同步外触发采图，在运动过程中，运动控制系统等距给成像机构发射脉冲，每发出一个脉冲产品走的距离是相等的；产品运动到指定采图点后发送信号至成像机构，成像机构根据接收的脉冲进行采图，产品运动完整的一圈后采图结束，输出一幅完整的图像。

进一步的说，本实用新型所述的成像机构包括线阵相机、远心镜头以及成像光源；所述的成像光源是由伺服电机驱动的双工位或多工位光源结构。

再进一步的说，本实用新型产品检测前，将产品的外形轮廓CAD图纸导入运动控制系统；运动控制系统读取CAD图纸信息，抓取外轮廓的数据并转化成电子凸轮；根据电子凸轮，控制X、Y、R三轴在每个点位的运动。

再进一步的说，本实用新型还包括对位补偿机构；所述对位补偿机构可拆卸式设置在运动平台上，为两个可调间距的面阵相机。产品移动至对位补偿机构的对位补偿工位，由对位补偿机构拍摄；通过算法得出产品中心和实际旋转中心的偏差，将偏差数值给到PLC进行插补运算。

再进一步的说，本实用新型所述R轴中心与产品中心重叠，且保证产品水平。

再进一步的说，本实用新型所述的运动平台为大理石运动平台。

再进一步的说，本实用新型所述的成像光源包括穹顶光源、反射光源或同轴光源；所述的线阵相机为两台，两台线阵相机成夹角设置。

本实用新型的有益效果是，解决了背景技术中存在的缺陷，使用线阵相机及三轴联动高精度插补运动简化了圆弧面的成像系统问题，有效缩短了产品检测的时间，对存在圆弧面相关产品的成像、检测起到了很大的帮助。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型调配时的结构示意图；

图2是本实用新型正常检测时的结构示意图；

图3是本实用新型线阵拍摄工位结构示意图；

图4是本实用新型三轴联动结构的结构示意图；

图5是本实用新型对位补偿机构的结构示意图；

图中：1、三轴联动旋转工作台；2、成像光源；3、远心镜头；4、线阵相机；5、面阵相机工位；6、对位补偿机构；7、X轴；8、Y轴；9、R轴。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1所示，一种曲面高精度成像系统，包括三轴联动旋转工作台、成像光源、远心镜头、线阵相机、面阵相机工位、PLC控制系统和图像处理系统以及对位补偿机构。

运动平台带着产品运动到相机的成像点处，确认运动轨迹要确保产品在运动时边缘的每一点都可在相机的采图点的上；线阵相机使用外同步外触发采图，在运动过程中，运动控制模块会等距给相机发脉冲，每发出一个脉冲产品走的距离是相等的。当产品运动到指定采图点后给相机一个触发采图信号，相机开始根据接收的脉冲进行采图，在产品运动完整的一圈后采图结束，输出一幅完整的图像；然后用算法对图像进行处理结果输出。

其中，三轴联动旋转工作台包括两个相互垂直的、可在水平方向上位移的直线电机组件，分别用作X轴和Y轴；以及，一个旋转的DD马达，用作R轴，如图4所示。

成像光源是由伺服电机驱动的双工位或多工位光源结构，即该结构上可配置两个或多个成像光源，在检测过程中可实时切换；本实施例中采用的光源为穹顶光源，根据其他实施例也可以采用反射光源或同轴光源。由于产品不光在R角处为圆弧状，在垂直于运动方向的面也为曲面，如果只用一个相机水平拍摄是无法一次将产品弧形轮廓拍全，考虑到这点，采用成固定夹角双相机(或多相机)配合组合光源对产品进行拍摄，确保产品表面可全部成像，如图1、3所示。在R角处线阵相机配合R角处的插补运动及脉冲配合将产品R角拍摄成一幅平面图像，降低了R角成像的复杂度。

远心镜头和线阵相机是一个成固定角度的结构，能同时拍摄手机背壳类圆弧产品上下两个圆弧面。

面阵相机工位：面阵相机水平放置，主要拍摄手机背壳边框上的孔位。拍摄孔位主要有：多功能孔、SIM卡槽、锁定孔、音量孔和IO孔，预计每个孔位只需要拍摄一次即可，可根据产品需检测的孔位进行拍摄方案设计；圆弧角处可根据产品情况选择性拍摄，以达到检测要求即可。

对位补偿机构，为两个可调间距的面阵相机，如图5所示，用于拍摄手机背壳对角圆弧边框，对位补偿机构，只在获取产品中心，进行轨迹调试时使用，调试完成后拆除，如图2所示。对位补偿结构原理说明：考虑到产品的旋转中心和治具实际的旋转中心存在偏差，在设备调试时使用一组定位工位，通过两个面阵相机(面阵相机通过标定板安装准确)拍摄产品对角位置；得出产品旋转的初始角度，拍摄一次后将产品旋转180°在拍摄一次，通过算法得出，产品中心和实际旋转中心的偏差，得出偏差数值给到PLC进行插补运算，使走出的轨迹更加精准。该机构只在更换产品时使用，正常检测过程中不使用。

直线运动实现非常简单，要实现多圆弧组成的曲线运动就要准确控制X、Y轴的插补，是产品曲线外轮廓，每段圆弧都绕其圆心旋转，这样就要求X、Y运动轴插补运动保证每段圆弧的旋转中心准确。X、Y直线轴保证旋转中心的准确，同时DD马达配合进行旋转完成曲线的运动。

由于高精度的成像系统对运动平台及运动轨迹的准确性要求都很高，所以如何实现运动轨迹的准确性和满足稳定的运动条件将是一大技术难点；针对以上技术难点给出以下解决方案：为了完成准确的运动轨迹，选择PLC运动控制，采用CAD导入功能将产品的外轮廓(需要运动的采图轨迹)CAD图导入到PLC中，系统自动生成运动轨迹，通过控制伺服电机和DD马达三轴实现轨迹，配合相机完成整个产品的外轮廓成像；为了保证成像可以完全竖直，且成像不会产生抖动，采用大理石运动平台，对机构的加工精度要求高；同时对伺服电机的刚性也要求很高，要求在调试过程中找到合适的刚性，在调试前要保证机台的水平度，对于放置产品的治具水平度和和产品接触平面的水平度粗糙度要求都很高。由于在直边进入圆弧运动时，会有加减速，如果相机采用内同步图像会有较大的拉伸现象，如果要使图像拉伸很小或几乎没有拉伸那么加速度就要做到无穷大，但实际上是不可能的，为了尽可能达到很大加速度，就要减小这个运动所承载的质量(减小惯性)，对于整个治具及旋转轴的材质要求刚性好质量小，由于目前还无法完全到达所需求要求，改用外同步工作模式(运动相同的距离给相机发送固定脉冲)采图，这样就可避免加减速造成的图像拉伸现象，但这样对脉冲信号的控制要准确，特别是在直边和R角处要发出稳定的差分脉冲信号。为了避免在R角处旋转造成的抖动，采用线性导轨增强转角处运动平稳。

为了解决在转角处由于加减速造成的抖动或拉伸的技术难题，采用电子凸轮控制模式，凸轮模式可等距离输出脉冲，通过脉冲给相机行信号进行采图，这样在转角处的加减速就不会造成图像拉伸；在直线进入插补运动时，未考虑做到匀速转，就是在一定的速度下突然改变运动方向，导致图像在转角处有抖动现象，为了解决直线进入R角的抖动，通过电子凸轮等距脉冲输出，在转角处直线方向的速度减未0(运动速度为零，就不会因突然改变运动方向造成抖动)，于此同时开始模拟方向的插补运动，在R角到直线的转角处也是模拟插补运动速度为零(R角进入直线运动，抖动影响较小)，然后进入直线运动。

由于在检测产品不光外轮廓在R角处是曲面(运动方向)，在垂直于运动方向也是曲面，那么这样对成像系统要求就有一定的难度，对于曲面弧度较大的一个相机无法完成全部拍摄，对相机的景深要求有点高，为了解决这样的问题，采用成夹角多相机拍摄方案，可一次完成整个产品的外轮廓拍摄；为了配合这样的成像方案采用了定制光源，可同时满足多个相机的打光，光源为一体的安装方便专门为一定角度的双相机设计。

多工位成像系统，使用多个光源是对多种类型缺陷进行成像，只需切换光源就可实现，相机在配合一个光源完成采图后，切换到下一个光源，为避免各个光源的干涉，每切换到一个光源时这个工位的光源自动点亮，其他光源自动关闭。

具体步骤为：

1、在检测一款产品前，将产品的外形轮廓CAD图纸导入运动控制系统。运动控制系统读取该CAD图纸后，抓取外轮廓的数据并转化成电子凸轮。根据电子凸轮，控制XYR三轴在每个点位的运动。

2、完成数据导入后，可进行正常检测。产品在检测前进行扫码识别和记录，之后将产品放置于检测载具上，由载具上的定位机构固定住产品，保证产品中心与R轴中心重叠，且保证产品水平。

3、产品移动至对位补偿工位，由对位补偿机构拍摄。通过算法得出产品中心和实际旋转中心的偏差，将偏差数值给到PLC进行插补运算。

4、产品移动至检测工位，穹顶光源点亮，产品到达合适位置(电机在运动时会一直发脉冲信号)，PLC给采集卡一个24V上升沿的电压触发(两个相机同时触发)，线阵相机开始采图(产品在工作治具的带动下进行轨迹运动)，完成采图后治具退到避位，光源进行切换，切换的同时，穹顶光源关闭，仿形光源点亮(光源只工作时点亮)，切换完毕后产品按照调试好的角度进行运动配合相机采图。

5、在上述线阵拍摄的任意一次的过程中，面阵工位可抓拍手机背壳的边框或圆弧面。

6、当每个工位完成采图时，算法开始对图像进行处理，每检测一片产品，在处理图像的同时，算法会自动读取产品扫的码并和图像及处理结果进行绑定；代产品完成所有工站拍摄和检测后会输出产品检测结果，并通过IO通讯反馈到PLC，PLC会显示产品OK(绿灯)，NG(红灯)这样的结果显示(或通知机械手进行OK、NG分类操作)。

三轴联动旋转工作台在旋转或水平移动的过程中高精度的插补运动可实现3D面成像点与镜头前端面的距离始终保持不变；在相机、光源角度始终不变的情况下，差补的过程中保证光照角度和成像角度不变；线阵相机外同步的成像方案可实现高速、变速运动的图像采集，拥有高精度的成像分辨率；多相机成角度搭配定制特殊光源对圆弧面进行拍摄，可一次完成对圆弧面的成像。

线阵相机的成像系统分辨率高，最大采集行频可达到40k，可实现高速采集，可一次完成对产品的成像；成本远低于高精度的面阵成像系统。

在进行手机背壳检测项目中，对3D面进行成像测试时遇到的圆弧面成像问题，通过两个线阵相机成夹角成像，然后通过定制特殊光源同时满足两个线阵相机的打光要求。这样简化了繁琐的成像方式，减小了硬件的安装空间，可以达到更高的分辨率要求，而且大大提升了CT。

使用线阵相机，靶面较大，精度高；线阵相机成一定角度配合三轴联动高精度插补运动平台对产品进行运动拍摄一次成像，解决了多位置面阵相机多次拍摄问题；线阵相机配合高速采集卡最高行频可达到40K，解决CT长问题；两个线阵相机和定制光源就可满足检测要求，可替代多个面阵相机及面阵光源，简化系统及硬件安装空间。针对圆弧面包括在R角处(垂直于运动方向圆弧面)，线阵相机满足光照条件相对简单很多，只要满足像元靶面照射的那条线的光照均匀就可满足线阵相机的光照检测；而且线阵相机可轻易调节成像角度，改变成像效果和满足多种类型缺陷检测；一次可完成一个产品的外轮廓拍摄，扫描组合成一张图便于算法处理，这种方案拍摄无论是在硬件还是软件都大大降低了处理时间，减速产品检测CT。

线阵成像方案，打光成像方式较多，对外观检测缺陷的多样性有更多的打光成像解决方案。

以上说明书中描述的只是本实用新型的具体实施方式，各种举例说明不对本实用新型的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离实用新型的实质和范围。

Claims (7)

1.一种曲面高精度成像系统，其特征在于：包括用于载物的运动平台以及对运动平台上的产品进行拍摄的成像机构；所述的运动平台包括两个相互垂直的、可在水平方向上位移的直线电机组件，分别用作X轴和Y轴；以及，一个旋转的DD马达，用作R轴；运动平台带动产品运动到成像机构的成像点处，确认运动轨迹并确保产品在运动时边缘的每一点都在成像机构的采图点上；所述的成像机构包括线阵相机、远心镜头以及成像光源；所述的线阵相机设置在远心镜头的上方，作为拍摄工具；所述的线阵相机为两台，两台线阵相机成夹角设置；远心镜头和线阵相机是一个成固定角度的结构；成像光源设置在远心镜头的下方。

2.如权利要求1所述的一种曲面高精度成像系统，其特征在于：所述的成像光源是由伺服电机驱动的双工位或多工位光源结构。

3.如权利要求1所述的一种曲面高精度成像系统，其特征在于：产品检测前，将产品的外形轮廓CAD图纸导入运动控制系统；运动控制系统读取CAD图纸信息，抓取外轮廓的数据并转化成电子凸轮；根据电子凸轮，控制X、Y、R三轴在每个点位的运动。

4.如权利要求1所述的一种曲面高精度成像系统，其特征在于：还包括对位补偿机构；所述对位补偿机构可拆卸式设置在运动平台上，为两个可调间距的面阵相机。

5.如权利要求1所述的一种曲面高精度成像系统，其特征在于：所述R轴中心与产品中心重叠。

6.如权利要求1所述的一种曲面高精度成像系统，其特征在于：所述的运动平台为大理石运动平台。

7.如权利要求1所述的一种曲面高精度成像系统，其特征在于：所述的成像光源包括穹顶光源、反射光源或同轴光源。