说明书一种合掌产品宽度在线自动检测与调节装置及方法
技术领域
本发明涉及一种合掌产品检测技术，具体涉及一种合掌产品宽度在线自 动检测与调节装置及方法。
背景技术
基于视觉检测的方法大量应用于钢铁生产(带钢、钢坯宽度、厚度测量)、 线路板制作(自动焊接、焊接元件检测)、质量检测(各种产品大小的检测、 良品与不良品检测，焊缝质量检测)等各种领域；宽度自动调节方法大量应 用于钢铁、轮胎胎面、板坯等领域，控制方法有PLC、步进电机、PID等方 法。
合掌是外包装产品的一个必须的生产过程，印刷外包装材料的企业，在 印刷完成之后需要将包装材料进行合掌，合掌完成之后将产品交给生产企业 (有些需要进行分切)，而在进行合掌的过程中，需要严格按照要求尺寸进行 合掌工序，一般允许误差为0.2～0.5mm。
目前合掌产品宽度检测与调节主要依靠人工测量和观察，生产过程中工 人将钢尺、千分尺或游标卡尺与产品紧贴来进行测量，观察测量值来判断合 掌的尺寸是否符合要求，如果不符合要求，需要手工调整设备，直至达到要 求为止，这种检测既浪费人工又不可靠：1)这种尺寸检测往往给产品带来人 为缺陷，合掌过程是连续生产过程，当工人将钢尺紧贴产品观察合掌尺寸时， 钢尺与产品间会有摩擦，因此造成产品划伤而导致废品；2)合掌机由人来管 理，需要间隔进行观察，一般每1000米测量三次，如果合掌机生产速度为 60米/分钟，则要求工人每5分钟测量一次，12次/每小时，每个生产单元约 测量50次，这样的测量频率相对于人工来讲是比较高的；3)按照每1000 米测量三次计算，即检测间隔为3米，当出现不合格产品时，一次检测有可 能浪费的产品将达到300米，这种浪费是巨大的；4)人工调节速度慢，当检 测出合掌产品宽度不符合要求时，工作人员首先要松开压板，调整压板位置 到合适宽度，然后再拧紧压板，一次调节至少需要几分钟，会造成较大浪费； 5)使用合掌机除了上料、调整张力外，还需要经常检查有无刮花、划伤现象 以及上胶量不均匀等情况，要求操作员责任心强，注意力集中，但由于操作 员的观察水平和责任心等原因导致合掌产品质量不合格；6)为了保证人工检 测的可靠性，需要大量技术比较高的工人，由于人力资源及劳动力成本等原 因为必然给生产企业带来成本增高。
随着科学技术的进步，应用图像处理技术、计算机视觉、机器视觉技术 进行无损检测越来越广泛，如在钢铁生产过程中钢带、钢坯的宽度检测、烟 叶检测、苹果检测、锅炉检测、玻璃检测、无纺布检测等，其中宽度检测主 要应用在钢带宽度、刚体裂纹宽度、印刷电路线宽等方面。
赖建生等人通过调整光源主光线与测量平面成适当的角度，得到被测钢 板与背景的反射光强分布曲线，实现钢带测宽的目的。童卫旗、陈宝模、罗 新斌利用双相机对带钢进行测量，经过标定、修正即可比较精确测量出带钢 的宽度；叶成龙等人采用激光测距仪实现对带钢的非接触式宽度测量；姜占 平等人利用激光扫描技术和双CCD实现了钢板宽度检测；王植等人利用热 红外和数字图像处理技术实现了一种钢坯在线检测系统；周根荣等人、孙燕 峰等人应用DSP或单片机和线阵CCD实现外尺寸测量；秦广胜等人应用激 光和CCD实现了一种钢板宽度的测量；赵维一等人应用线阵CCD及数字图 像处理技术实现了叶丝宽度测量；Nishiyama S等人对裂纹宽度的测量摄影测 量算法进行了研究；Luo Masiyang等人实现了基于视觉的锁孔边界提取和宽 度测量；夏营威等人应用计算机视觉技术对烟丝宽度测量方法进行了研究； 李运祥等对热轧带钢在线测宽中的图像分割算法进行了研究；Jelen V.和 Karch P.应用图像处理方法实现了对连续金属片宽度的测量；Ashida Takashi 等人实现了对焦炉裂缝的检测和宽度测量；熊邦书等人应用图像处理技术实 现了线路板线宽的测量系统；Prasanna Pratee等人应用计算机视觉技术实现 了桥面裂缝的检测与分析；Zhang Jing等人应用统计过程控制理论对高精度 印刷电路板线宽检测算法进行了研究；盛晓成应用选择检测区域、在检测区 域添加填充线、计算填充区域覆盖的区域宽度的方法实现了图形宽度检测； 山田雅之应用与纸宽度方向平行的多个杠杆元件，通过检测这些光感的接触 及旋转状态实现纸宽度检测；石鸥、王文强应用红外传感器实现纸币宽度的 检测；史册应用一个固定的检测边条及一个弹簧支撑架等机械装置实现了软 包装电芯宽度的检测[39]；中谷英司应用比较粘贴位与基准标记的尺寸实现了 标签制作及印刷控制；李兆伟钱文忠通过承接板、基准板、上、下限位板、 撑杆螺栓轴及调节螺母等机械装置之间的配合使用，实现了纸卷宽度的检测； 田野等人应用粒子群遗传优化算法实现了热轧带钢头尾宽度控制；黄轶等人 应用模糊PID对热轧带钢控制进行了研究；马安新等人利用CCD智能测宽仪 实现了胎面联动线宽度测量及速度调节；严平锋等人采用Cortex-M3作为主 控制器,利用专用驱动芯片L298N,设计实现了步进电机的控制与检测系统。 该系统通过电流转换芯片MAX4172采集步进电机相电流,利用RS-232与上位 机进行串口通信,完成步进电机的频率设置和数据显示等功能；朱勇根据步进 电机的应用原理设计了一个基于PLC的步进电机控制系统；祖一康、徐妙婧 采用STC89C52RC单片机为控制器、ULN2003为步进电机驱动器，设计了基于 单片机和Visual Basic6.0的步进电机远程控制系统。这些研究工作的显著 特点是：1、被测物属于刚性物质；2、被测物具有不透光特征。因此，可利 用被检测材料的反光、透光、折光特性所形成的线条形状，应用数字信号处 理算法与人工智能理论进行计算，从而测量出被检物体的宽度、高度、厚度 等信息，达到检测的目的。
但是合掌产品大多是塑料制成的，材料属于柔性材料，有一定弹性，在 生产过程中由于机器振动、走料速度变化、张力变化等原因，容易产生抖动， 这样的抖动意味着当摄像机固定、被摄物体到镜头的距离发生变化，这种物 距的变化导致采集的图象中目标大小发生变化，进而导致经过图像处理后的 测量数据发生变化(即测量宽度出现错误)，使得宽度检测难度增加。合掌产 品多数为外包装产品，图案形状、颜色各种各样，这些形状、颜色的变化会 对图像处理带来困难；加之产品之间留有空白，由于图像采集的随机性会导 致空白的位置随机变化，进而对检测造成影响。合掌产品宽度检测要求精度 高，因此要求图像分辨率高，图像分辨率高时，镜头边缘畸变将会影响检测 精度。合掌产品宽度自动调节需要调节速度快、调节时间短、调节精度高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合掌产品宽度在线自动检测与调节装置及方 法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明检测时间短、检测精度高、检 测间隔时间短、调节速度快、调节精度高，可以减少浪费，提高产品合格率， 节约大量生产成本和劳动力资源。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种合掌产品宽度在线自动检测与调节装置，包括位于合掌产品上部或 下部的光源和位于合掌产品上部的摄像机，摄像机的输出端连接用于图像处 理的处理器，处理器的输出端连接有报警控制器、宽度调节装置以及用于显 示当前检测产品图像以及相关数据和状态的显示器，报警控制器上连接有能 够发出声光报警的报警器。
进一步地，所述的光源有若干个，分布于不同生产线的合掌产品的上部 或下部，所述的摄像机的数量与光源相同，分别位于不同生产线的合掌产品 上部，每个摄像机的输出端均与处理器相连，处理器的输出端连接有若干针 对不同生产线的报警控制器和宽度调节装置，处理器的输出端还连接有一个 用于显示当前不同生产线检测产品图像以及相关数据和状态的显示器，每个 报警控制器上均连接有能够发出声光报警的报警器。
进一步地，宽度调节装置包括与处理器的输出端相连的调宽控制器，调 宽控制器通过驱动器连接有电机，电机上接有正反牙丝杆，正反牙丝杆的正 牙与反牙上分别连接一个用于调整宽度的压板。
一种合掌产品宽度在线自动检测与调节装置的检测与调节方法，包括以 下步骤：
步骤一：在处理器上设置合掌产品的标准宽度为w，允许最大误差值为 v，像素比为g；
步骤二：通过处理器判断是否启动检测，若是，则通过摄像机采集合掌 产品图像，若否，则回到步骤一；
步骤三：通过处理器对步骤二所采集的图像进行处理；
步骤四：处理器根据图像处理结果计算合掌产品宽度为Dis，并与合掌 产品的标准宽度比较；
步骤五：处理器通过步骤四的比较结果判断合掌产品的宽度是否超出误 差，若是，则发出报警并进行宽度调节，然后进入步骤六，若否，则直接进 入步骤六；
步骤六：通过处理器判断是否停止检测，若是，则回到步骤二，若否， 则回到步骤三。
进一步地，步骤三中图像处理包括二值化和消除边缘毛刺。
进一步地，二值化的方法如下：若图像大小为：M*N；像素值为：f(x,y)， 其中，0≤x≤M-1；0≤y≤N-1，则(x,y)处的值为：
b ( x , y ) = 0 f ( x , y ) < T ( x , y ) 255 f ( x , y ) ≥ T ( x , y ) ]]>
像素(x,y)处阈值T(x,y)为：
T(x,y)＝m(x,y)+k*s(x,y)
其中以(x,y)为中心的邻域局部窗口的均值m(x,y)为：
m ( x , y ) = 1 n 2 Σ ( x , y ) ∈ w x 2 f ( x , y ) ]]>
邻域局部窗口的标准差s(x,y)为：
s ( x , y ) = 1 n 2 Σ ( x , y ) ∈ w x 2 f 2 ( x , y ) - m 2 ( x , y ) ]]>
其中邻域局部窗口大小为n*n，n取15；修正系数k取-0.1。
进一步地，消除边缘毛刺的方法如下：
1)用一个结构元素扫描图像中的每一个像素，用结构元素中的每一个 像素与其覆盖的像素做‘与’运算，如果都为‘1’，则该像素为‘1’，否则 为‘0’；
2)用一个结构元素扫描图像中的每一个像素，用结构元素中的每一个 像素与其覆盖的像素做‘与’运算，如果都为‘0’，则该像素为‘0’，否则 为‘1’；即消除图像边缘的毛刺，其中，结构元素大小为3*3。
进一步地，步骤三中采用Hough变换算法找到两个边界的直线方程，然 后利用方法一或者方法二计算宽度；
方法一：根据直线方程的斜截式计算宽度：
其中一个边界的直线方程为：L1：y＝k1x+b1，另一个边界的直线方 程为：L2：y＝k2x+b2，k＝(k1+k2)/2，则宽度
方法二：根据点到直线距离公式计算宽度：两个边界的直线方程分别为 L1：y＝k1x+b1和L2：y＝k2x+b2，计算L1上各点到L2的距离，然后计算 所有距离的平均值，即为所测宽度：
两条直线的斜率分别为k1和k2，对于L1上的任意一点p(xi,yi)，若L2上存 在点p(xj,yj)，满足yj＝yi+k1(xj-xi)；则p(xi,yi)与p(xj,yj)为最小距离 点对，保留该点对，并计算该点对的距离：若不存在满足上述条件的点，则舍弃点p(xi,yi)，平均距离为：Dis＝g* 其中N表示总点对数，此平均距离即为所测宽度。
进一步地，步骤四中计算得到的合掌产品宽度与合掌产品的标准宽度比 较结果为：u＝|w-Dis|，步骤五中判断合掌产品的宽度是否超出误差的方 法为：如果u≥v，表示产品宽度超出允许的误差范围，启动报警并进行宽度 调节；如果u<v，表示产品宽度在允许误差范围之内，则进入步骤六。
进一步地，宽度调节的方法为：当Dis≥w时，表示当前的产品宽度过 宽，需要调窄；当Dis<w时，表示当前的产品宽度过窄，需要调宽，调节 的距离为：ΔDis＝u/2。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的摄像机将待检测合掌产品图像输入到处理器，处理器经过一套 检测算法处理，计算出合掌产品宽度，显示在显示器上，工人可通过观察显 示器得知生产过程是否正常，当处理器发现产品不正常时，发出报警声光， 同时指出出现错误的误差，并控制宽度调节装置进行宽度调整，宽度调整主 要是实现调窄(产品宽度过宽)、调宽(产品宽度过窄)，该装置可以替代人 工检测与调节，检测时间短、检测精度高、检测间隔时间短、调节速度快、 调节精度高，可以减少浪费，提高产品合格率，节约大量生产成本和劳动力 资源。
进一步地，通过将不同生产线的合掌产品宽度检测与调节连至同一个处 理器，实现了共用一个处理器和显示器实现多条生产线共同工作。
附图说明
图1是本发明的装置整体示意图；
图2是本发明一条生产线的装配示意图；
图3是本发明多条生产线的装配示意图；
图4是本发明的双导轨防抖动示意图；
图5是本发明的四导轨防抖动示意图；
图6是本发明的宽度调节装置结构示意图；
图7是本发明的工作流程示意图。
其中，1、镜头；2、摄像机；3、处理器；4、显示器；5、报警控制器； 6、宽度调节装置；7、报警器；8、光源；9、合掌产品；10、电机；11、正 反牙丝杆；12、压板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步详细描述：
参见图1至图3，一种合掌产品宽度在线自动检测与调节装置，包括位 于合掌产品9上部或下部的光源8和位于合掌产品9上部的摄像机2，合掌 产品9通过导轴支撑在光源8上部或下部，所述导轴为水平设置的双导轴或 者分两排平行设置的四导轴，摄像机2的输出端连接用于图像预处理的处理 器3，处理器3的输出端连接有报警控制器5、宽度调节装置6以及用于显示 当前检测产品图像以及相关数据和状态的显示器4，报警控制器5上连接有 能够发出声光报警的报警器7，宽度调节装置6包括与处理器3的输出端相 连的调宽控制器，调宽控制器通过驱动器连接有电机10，电机10上接有正 反牙丝杆11，正反牙丝杆11的正牙与反牙上分别连接一个用于调整宽度的 压板12。
当同时控制多条生产线的宽度检测与调节时，所述的光源8有若干个， 分布于不同生产线的合掌产品9的上部或下部，所述的摄像机2的数量与光 源8相同，分别位于不同生产线的合掌产品9上部，每个摄像机2的输出端 均与处理器3相连，处理器3的输出端连接有若干针对不同生产线的报警控 制器5和宽度调节装置6，处理器3的输出端还连接有一个用于显示当前不 同生产线检测产品图像以及相关数据和状态的显示器4，每个报警控制器5 上均连接有能够发出声光报警的报警器7。
参见图7，一种合掌产品宽度在线自动检测与调节方法，包括以下步骤：
步骤一：在处理器3上设置合掌产品9的标准宽度为w，允许最大误差 值为v，像素比为g；
步骤二：通过处理器3判断是否启动检测，若是，则通过摄像机2采集 合掌产品9图像，若否，则回到步骤一；
步骤三：通过处理器3对步骤二所采集的图像进行处理，图像处理包括 二值化和消除边缘毛刺；
二值化的方法如下：若图像大小为：M*N；像素值为：f(x,y)，其中， 0≤x≤M-1；0≤y≤N-1，则(x,y)处的值为：
b ( x , y ) = 0 f ( x , y ) < T ( x , y ) 255 f ( x , y ) ≥ T ( x , y ) ]]>
基于图像的局部窗口的均值和标准差计算阈值，像素(x,y)处阈值T(x,y) 为：
T(x,y)＝m(x,y)+k*s(x,y)
其中以(x,y)为中心的邻域局部窗口的均值m(x,y)为：
m ( x , y ) = 1 n 2 Σ ( x , y ) ∈ w x 2 f ( x , y ) ]]>
邻域局部窗口的标准差s(x,y)为：
s ( x , y ) = 1 n 2 Σ ( x , y ) ∈ w x 2 f 2 ( x , y ) - m 2 ( x , y ) ]]>
其中邻域局部窗口大小为n*n，n取15；修正系数k取-0.1；
消除边缘毛刺的方法如下：
1)用一个结构元素(一般是3*3大小)扫描图像中的每一个像素，用 结构元素中的每一个像素与其覆盖的像素做‘与’运算，如果都为‘1’，则 该像素为‘1’，否则为‘0’；
2)用一个结构元素(一般是3*3大小)扫描图像中的每一个像素，用 结构元素中的每一个像素与其覆盖的像素做‘与’运算，如果都为‘0’，则 该像素为‘0’，否则为‘1’；即消除图像边缘的毛刺；
步骤四：处理器3根据图像处理结果计算合掌产品9宽度为Dis，并与 合掌产品9的标准宽度比较；计算宽度的方法为：首先采用Hough变换算法 找到两个边界的直线方程，然后利用方法一或者方法二计算宽度；
方法一：根据直线方程的斜截式计算宽度：
其中一个边界的直线方程为：L1：y＝k1x+b1，另一个边界的直线方 程为：L2：y＝k2x+b2，k＝(k1+k2)/2，则宽度
方法二：根据点到直线距离公式计算宽度：两个边界的直线方程分别为 L1：y＝k1x+b1和L2：y＝k2x+b2，计算L1上各点到L2的距离，然后计算 所有距离的平均值，即为所测宽度：
两条直线的斜率分别为k1和k2，对于L1上的任意一点p(xi,yi)，若L2上存 在点p(xj,yj)，满足yj＝yi+k1(xj-xi)；则p(xi,yi)与p(xj,yj)为最小距离 点对，保留该点对，并计算该点对的距离：若不存在满足上述条件的点，则舍弃点p(xi,yi)，平均距离为：Dis＝g* 其中N表示总点对数，此平均距离即为所测宽度；
计算得到的合掌产品9宽度与合掌产品9的标准宽度比较结果为： u＝|w-Dis|；
步骤五：处理器3通过步骤四的比较结果判断合掌产品9的宽度是否超 出误差，若是，则发出报警，然后进入步骤六，若否，则直接进入步骤六；
具体方法为：步骤五中判断合掌产品9的宽度是否超出误差的方法为： 如果u≥v，表示产品宽度超出允许的误差范围，启动报警并进行宽度调节； 如果u<v，表示产品宽度在允许误差范围之内，则进入步骤六；
其中，宽度调节的方法为：当Dis≥w时，表示当前的产品宽度过宽， 需要调窄；当Dis<w时，表示当前的产品宽度过窄，需要调宽，调节的距 离为：ΔDis＝u/2。
步骤六：通过处理器3判断是否停止检测，若是，则回到步骤二，若否， 则回到步骤三。
下面对本发明的实施过程作进一步详细说明：
本发明应用视觉检测、图像处理、智能分析原理，设计一套满足合掌产 品宽度在线自动检测与调节的系统，用全自动产品宽度在线检测与调节替代 人工检测和手动调节，参见图2，数据输入单元、结果显示单元、调节控制 单元、报警控制单元组成全自动在线检测系统。根据需要，可以由多个数据 输入单元、报警控制单元、调宽单元共用一个处理器单元和结果显示单元实 现多条生产线共同工作，如图3所示。
为了实现合掌产品宽度在线自动检测与调节，应用摄像机2、镜头1、处 理器3、显示器4、光源8等组成全自动检测与调节系统，摄像机2及镜头1 为光电转换装置，将合掌产品9在光的作用下形成的图象转换为电信号，并 将电信号转换为数字信号传输给处理器3。处理器3为装置的数据处理单元， 通常为计算机，处理器3接收摄像机2的数据，然后应用图像处理技术、模 式识别技术、机器视觉等计算合掌产品9的宽度，并判断产品宽度是否符合 要求，如果不符合要求，处理器3向报警控制器5发出报警信号并确定宽度 调节方向及调节步数，然后启动调节。
显示器4用来显示当前检测产品图像，显示相关数据及状态(合格、预 警、报警)，用作交互界面，便于人工操作与观察。报警控制器5接收处理器 3的信号，控制报警器7发出声光报警，报警器7可发出声光报警信号，提 示操作人员；光源8用来保证合掌产品9能够清晰呈现给处理器3，可以是 照射光，也可以是透射光，导轨是用来降低产品抖动，可分为四导轨和双导 轨，宽度调节装置6用来调节合掌产品9宽度，由调宽控制器、驱动器，电 机10等组成，调宽控制器接收处理器3的信号，解释该信号后形成对驱动器 的控制信号，驱动器在此控制信号的作用下产生控制电机10方向、转动的驱 动电流，电机10在驱动电流的驱使下带动正反牙丝杆11运动，达到宽度调 节的目的。
光源8位于合掌产品9上部或下部，摄像机2位于合掌产品9上部，摄 像机2与处理器3相连接，摄像机2将待检测合掌产品9图像输入到处理器 3，处理器3经过一套检测算法处理，计算出合掌产品9宽度，显示在显示器 4上，工人可通过观察显示器4得知生产过程是否正常，当处理器3发现产 品不正常时，发出报警声光，同时指出出现错误的误差，并控制宽度调节装 置6进行宽度调整，宽度调整主要是实现调窄(产品宽度过宽)、调宽(产品 宽度过窄)。处理器3发送调节信号给调宽控制器，调宽控制器根据调整需要 发出调整信号和调整方向信号。电机10在调宽控制器的控制下带动执行机构 动作，执行机构为一个正反牙丝杆11带动两个压板12运动。
在生产过程中，合掌产品9由于张力及其它原因会发生抖动，形成一定 的抖动幅度，这样会影响宽度检测的精度。如果图4中传统支撑方式中C导 轴和B导轴距离足够近，A、B导轴之间抖动的料经过B导轴的阻止，这种 抖动便会减少甚至消失；如果在A导轴和B导轴的正下方分别设置C导轴 和D导轴，形成如图5所示结构，可以从左边进料右边出料，也可以从右边 进料左边出料，从左边进料、右边出料时，在A导轴之前抖动的料经过A、 C导轴的阻止，在C、D导轴之间便可减小甚至消除抖动，保证采集图象的 质量，这样便可以消除抖动。