基于机器视觉的纠偏检测系统

陈耀欢，任德均，邓霖杰，代成刚

（四川大学，四川成都 610065）

基于机器视觉的纠偏检测系统

陈耀欢，任德均，邓霖杰，代成刚

（四川大学，四川成都 610065）

卷材在复卷过程中容易发生偏移，而现有的纠偏系统纠偏效果不理想，利用机器视觉技术设计了一套全新的自动纠偏系统，实现了对卷材偏移的实时检测，并且能及时将偏差信号反馈给执行元件，提高了纠偏精度和工作效率。

机器视觉；纠偏；图像检测；复卷机；CCD

0 引言

纠偏控制是指企业所生产的卷材在喷涂、印刷、层合、分切或者其他卷材卷绕过程中，始终要保持卷材侧面整齐一致而采取的技术操作。因为卷材边缘一旦没有对齐，就会引起后续的工步出错，导致材料浪费或停工调整。所以，在处理加工卷材的时候，需要对偏移的卷材进行及时的纠偏操作，这个过程称之为纠偏。在卷材的复卷过程中，由于系统自身的误差会使卷材在复卷的过程中沿卷筒的轴向有左右的摆动，造成卷材的侧面不整齐即偏移，偏移量过大会给下一道工序的生产造成偏差，使产品的质量难以保证。故在卷材的复卷过程中要对卷材的偏移进行实时的纠正，使偏移量控制在质量允许的范围内。

1 纠偏系统分析

经过分析原有复卷机的纠偏系统可知，其修边复卷的纠偏原理如图1所示。

该复卷机通过色标传感器（俗称光电眼）检测纸张的边缘左右的偏移，控制器将色标传感器信号与预置的位置偏移量进行比较运算，当偏移量超过预置允许量时输出控制信号，通过液压执行装置调节滚筒位移，从而对复卷的纸张位置进行纠偏控制。

图1 复卷机纠偏原理图

造成原有系统纠偏效果不理想的原因主要有：

（1）卷材的边缘是锯齿或波浪型的不整齐的形状，具有形状误差，色标传感器只能检测纸张运动过程中左右的偏移量，无法消除纸张边缘固有的形状误差，这就影响了原纠偏系统的纠偏精度和稳定性；

（2）据查原有的色标传感器所能检测到的光点一般为ϕ0.5 mm～ϕ1.5 mm，检测精度达不到纠偏系统所需的精度要求；

（3）色标传感器的输出信号为逻辑开关量，只有卷材的偏差到了一定位移量（一般为左右5 mm）后，根据逻辑比较运算，发出纠偏信号控制液压执行机构推动纠偏装置往偏移方向相反的方向移动，这样虽能纠正偏差但会造成纠偏的滞后。

2 纠偏系统设计

鉴于以上分析，设计基于机器视觉的纠偏系统，提高复卷机的纠偏精度，拟采用CCD工业数字相机检测卷材上的基准标记线位移量来提高纠偏精度的方案。卷材上的标记线是保证印刷精度的基准，其精度高并可靠，理论上说可视为无形状误差的一条基准线，在生产过程中检测其偏移量即是纸张的真实偏移，从信号的检测原理上提高检测精度。

同样可以卷材的边缘为基准线，只是在检测的时候，边缘是锯齿或波浪型的不整齐的形状时，需要进行一系列的处理，才可形成一条可用的无形状误差的基准线，但仍然可以达到检测纠偏的目的，本文这里不再讨论这种情况。

根据检测现场情况和纠偏精度要求，制定出修边复卷机纠偏系统的工作示意图2，系统控制原理图3和系统控制结构图4。

图2 复卷机纠偏新系统原理意图

图3 新系统控制原理

图4 系统控制结构图

从图4可以看出，修边复卷机纠偏系统在功能、结构上可分为两大部分，即图像检测子系统和纠偏子系统。

2.1 图像检测系统

为了克服卷材边缘对纠偏系统控制精度的影响，本系统采用工业CCD相机对卷材上印有的位置标记线进行检测，并在检测之前首先设定偏移基准线，如图5为所采集到的原始图像，图6为设定的偏移基准线。本系统中图像处理的最终任务是提取出作为目标物体的标记线，计算出标记线中心与设定的基准线的偏移量。

图5 原始图像

图6 设定基准线

本系统采集和处理图像信号的的过程为：

（1）首先对图像进行预处理，包括图像噪声去除，图像质量增强等；

（2）然后提取图像的ROI区域，确定检测的有效区域，减小处理的范围；

（3）再对图像中有效区域内的目标特征进行提取，并计算出偏离距离。系统利用标记线图像计算的偏差距离作为偏差信号E，将其传给纠偏控制器。

如图7所示为图像检测流程图，本纠偏系统采用自主所研发的图像检测软件。

2.2 纠偏控制系统

本系统的纠偏控制系统采用原有纠偏控制器和液压执行机构。纠偏控制器在收到嵌入式图像处理系统发出的偏差信号E时，产生一个控制信号U，该控制信号U通过液压执行机构（液压缸）带动卷筒纸作出相应的调整，以到达纠偏的要求。由于采用CCD工业相机，其采集到的图像偏离量的大小可根据现场生产要求由人工设定，输出的信号即可是开关量也可是模拟量，如是开关量则可根据要求设定偏移量为多大时就须送出控制信号，从而提高控制精度，即如果计算得到的偏移量超过设定值，则进行相应的调整，实现纠偏。

图7 图像检测流程图

3 系统调试

系统的调试主要包括系统的安装及相关参数的调整，其大体的调试步骤如下：

（1）安装相机，调整相机到卷材纸面的距离；

（2）安装光源，并粗略调节光源的照射角度；

（3）将相机和光源的连接线插好，开启工控机；

（4）用相机的应用软件，依照所采集的图像，调整相机的焦距、光圈及光源照射角度，当获得最佳图像时，固定相机及光源；

（5）接纠偏控制器接到工控机上；

（6）运行整体系统，进行程序调试。

系统的相关参数进行如下设置：基准位置：350pix，响应精度：5pix，快门：10，增益：300，图像宽度：640，图像高度：10。

相机的采集频率可达500 f/s，其完全满足纠偏系统所需的检测频率。

当系统的响应精度设置不同时，系统的纠偏效果也会不同。本文分别将系统的响应精度设置为1、5、10及20来进行分析比较。同时经大量实验证明，当向系统的纠偏控制器传送30 ms的高低电平时，系统的纠偏机构能够静止不动，这是原来的纠偏系统所不能实现的。

4 结束语

本文设计的是一种基于机器视觉的修边复卷机纠偏系统。在生产现场运行该纠偏系统，现场测试表明图像处理系统能快速、准确地识别标记线，且能够在10 ms内向纠偏控制器发送纠偏信号，检测精度在0.02 mm以内。整套纠偏系统的纠偏精度达到0.15 mm，满足印刷生产的实际需要。长时间运行表明，该套印控制系统，运行稳定可靠，操作简单方便，人机界面友好，性价比高，达到了预定的设计要求。

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System of Deviation Detector Based on Machine Vision

CHEN Yao-huan，REN De-jun，DENG Lin-jie，DAI Cheng-gang（Sichuan University，Chengdu610065，China）

Under background of coiled material are easily deviation，in the process of rewinding and the existing correction system is not satisfied，sets up an automatic correction device based on machine vision to online monitoring of deviation and feedback the deviation signal to the actuator.In a very large extent，it improves the corrective accuracy and work efficiency.

machine vision；deviation rectifying；image detection；rewinder；CCD

TP274+.5

：A

：1009－9492(2014)11－0086－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.024

陈耀欢，男，1989年生，河南濮阳人，硕士。研究领域：数字图像处理，生产过程中的动态监测。

(编辑：向 飞)

2014－08－06