基于正交CCD圖像反饋的自動打標控制系統研制*

陳 健 姜曉明 陸國棟

（①浙江大學CAD＆CG國家重點實驗室，浙江杭州310027;②浙江紡織服裝職業技術學院，浙江寧波 315211）

隨著能源行業的高速發展，對高壓天然氣瓶的需求量迅猛增加，如圖1所示，國家標準規定對每只氣瓶均需進行標記，包括有出廠檢驗標記、制造廠代號、鋼瓶的壁厚、容積、編號、水壓實驗壓力以及出廠日期等共30多個字符，分布在鋼瓶肩部范圍的球面上且按多行排列，以便進行身份識別和有效管理。

目前，國產高壓天然氣瓶氣動打標機的控制系統主要由二維平面氣動打標機的基礎上改造而來［1－2］，國內研究人員在基于網絡化、計算機并行處理技術和打標頭運動分析等控制方面開展了許多研究［3－5］，國外在節能和智能化控制方面開展了一些研究［6－7］，但這些研究主要集中在開環控制系統并且應用局限在曲面較為規則的氣瓶上。作為薄壁圓筒件，受國產工藝條件限制，高壓天然氣瓶的肩部在沖壓縮口過程中會產生大量的鍛造缺陷，而且表面皮層在熱處理過程中會產生氧化剝落，造成氣瓶肩部曲率半徑變化不連續，甚至存在大量的凹坑。如圖2所示，如直接按照氣瓶外形進行標記，由于軸向存在凹凸不平的缺陷區域，徑向輪廓曲面標記點各處法向不規則，使得打標頭在缺陷位置標記和無法處處垂直于打標面，造成了字符深淺不一、字跡模糊遺漏和排列錯亂等不足，極大地降低了國產氣瓶的標記質量。

目前主要的解決方法是事先通過人工視覺檢查來盡量避免在缺陷位置標記，而如何保證標記頭自適應地按照標記曲面變化調整打標方向還亟待解決，當前主流的氣動打標機精度、自動化和效率都較低。要實現高效高質量的氣動打標，就需要探索如何利用計算機視覺技術即圖像處理技術來替代人工視覺檢查，研究自動檢測打標缺陷及曲面法向實時捕獲技術，結合多軸伺服控制系統實現高質量標記。

圖像識別和處理技術作為計算學科的一個研究熱點，現已在許多場合替代人工進行各種應用［8－9］，如零件的幾何質量檢測、車輛牌照識別等，但在氣動打標機床控制系統中的應用尚待研究。

因此，利用圖像處理技術研發具有反饋功能的高壓天然氣瓶氣動打標機閉環自動控制系統，以此來有效提升高壓天然氣瓶的標記質量和氣動打標機的整體性能，是迫切的現實需求并具有重要的科研意義。

1 雙CCD正交布局與圖像反饋控制原理

針對以上不足，通過避免在缺陷位置打標和準確獲取打標面各點垂直法向量的方法，即通過基于軸向和徑向正交布局的雙CCD圖像反饋自動控制方法，實現清晰可靠的氣瓶標記。

基于軸向和徑向正交布局的雙CCD圖像處理技術原理如圖3所示，信息反饋控制架構如圖4所示。

如圖3所示，系統設計通過軸向CCD結合氣瓶在工位上的轉動，采集肩部的軸向輪廓圖像數據，經計算機處理后進行打標區域的自動優化選擇，以保證打標頭在氣瓶最佳區域打標;通過徑向CCD采集氣瓶肩部優化后的待打標位置的法向圖像數據，精確計算打標位置各點的法線方向，自適應地調整打標頭位置姿態確保每個字符沿法向標記。

如圖4所示，CCD圖像采集系統在定位機構的配合下，獲取氣瓶的圖像信息，然后通過圖像處理判別出缺陷和輪廓法向兩種信息，在數據處理模塊中由內置的數控代碼生成系統將打標點位置轉化為數控機床加工的宏程序，生成坐標調整控制信號反饋傳遞給伺服控制機構，驅動工件和打標頭在氣瓶的無缺陷區域進行法向標記，實時自動地根據氣瓶外形輪廓的質量進行自適應高清標記。

2 控制系統整體架構設計

氣動打標過程中需要控制的4個主要部分為:空間定位系統、打標頭行走系統、氣動打標系統和輔助系統，如何通過正交CCD圖像信息，進行自反饋式協調和驅動各坐標軸伺服電動機準確定位是本文打標控制研究的核心任務之一，為此設計了如圖5所示的打標機整體控制系統架構。

架構中，正交CCD圖像采集系統首先在計算機控制下采集工件三維輪廓，獲取最佳標記區域及輪廓各處的法向量并形成反饋信號，通過空間定位系統、打標頭行走系統和氣動打標系統，自動修正工件打標面和打標頭的空間相對位置，保證打標頭與最佳打標面在垂直法向量方向上的完全重合。

在五軸空間定位系統中，設計通過X、Z方向上的直線移動實現打標頭在XOZ平面的定位，設計通過繞Y軸轉動實現打標針與鋼瓶打標球面切面法線方向一致，設計通過繞X軸的轉動和字模輪軸線的轉動分別實現鋼瓶打標曲面和打標字模的選取;標記頭行走系統在接受圖像采集系統修正控制信號后，將打標頭旋轉到最佳的打標位置;在氣動打標系統中，獲取反饋修正信息完成準確定位的信號后，輔助系統夾緊氣瓶，沖擊缸的驅動氣源驅動標記頭進行高速的沖擊，最終完成氣動打標機標記氣瓶的整個控制過程。打標結束后氣動打標頭復位，并由輔助系統切換工件進行下一次的打標循環。

3 自動打標控制系統硬件設計

氣動打標機控制系統從硬件層面主要包含圖像采集裝置、機電伺服控制器和打標執行機構3個具體部分設計，硬件原理如圖6所示。

（1）研制的圖像采集裝置主要由正交布置的CCD攝像頭和計算機圖像采集卡組成。CCD攝像頭具有自掃描、高分辨率、易于與計算機連接等優點，按照視頻捕捉過程中前后兩幀之間的間隔劃分，通過硬調節或軟調節來獲取連續或單幀圖像，通過正交布置從兩個維度獲取工件打標輪廓的立體圖形;設計普通白熾燈為光源，以Sony Exview HAD Interline CCD為CCD攝像頭，以10MOONS SDK－2000圖像采集卡為數字圖像采集卡，由通過CCD攝像頭獲取工件打標區域圖像后，由圖像采集卡將采集到的圖像信號傳遞給計算機形成自反饋修正信號。

（2）機電伺服控制器按照反饋的修正信號，完成工件和打標頭的空間準確定位，其主要設計有數控系統、伺服驅動控制系統、變頻器、交流進給伺服電動機和齒輪、蝸輪、蝸桿組成的機械傳動裝置，其中數控系統采用了SIEMENS 802C系統，伺服驅動采用了SIEMENS 611U交流數控系統。

（3）打標執行機構主要由沖擊缸、活塞桿、打標針、字盤、伺服電動機、壓板、拖板等構成。標記打印通過固定在沖擊缸活塞桿上的打標針沖擊字盤輪上的字模來完成，通過伺服電動機控制整個打標頭的轉動以及字盤輪的轉動。

4 控制系統軟件設計與圖像處理方法

采用模塊化的工程思路，軟件系統的主要任務是打標圖像處理、加工代碼自動生成和打標機運動控制，著重解決氣瓶圖像輪廓提取、打標缺陷提取和打標加工代碼自動生成等問題。軟件系統模塊組成如圖7所示。

（1）人機交互模塊:輸入相關控制參數，校正圖像顯示，制定各種打標數據，控制各模塊完成鋼印打標。

（2）圖像處理模塊:應用圖像處理技術分別處理高壓天然氣瓶軸向缺陷圖像和徑向輪廓的提取，生成打標點數據。

（3）加工代碼生成模塊:采用標記位置逐點掃描法實現矢量化位圖數據，從而生成數控加工代碼。

（4）電動機驅動模塊:根據控制系統傳送的坐標點控制數據，控制伺服電動機旋轉，標記頭行走機構驅動打標針移至合理的打標位置。

氣瓶打標缺陷和輪廓法線提取分別通過軸向CCD和徑向CCD圖像處理系統進行，其整體流程圖如圖8所示。軸向CCD圖像采集氣瓶肩部曲面數據，經過一系列的圖像處理后獲取缺陷局域的輪廓，經過宏程序計算后確定需要避免的缺陷位置參數給伺服數控系統，數控系統控制氣瓶旋轉到最佳打標區域，從而利用CCD技術自動獲取每支氣瓶的外形輪廓，判別誤差及缺陷，自動優化標記區域，并依據每支氣瓶的外形輪廓質量自適應地調整打標參數;徑向CCD圖像處理系統獲取氣瓶徑向輪廓外形尺寸，將圖像數據處理后完成工件邊界垂直法向量的設定，自動生成打標點法向位置及打標數控程序，驅動打標針撞擊碼盤字符沿邊界法向標記。

正交CCD的圖像處理方法，主要是對采集到的圖像進行二值化處理及邊界特征值提取，實現計算機的識別與生成，以判別缺陷區域和法向，圖9是軸向圖像處理的4個主要過程。

（1）獲取原始圖片:系統首先通過高清CCD攝像頭獲取氣瓶肩部的原始圖片，如圖9a所示。

（2）圖像增強:為了去除拍攝過程中產生的圖像噪聲提高圖像質量，對原始圖片進行增強處理，如圖9b所示。圖像增強技術通常可以分為空間域方法和頻率域方法，基于工程實踐的需要使用了計算量較小的空間域方法，即對圖像像素灰度值直接進行運算。

圖像可以看做是像素的集合體，對像素進行運算，在空間域增強技術可以表示為

式中:f（x，y）是輸入圖像;F是算子，定義在某個領域上;g（x，y）表示經過算子F施加作用后的圖像。

方法主要包括3個步驟:

①圖像灰度修正:對不均勻圖像或曝光不足圖像利用灰度直方圖進行逐點灰度校正。

②圖像平滑:采用區域模板法來處理，即從某個像素開始，逐個地移動像素模板，在每個位置處應用算子F，對該像素進行運算。如此反復，直到所有的像素都處理過，最后就得到新的平滑圖像。

③圖像銳化:主要是通過拉普拉斯運算對圖像微分逆運算，使模糊的圖像變得更加清晰。

（3）邊界檢測:在對氣瓶缺陷圖像進行特征提取之前，進行邊緣檢測，如圖9c所示，再進行二值化處理。處理后缺陷圖像邊界的亮度與原圖中邊緣周圍的亮度變化率成正比，因為邊緣增強方法處理后缺陷圖像的亮度保持不變，采用Roberts邊緣檢測算子尋找邊緣，其定義為:

其中f（x，y）是具有整數像素坐標的輸入圖像，平方根運算使該處理類似于在人類視覺系統中發生的過程。

（4）輪廓提取:輪廓提取與輪廓跟蹤的目的是為了獲得氣瓶缺陷圖像的外部輪廓特征，如圖9d所示。由于二值化圖像只有黑白之分，像素值只有0和1之分，因此利用二值化氣瓶缺陷圖像輪廓提取較為容易，因此需要把灰度圖像轉換為黑白二值圖像進行處理。圖像的二值化根據下式的閾值公式來表示:

其中t為自定的閾值。由于氣瓶球面圖像與背景的灰度差別很大，在灰度直方圖上呈現兩個獨立的波峰，因此采用迭代求最佳閾值法將去噪后的圖像二值化為黑白圖像，并利用黑色填充算法進行邊界提取。

徑向CCD圖像處理如圖10所示，與軸向CCD圖像處理過程基本相同，差異化是在進行輪廓提取之前要進行曲線插值擬合處理。若是按照采集的工件輪廓對打標曲面進行加工，會產生滑擦等現象，數據的確切度得不到保證，甚至影響氣瓶的強度，達不到加工要求。所以必須對采集的輪廓點進行圖像二次處理技術，去除采集到極點缺陷，并將曲線用光滑連續的樣條曲線插值處理。

5 氣動打標驗證

為了驗證基于正交CCD反饋的氣動打標自動控制系統，研發了如圖11所示的軸向CCD圖像處理系統和圖12所示的綜合CCD圖像處理系統，并開發了如圖13所示的試驗樣機，標記效果如圖14所示

以上圖像處理系統以Windows為開發平臺，以可視化面向對象的C++builder作為軟件開發工具，如圖11所示，在利用CCD獲取軸向圖像信息后，對數據進行圖像增強和圖像邊緣檢測，最終提取缺陷輪廓并進行跟蹤，獲取標記優化位置。

按照圖8所示流程，如圖12所示，在獲取優化打標位置后，利用徑向CCD進行徑向輪廓的圖像采集，并進行平滑和邊緣增強，獲取輪廓曲線，生成打標軌跡，從而自動生成打標點位置，并且內置的數控生成系統可以將打標點位置轉化為數控機床加工的宏程序，從而徹底摒棄手工輸入的復雜和繁瑣，真正實現自動高精可靠的標記。如圖13所示，機床在2個正交方向上設置了CCD，采集氣瓶肩部軸向和徑向的輪廓數據，圖14為直徑400 mm的氣瓶標記圖形。

6 結語

總結分析了現有高壓天然氣瓶氣動打標質量偏低的原因，通過雙CCD的正交布局架構，準確獲取天然氣瓶肩部軸向和徑向圖像，自動識別缺陷位置和標記點法向，以此為反饋信息構建的軟硬閉環控制系統，進一步提高了機床打標的自動化水平和面對不規則氣瓶的自適應標記能力，實現一臺機床面向多種質量層次氣瓶的精密打標;以二值化為核心思想構建的圖像四步處理流程系統，數據獲取簡單計算量小，輪廓提取完整迅速，對工業生產具有廣泛的適應性。樣機的研制試驗表明，氣瓶上的字符標記清晰完整，多層排列整齊有序，避開了氣瓶的缺陷位置。因此，基于正交CCD圖像反饋控制的高質量氣動打標，實現了基于現有國產天然氣氣瓶的高質量標記，通過提高圖像獲取實時性等方面的繼續研究，可以進一步地提升國內氣瓶加工業整體加工檔次和產品防偽性能，并向其他行業推廣應用。

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