книги / Оптоэлектронные сенсорные системы
..pdfтуров, точное позиционирование (определение места) объекта и вы сокая точность измерения признаков.
Контроль поверхности непрозрачных объектов осуществляют методом отраженного излучения. Чистоту поверхности (загрязнен ность, дефекты и др.) и ее свойства можно определять по степени яркости при косой освещенности поверхности и перпендикулярной к излучению позиции приемника или наоборот. Для контроля глян ца поверхности ее освещают двумя параллельными источниками, излучение их наклонно и под таким же углом размещается плос кость приемного окна сенсорного устройства. Если, например, по верхность лакирована и под лаком скрыты дефекты или иные неод нородности, то процедура контроля усложняется, так как требуется разделение информации (все глянцевые места отражают одно и то же излучение независимо от скрытых в них неоднородностей).
Для увеличения контрастности изображения, а также устранения бликов используют (как в фотографии) поляризационные фильтры.
Отклонение поверхности от горизонтали можно хорошо контрот пировать, освещая поверхность параллельной узкой полоской света, и по его прерыванию оценивать неровность. Неровность можно также определять по соответствующей тени при плоском освеще нии поверхности.
Зеркала и линзы фокусировкой луча позволяют эффективно ис пользовать поток излучения, а также обеспечивают требуемые ха рактеристики освещенности. Для галогенной лампы с небольшой спиралью лучше всего подходит параболическое зеркало (автомо бильная фара), что позволяет разместить спираль в фокусе излуча теля. Такое устройство создает параллельный пучок, который мо жет концентрироваться дополнительно фокусирующей линзой.
С источниками, излучающими полосу света, применяют цилин дрические зеркала с параболической или эллиптической поверхнос тью. Лампу в таком источнике размещают на линии фокусного рас стояния зеркала. При эллиптическом зеркале излучение фокусирует ся дважды. Для фокусирования света на линии фокусного расстояния используют цилиндрические линзы.
Необходимо принимать во внимание, что излучаемый рефлекто ром свет, если перед ним отсутствует диафрагма, представляет со бой смесь прямого направленного и ненаправленного излучений.
71
делить множество признаков. Однако с ростом их количества воз растают затраты как на классификацию, так и на их поиск и распознавание. Поэтому стремятся ограничить множество призна ков минимально достаточным подмножеством.
Часто возникает необходимость в выделении признаков первой группы (1—7), приведенных в табл. 5, в сочетании с использовани ем тестовых линий шаблонной маски (рис. 20). Этого легко до стичь, если все контролируемые параметры объекта отражены со ответствующими признаками. Другая возможность заключается в задании качественного критерия отдельному признаку или вектору признаков. При этом необходимо обеспечить условие соответствия «чувствительности» признака отображаемому им параметру, т. е. изменение параметра р должно приводить к достаточно заметному изменению значения его признака, т. е.
сс |
1пС |
р д С |
=» |
р А С |
=* шах |
(31) |
Sp = |
Inр |
Сдр |
С Ар |
|||
|
|
|
|
где С — вектор признаков; S — чувствительность.
Чем больше чувствительность 5, тем лучше выбранный признак отвечает требованиям внутреннего отображения объекта. Так как объект характеризуется совокупностью признаков, то чувствитель ность должна быть максимальной относительно всех рассматривае мых параметров.
5.3. Техническая реализация системы
Можно выделить три возможности технической реализации оптоэлектронных сенсорных систем [21].
1. Использование серийно выпускаемых стандартных узлов (бло ков) и приборов. Такой подход целесообразен, когда отсутствуют особые требования к скорости обработки и функциональной инте грации, а также есть необходимость серийного производства спро ектированной на такой основе системы, не ориентированной на ре шение «экзотических» задач.
2. Индивидуальное (заказное) проектирование. Такой подход ха рактерен для решения специализированных задач, когда не предъяв ляют особых требований к интеграции оборудования. Реализация систем в таких случаях базируется в основном на аппаратных средствах.
73
Рис. 35. Блок-схема процедуры выбора концепции разработки оптоэлектронной сен сорной системы.
3. Использование стандартных серийных блоков, а также узлов собственной разработки. Такой комбинированный подход целесо образен для одиночного и мелкосерийного производства специали зированных систем.
Последняя возможность обеспечивает хороший компромисс между экономическими показателями и эксплуатационными воз можностями систем.
Использование аппаратных и программных модулей обеспечива ет взаимозаменяемость, универсальность применения и возмож ность построения различных конфигураций систем.
Имея в своем распоряжении номенклатуру типовых модулей, разработчик должен принимать решения о том, какие из этих моду лей позволяют оптимально реализовать ту или иную функцию. Процесс принятия такого решения отображен в виде блок-схемы со ответствующего алгоритма на рис. 35.
При третьем подходе к проектированию систем проблемно ори ентированное программное обеспечение необходимо разрабаты вать, максимально используя существующие программные модули. Разработку программного обеспечения выполняют с применением САПР оптоэлектронных систем распознавания изображений. Речь идет о системе высокой организации с развитой сетью периферий ных устройств, включая графические построители и дисплеи. САПР
74
обеспечивает диалоговый режим работы на всех этапах проектиро вания от формулирования задания на распознавание до технических преобразований, включая тесты программ, вплоть до ввода в экс плуатацию. Рабочее место проектировщика таких систем изображе но на рис. 34. Отдельные шаги и вопросы диалога проектировщика с системой указаны на блок-схеме алгоритма проектирования на рис. 33. Результатом проектирования является решение исполнения комплекса программно-технических средств. В рамках системы про грамм разрабатываются также сервисные и вспомогательные про граммы, включая программы автоматического режима работы сис темы, обучения и др.
5.4. П ример проектирования
Рассмотрим проектирование оптоэлектронной сенсорной систе мы применительно к контролю качества облицовочных плиток, за ключающемуся в оценке качества покраски и глянца ее поверхности. Настенная плитка размером 150 х 150 мм2 имеет окантовку по кра ям шириной 2—5 мм. Плитка считается годной, если на расстоянии в 1 м на ней не будут видны дефекты в виде сколов, повреждений глазури и темных пятен, возникающих при обжиге. При соответ ствующем размещении фотоприемного устройства темные пятна на расстоянии 1 м обнаруживаются в тех случаях, когда их диаметр ненамного превышает 0,2 мм. При. использовании линейчатого при емника на ПЗС с разрешением 256 элементов в строке на каждый сенсорный элемент проецируется часть изображения шириной при мерно .0,6 мм, что не обеспечивает требуемой точности контроля темных пятен (рис. 3). Для этой цели пригоден линейчатый прием ник на ПЗС типа L 133 С с числом элементов, равным 1024.
Мера изображения при освещенности краевых элементов со ставит
гх |
150 мм |
= 0,15 мм. |
(32) |
|
1024 |
|
|
Однако на практике она больше, так как линейка ПЗС на несколько мм превосходит ширину плитки.
При этом Nx — число сенсорных элементов, на которые проеци руется изображение плитки. Масштаб изображения составляет
■„ | _ £ _ |
13,3 мм |
0,083. |
(33) |
** а |
160 мм |
75
При использовании объектива с фокусным |
расстоянием |
/ = 50 мм расстояние L от плоскости объекта до плоскости его изо |
|
бражения в соответствии с выражением (3) будет равно |
|
L " (2+ w ) /=7°CM- |
(34) |
Считываемый растр, вследствие формата плитки и плоского изображения дефектов, целесообразно представить двоичным ква дратным отображением, в котором rx = ry . С точки зрения требуе мой производительности производства контролю должны подвер гаться 3 плитки в с. Если расстояние между плитками задать ал = 50 мм, то скорость перемещения составит
» = 3(а- - ) аА) = ЗЩО + ЭД ш 600 мм/с. |
(35) |
В соответствии с выражением (5) время экспозиции будет со ставлять
tKZ = |
13 мкм |
= 261 мкс. |
(36) |
|
0,083 • 600 мм/с |
||||
|
|
|
Освещенность объекта должна быть максимально равномерной и обеспечивать формирование видеоимпульсов с достаточной для последующей обработки амплитудой.
Для контроля плиток требуется источник, излучающий полосу света. Используемая галогенная лампа с таким излучением имеет мощность 1000 Вт и длину спирали около 140 мм. Равномерности освещенности объекта и амплитуд видеосигналов можно добиться, используя театральный прожектор с такой лампой, снабженный бо ковым плоским рефлектором. Остаточную неравномерность в этом случае следует отнести за счет различия характеристик сенсорных элементов.
Источник излучения и видеокамера должны быть установлены таким образом, чтобы достигалась максимальная контрастность изображения и тем самым максимально возможно точное сравне ние черно-белых переходов двоично представляемого изображения. Последнее достигается с большим трудом.
Качество глазури (глянцевидность поверхности) определяют по направлению излучения, отраженного от поверхности плитки, осве щаемой параллельным пучком света, падающим под определенным
76
углом. Дефектным местам соответствуют видеосигналы с относи тельно малой амплитудой. Однако при этом могут возникать по грешности распознавания, вызванные неравномерностью освещен ности поверхности плитки, например, из-за тени, создаваемой де ржателем спирали лампы. Кроме того, на поверхности плитки могут наблюдаться темные точки, которые не должны квалифици роваться при контроле как дефекты покрытия.
Для совмещения контроля дефектов плитки и качества покрытия (глянцевидности поверхности) используют две видеокамеры, одна из которых воспринимает отраженный свет и определяет наличие сколов, а вторая (с большей приемной поверхностью) определяет качество глазури. Большая приемная поверхность видеокамеры обеспечивает большое время интегрирования и позволяет использо вать для освещения объекта люминесцентную лампу. Тем самым исключаются упомянутые выше ошибки контроля, однако кон троль качества покрытия вблизи краев плитки становится невоз можным.
Для указанных видов контроля можно использовать и одну ви деокамеру. Помимо трещин и сколов, образующихся при обжиге плитки, на ее краях могут возникать и различные дефекты покры тия. Если камеру отклонить на несколько градусов от угла наблю дения, требуемого при контроле качества покрытия плитки, то воз можно обнаружение и других ее дефектов. При этом место изгиба края плитки может быть идентифицировано как дефектное из-за на личия темных точек. Для исключения подобных ошибок контроля опытным путем подбирается определенный угол наблюдения. В случае использования одной видеокамеры для полного контроля плитки отсутствует взаимосвязь между ее дефектами и ошибками двоичного (черно-белого) отображения объекта. Однако это не столь существенно, так как основной причиной брака плитки явля ются именно дефекты покрытия. Следует подчеркнуть, что при ис пользовании одной видеокамеры исключается возможность контро ля качества покрытия по краям плитки, особенно в местах изгибов.
Рассмотренные выше вопросы отображения и представления объектов контроля должны быть приняты во внимание при техни ческой реализации соответствующей сенсорной системы. Для счи тывания одной строки в выбранной видеокамере можно задать вре мя строчной развертки, равное 260 мкс. При этом необходимо стре миться к соответствию времени цикла камеры и времени интегрирования (// ~ tnz), с тем чтобы затраты на достижение тре буемой, освещенности оказались приемлемыми. Это условие стано вится выполнимым при работе камеры в режиме самосинхрониза-
77
ции (внутреннего управления). При таком режиме видеосигналы, полученные в данном цикле интегрирования, считываются во время последующего, причем необходимо обеспечить, чтобы время счи тывания сигналов /DAT < U. Из последнего условия и требуемого числа элементов изображения вычисляют необходимую тактовую частоту видеокамеры
|
Л = |
№ |
+ 2 ) = |
4,16 МП!. |
(37) |
В |
линейчатой видеокамере |
1,133 С |
можно задать |
величину |
|
/г |
= 2,08 МП*. Короткое время, выделяемое на подготовку видео |
сигналов и синхронизацию их передачи, делает необходимым их сжатие путем предварительной обработки и буферное накопление. Сжатие данных осуществляется в основном в модуле управления за счет представления данных качественными признаками и их запо минания. При этом отдельные поля признаков маркируются специ альными символами:
M l — завершение поля признаков в направлении чтения строки; М2 — завершение цикла развертки строки и чтения поля при
знаков; М3 — завершение первого цикла развертки строки после поля
признаков.
Под полем признаков в двоичном отображении объектов пони мают любое отклонение от нормального изображения (состояния). Все двоичные данные, не содержащие информации о качественных признаках, не запоминаются.
Стандарт на испытания плиток определяет качество ее поверх ности. Различают сколы по краям и в середине поверхности. Ин формация о контроле и оценках качества плитки концентрируется в специальном модуле программного обеспечения микроЭВМ. Этот модуль регламентирует размещение поступающих данных в буфер ной памяти. После завершения цикла работы видеокамеры процес сор считывает данные из буфера и подготавливает тем самым его для очередного цикла работы. Параллельно считыванию данных текущего цикла выполняется обработка данных предыдущего цикла с целью получения оценок:
—максимальной протяженности поля признаков в направлении строки;
—максимальной протяженности поля признаков в направлении развертки;
—площади отдельных полей признаков;
78
—общей площади полей признаков;
—числа полей признаков;
—коэффициентов форм.
Предусмотрена классификация признаков по семи группам, для которых заданы соответствующие граничные значения. Классифи катор реализуется программными средствами. Полученная неблаго приятная оценка хотя бы одной из групп признаков служит призна ком брака плитки и сигнализируется.
6. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СЕНСОРНЫХ
СИСТЕМ
6.1. К онтроль наличия изделий (объектов)
Такой контроль является наиболее простым и сводится к двоич ному решению: «да» или «нет».
Оптический контроль работы сверлильного станка (целостности сверла)
Для контроля выполнения сверлильных или нарезных работ (по ломок сверла или метчика) используют инфракрасное излучение. Фотоприемник такого излучения нечувствителен к другим видам из лучения. Контроль осуществляется по приему излучения в случае поломки объекта контроля либо по принципу отражения от этого объекта.
Контроль разрыва нити
Такой контроль требуется, например, в вязальной машине. Он основывается на эффекте генерирования колебаний в оптически свя занной цепи [22]. Схема устройства приведена на рис. 36. Если зату хание излучения, обусловленное контролируемой средой, становит ся равным усилению электронной цепи, то генерация колебаний становится неустойчивой. Чувствительность устройства (начало ге нерирования колебаний) соответствует изменению затухания на
79