机器视觉技术下的激光打标工件定位系统研究

机器视觉技术下的激光打标工件定位系统研究

杨望虎

深圳技师学院广东深圳518116

摘要：随着我国社会经济和生产的发展趋势，激光加工领域引入了视觉定位技术下的激光打标系统，它可以较好地避免人为定位误差，降低激光打标定位成本，实现对多个工件的快速、稳定而准确的定位。要基于机器视觉定位技术的前提下，研究激光打标工件定位系统的软硬件搭建与实现，较好地满足激光加工生产的现实需求。

关键词：机器视觉技术；激光打标；工件；定位系统

机器视觉技术涉及人工智能、神经生物学、计算机科学、图像处理、模式识别等不同学科，在图像传感器和计算机技术的应用条件下，提取图像信息并对其加以处理，较好地应用于实际生产检测、测量和控制，是生产过程自动化的关键技术之一，可以应用于激光打标领域，实现对工件的准确、稳定的定位应用。

一、激光打标与机器视觉技术概述

激光打标是以计算机技术为依托和支撑，在计算机软件的控制和操作之下，利用高能量密度激光的热效应，在工件表面局部烧蚀出标记，使工件表面材料汽化而形成永久性、不可磨灭的标记。根据激光光源的不同种类，可以分为YAG固体激光打标机、CO2气体激光打标机，其中：YAG固体激光打标机可以发射出波长为1064nm的激光，工件表面的金属能够较好地吸收该波长的激光，并产生汽化或颜色的变化现象，是一种适用于金属工件的加工。而CO2气体激光打标机则可以发射出波长为10600nm的激光，可以较好地被非金属所吸收，因而适用于对非金属工件的加工和处理。

机器视觉技术是一门交叉性的学科，覆盖诸多学科知识和内容，具有速度快、信息量大、功能多的优势特点，可以从事物图像中提取信息并加以处理，较好地排除人为因素的干扰和影响，实现对信息的定量描述，极大地提高了生产率和分级精度，防范和规避检测分级误差。该技术的应用系统包括有光源系统、图像采集系统、图像处理系统等部分，较好地促进生产过程的自动化水平。

二、机器视觉技术下的激光打标工件定位系统设计

1、选择相机

机器视觉技术应用系统要从客观事物中提取出图像信息，而对图像传感器采集的图像质量是关键性前提，为此有必要选择适宜的工业相机，通常来说应用相对广泛的有CCD芯片为图像传感器的相机、CMOS芯片为图像传感器的相机，它们各有其应用优势和特点，并且由于CMOS芯片的相机具有更高的分辨率，因而应用更为普遍。同时，还要注重选取相机传感器的扫描方式，由于隔行扫描相机会因物体的运动而出现奇数场和偶数场的横向错位，出现参差不齐的锯齿状图像，为此，应当选取逐行扫描相机。另外，要注重选择相机的分辨率，要使用分辨率较大的相机，结合实验项目自身对精度的要求，进行分辨率相机的适宜性选择。还要注重对相机的帧率的选择，可以选取有效像素为500万、最大分辨率为2592×1944的CMOS相机，可以在高速应用的场景下，获得连续的多帧高速物体的图像。

2、选择工业镜头

（1）焦距选择。要注重对工业相机镜头的焦距选择，考虑成像视场大小、图像传感器尺寸及其工作距离，选择适宜的相机镜头焦距，根据激光打标工件定位系统的要求，相机与打标平台之间的距离为250mm-300mm左右，因而可以选取8mm焦距的相机镜头。

（2）光圈数选择。在相机镜头的内部通常要设置一个孔径光阑，以达到控制相机镜头的通光量的效果。一般来说，光圈数值越小，则在黑暗条件下通过镜头的光线更多，成像也更加清晰。而在强光条件下光圈数值过高时，则会因曝光过量而出现图像“白化”的现象。

（3）景深。当被摄物体调焦之后镜头能够看清物体前后的最大距离太小，则会使工件两边成像模糊，增大工件轮廓提取信息的误差。因此，必须合理确定相机镜头焦距和工作距离，采用调节光圈大小的方式来达到改变景深的目的，符合工件成像要求。

3、选择光源

在机器视觉技术下的光源选择极其关键，如果光照相对稳定的条件下，则可以获取灰度均匀的图像，增大目标与背景的对比度，更好地突显目标物体的特征点，达到良好的图像处理效果。通常来说，可以选择LED光源，充分利用其使用寿命长、价格低廉、性能稳定的优点，较好地满足使用需求。并且，从光源选择的形状来看，可以选择环形光源，将其安装于激光打标机振镜的下方位置，可以较好地实现360o的无阴影照明。

4、系统整体硬件结构设计

由于同轴安装方式会使目标物体成像畸变减小，影响激光的聚焦性能，影响工件定位标刻的质量，因而可以采用旁轴安装的方式，实现对定位系统相机的安装。并要合理调节相机的高度、倾角和光圈，确保标定板成像清晰。

5、系统软件设计

可以在VS2005环境下应用微软的MFC进行界面开发，实现图像的预览、提取等功能。具体包括以下几个模块：（1）Image模块。该模块在对相机进行初始化之前，主要实现对工件图像的预览、模板标定、工件图像采集等工作。（2）CameraCalibration模块。该模块主要实现对相机的标定，通过软件大量的运算，采用多线程技术提升系统的整体性能。并在标定完成之后保存相机的标定系数。（3）Location模块。该模块主要实现对模板工件和待定位工件的定位，通过提供模板工件的中心位置、方位角等信息，计算待定位工件的位置偏差和偏转角度。（4）LaserMark模块。该模块主要控制激光打标的开关操作。（5）CameraSet模块。该模块主要实现对相机的曝光值的设置，通过设置适宜的曝光值，获取清晰的图像。

三、机器视觉技术下的激光标刻工件定位系统实验分析

1、摄像机标定实验

（1）标定模板制作。可以将中心对称、轴对称图形——圆形特征点作为标定模板的特征图形，可以采用激光打标机在黑色金属面板上进行标刻，在投影之后圆形特征点即变为椭圆形，可以在对特征点的边缘进行椭圆拟合之后，获取圆形特征点圆心的像素坐标。

（2）标定误差分析。分割提取标定板上的圆形特征点，对特征点的边缘进行椭圆拟合和坐标计算，在不考虑畸变的前提下，进行二次标定，并分析标定结果的映射平均误差、映射最小误差、映射最大误差，由此可以将圆形特征点的绝大部分映射误差控制在0.05mm之内。

2、工件定位标刻实验

以薄形金属片工件作为实验对象，在确定标刻软件中标刻实体位置的基础上，利用打标系统输出的红光进行激光扫描，计算确定工件图像的位置、方位角度，并进行定位打标。以工件1为模板工件、工件2为待定位工件，测量两个薄形工件上标刻文字到工件右边界的距离，获悉它们的距离分别为23.66mm和24mm，二者之间存在0.34mm的误差；再测量两个薄形工件上标刻文字到工件下边界的距离，获悉它们的距离分别为8.4mm和8.42mm，二者之间存在0.02mm的误差。对上述工件定位标刻实验中存在定位误差，要进行分析，如：相机光圈调节误差；照明光源不够稳定；振镜打标幅面较小；工件一致性较低等，这些因素都会影响图像处理的精度，导致激光打标工件定位出现较大的误差。

综上所述，机器视觉技术是一门先进的技术，可以较好地应用于激光打标工件定位系统设计之中，通过对工件定位的相机标定、工件轮廓的定位技术，开发设计具有图像预览、图像采集、相机标定、工件定位功能的系统，从而较好地应用于各种金属或非金属工件的激光定位，通过定位算法和实验的方式，分析机器视觉技术的激光打标工件定位误差，为提高生产效率奠定基础。

参考文献

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[2]无人机遥感图像内部畸变校正算法及应用研究[D].计野.电子科技大学2010

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