CN107388962A - 一种木质板材翘曲的在线检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了斜射式木质板材翘曲的在线检测装置，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台的传送方向，依次在传送台上方的支架上设置激光发射器和面阵工业相机，且所述的激光发射器发射到传送台上待检测木质板材表面的光源经待检测木质板材反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通，所述的激光发射器发射的入射激光线和面阵工业相机的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，0＜入射角＜90°。本发明所述检测装置和方法与人工检测方法相比，激光在线检测具有效率高，精度高等优点；同时采用三角测距方法进行测量，测量精度提高，实现工业在线检测。

Description

一种木质板材翘曲的在线检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测装置和检测方法，尤其是涉及一种木质板材翘曲的在线检测装置和检测方法，属于木材加工制造领域。

背景技术

木材的主要组成部分是纤维素、半纤维素和木素，对周围的水蒸气、水分有充分的亲和性，造就了木材天然的吸湿性能；木材是由细胞组成的生物体，内含许许多多的毛细管，具有可塑性。综上原因，木质板材或木制品会随着周围环境相对湿度的变化而产生干缩和湿胀现象。由于木材是一种非均质的各向异性材料，干缩与湿胀也具有各项异性，置于自然环境中的木质板材会产生翘曲，不同温湿度环境中的木质板材翘曲度不同。

图1-图2为翘曲度测量图。如图1和图2所示：根据国家标准GB/T 15036.2-2009实木地板中翘曲度的检验方法：将地板表面向上放置在水平实验台面上，把刀口直尺或钢板尺垂直紧靠地板两长边，用塞尺量取最大弦高h_max，精确至0.01mm。最大弦高h_max与地板实测宽度ω之比值为宽度方向翘曲度f_ω以百分数表示，精确至0.01％。

传统的检测往往由人工来完成，检测者用塞尺或其它量具来确定木板翘曲的最大弦长，根据测量结果，手动计算木质板材翘曲度。工作量大，效率低，受主观测量影响，无法进行在线高效率的检测，难以投入工业量化检测。

发明内容

为了克服现有技术问题，本发明的目的在于提供一种测量速度快、精度高、操作简单的木质板材翘曲的在线检测装置和检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种斜射式木质板材翘曲的在线检测装置，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台的传送方向，依次在传送台上方的支架上设置激光发射器和面阵工业相机，且所述的激光发射器发射到传送台上待检测木质板材表面的光源经待检测木质板材反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通，所述的激光发射器发射的入射激光线和面阵工业相机的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，0＜入射角＜90°。

进一步，基于上述的斜射式木质板材翘曲的在线检测装置的木质板材翘曲的在线检测方法，包括以下步骤：

S1：激光发射器向传送台上待检测的木质板材发射激光光源，激光光源经待检测木质板材表面反射后通过工业相机的透镜，然后由位于透镜后部的光传感器接收成像，所述的激光发射器发射的入射激光线和面阵工业相机的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，0＜入射角＜90°；

S2：所述的光传感器将接收到的光电信号转化为数字信号；

S3：计算机中的数据采集卡收集工业相机的数字信号，并经过计算机的处理软件处理后得到待检测木质板材的翘曲图像轮廓，根据翘曲图像轮廓信息得到木质板材被测截面的厚度值像素和宽度值像素，并将像素单位转化为长度单位，经计算得到最大弦高h_max和待检测木质板材的实测宽度ω，得到翘曲度f_ω，

而在S1步骤中，激光发射器向被测木质产品发射的激光光源为扇形激光光源，且待检测木质板材表面形成的光条为一字形光条。

且在S3步骤中，最大弦高h_max的计算过程为：

x＝k·y (I)

公式(I)中，x为待检测木质板材的检测厚度值；y为面阵工业相机中待检测木质板材表面与基准底面的偏移，y在翘曲图像轮廓中表现为木质板材的厚度,k为空间分辨率，且所述的k为面阵工业相机中待检测木质板材表面与基准底面的偏移y与木质板材检测厚度值x的线性关系系数，通过公式(I)，得到x_max和x_min，而h_max＝x_max-x_min。

其中，上述的k的数值公式为：在k的数值公式中，θ为激光发射器的入射角,β为面阵工业相机的光轴与待检测木质板材表面法线的夹角，f为相机焦距，L表示测量厚度为0时面阵工业相机成像的物距，θ+β＝90°，所以sin(θ+β)为固定值1，且当成像***固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，L、f、θ均为固定值，则k也为固定值。

而待检测木质板材的实测宽度ω的计算过程则为：

ω＝k₂′W' (Ⅱ)

公式(Ⅱ)中，所述的ω为待检测木质板材的实际宽度值，k₂′为待检测木质板材宽度方向的空间分辨率，W'为宽度轮廓图像中表现的待检测木质板材的宽度值，所述的k₂′为常数。

且所述的k'₂＝k₂，式中：k₂为厚度为0处宽度方向的空间分辨率，当成像***固定，测量厚度为0时成像的物距和像距均为固定值，则k₂为固定值。

本发明的有益效果为：本发明所述检测装置和方法与人工检测方法相比，激光在线检测具有效率高，精度高等优点；同时采用三角测距方法进行测量，测量精度提高，实现工业在线检测。

附图说明

图1-图2为翘曲度测量图；

图3为本发明所述的在线检测装置的***结构示意图；

图4为本发明所述的在线检测装置的结构示意图；

图5为木质板材翘曲检测流程示意图；

图6为木质板材翘曲检测基本原理示意图；

图7为宽度检测的原理图；

图8为检测基准面图像；

图9为木质板材翘曲检测图像；

图10为中心线图像；

图11为激光光源入射角示意图；

图12为厚度标定曲线示意图；

图13为宽度标定曲线示意图。

图中主要附图标记含义为：

1、传送台 2、激光发射器 3、支架 4、待检测木质板材

5、面阵工业相机 6、数据采集卡 7、计算机 8、PLC控制箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明。

实施例1：

在本实施例中，激光光源出自：Prophotonix公司，型号是D-660-010-0250-L01-S-90-S-S-2，波长是660nm，出光扇角是90度，功率10mW。面阵工业相机出自是PointGrey公司，型号GS3-U3-23S6C-C，相机分辨率是1920×1200，每秒钟最大采集162帧，USB3接口。镜头出自为：Nikon，型号ML-U1614MP9，焦距24mm。

图3为本发明所述的在线检测装置的***结构示意图；图4为本发明所述的在线检测装置的结构示意图。

如图3和图4所示：斜射式木质板材翘曲的识别装置，包括传送台1、激光发射器2、支架3、面阵工业相机4，支架3桥式架设在传送台1上，沿传送台1的传送方向，依次在传送台1上方的支架3上设置激光发射器2和面阵工业相机5，且所述的激光发射器2发射到传送台1上待检测木质板材4表面的光源经待检测木质板材4反射后被面阵工业相机5接收，而面阵工业相机5同时与一计算机7连通，计算机7和面阵工业相机5之间还设置有数据采集卡6，在本发明中，上述的激光发射器2同时与PLC控制箱8连通，PLC控制箱8用于控制激光发射器2的激光发射情况，激光发射器2发射的入射激光线和面阵工业相机5的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，0＜入射角＜90°。

图5为木质板材翘曲检测流程示意图。

基于上述的斜射式木质板材翘曲的在线检测装置的木质板材翘曲的在线检测方法，包括以下步骤：

S1：激光发射器2向传送台1上待检测木质板材4发射激光光源，激光光源经待检测木质板材4表面反射后通过面阵工业相机5的透镜，然后由位于透镜后部的光传感器接收成像，所述的激光发射器2发射的入射激光线和面阵工业相机5的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，0＜入射角＜90°；

S2：所述的光传感器将接收到的光电信号转化为数字信号；

S3：计算机中的数据采集卡6收集面阵工业相机5的数字信号，并经过计算机的处理软件处理后得到待检测木质板材4的翘曲图像轮廓，根据翘曲图像轮廓信息得到木质板材被测截面的厚度值像素和宽度值像素，并将像素单位转化为长度单位，经计算得到最大弦高h_max和待检测木质板材的实测宽度ω，得到翘曲度f_ω，

图6为木质板材翘曲检测基本原理示意图。

其中厚度测量数学模型为：

激光发射器2发射扇形光源，照射到水平的传送台1上，测量时先将激光线在相机中成像调至最清晰，整个测试过程不再调节成像过程中相距、物距等成像参数，成像过程原理如如图6所示，激光发射器2发射激光线至待检测木质板材4(毛边板材)的表面，面阵工业相机5与激光发射器2成一定角度来成像，图中O点是镜头透镜的中心，即光心，B点是没有放毛边板材时激光照射到传送台1上的点，此时检测厚度值为0，此时在面阵工业相机5成像平面上的像点是B'，BB'的连线通过光心垂直于透镜，即光轴。当放上一个厚度为x的毛边板材时，激光照射在毛边板材表面A点处，此时在面阵工业相机5成像平面上的点为A'，在面阵工业相机5中偏移厚度的像素值为y'(单位：像素)，k_c为面阵工业相机5中像素大小(单位：mm/像素),为相机常数。令y＝y′·k_c，代表相机中偏移厚度的像素值y'与相机常数k_c的乘积，即图像中待检测木质板材4的厚度(单位：mm)。

x：检测厚度值

y：图像中被测毛边锯材的厚度即面阵工业相机中被测毛边锯材产品表面与基准底面的偏移厚度

θ：激光发射器的入射角

β：面阵工业相机的光轴与待检测木质板材的表面法线夹角

由图中几何关系可以知道：

x＝ABcosθ

y＝A'B'

L＝OB

L'＝OB'

x'＝AC

L”＝OC

其中L表示测量厚度为0时成像的物距，L'为像距，L”为测量厚度不为0时成像的物距，f为相机焦距。当相机位置固定时，L、f、θ为固定值，由放大率公式可得

即：x＝k·y (2)

公式(2)中，x为待检测木质板材的实际厚度值；y为面阵工业相机中待检测木质板材表面与基准底面的偏移，y在厚度和宽度轮廓图像中表现为木质板材的厚度,k为厚度方向的空间分辨率，且所述的k为面阵工业相机中待检测木质板材表面与基准底面的偏移y与木质板材检测厚度值x的线性关系系数，这个值大小与测试***中透镜焦距、未放木质板材时物距、光轴与激光束的夹角共同决定的。

且上述的k的数值公式为：在k的数值公式中，θ为激光发射器的入射角,β为面阵工业相机的光轴与待检测木质板材表面法线的夹角，f为相机焦距，L表示测量厚度为0时面阵工业相机成像的物距，θ+β＝90°，所以sin(θ+β)为固定值1，且当成像***固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，L、f、θ均为固定值，则k也为固定值。

通过厚度测量数学模型可计算x_max和x_min，从而计算得到h_max＝x_max-x_min。

图7为宽度检测的原理图。

由厚度方向测量模型推理中可以看出，当在水平传送台上放置一厚度x的毛边锯材时，毛边锯材表面的激光轮廓线垂直于光轴向透镜移动了一段距离至C点所在处的宽度方向上，如图7所示：

设k₂表示厚度为0处宽度方向的空间分辨率，k'₂为厚度为x处宽度方向的空间分辨率，由透镜公式可得

如式(3)所示：θ+β＝90°，所以cos(θ+β)为0，所以所述的k'₂＝k₂，式中：k₂为厚度为0处宽度方向的空间分辨率，当成像***固定，测量厚度为0时成像的物距和像距均为固定值，则k₂为固定值，而最终数据处理软件中待检测木质板材的宽度的计算公式为：

ω＝k₂′W' (4)

公式(4)中，所述的ω为待检测木质板材的实际宽度值，k₂′为待检测木质板材宽度方向的空间分辨率，W'为宽度轮廓图像中表现的待检测木质板材的宽度值，所述的k₂′为常数。

图8为检测基准面图像，图中只有一条传送带上被照亮的激光线，作为检测板材厚度的参照线；图9为木质板材翘曲检测图像，黑色的背景和一条很亮的具翘曲弧度的激光线；图10为中心线图像，可显示出板材外材面的翘曲弧度以及与基准线的边界点。

以上实施方式的具体标定过程为：

(1)实验材料：

实验所用的试件为4块常见不同规格厚度的杉木板材，锯材平均宽度180mm,长度800mm,均有明显的钝棱，锯材厚度规格为20～50mm,间隔10mm,共计4块，实验编号1～4，试件实际厚度由检测***测得。厚度标定使用厚度规，规格为5mm～25mm，间隔0.5mm，30mm～60mm，间隔5mm，共计48块。宽度标定的量块宽为100mm，厚度规格为10mm～60mm，间隔5mm，共计11块。

(2)实验方法：

根据上述的检测实验模型，首先标定实验装置的厚度和宽度分辨率曲线，然后在待测规格板材宽度方向上画出一条记号线，测试时让激光线与记号线重合，得出激光测量值。再用游标卡尺测量板材记号线长度，并认为是准确的，即为实际值，最后比较实际值与测量值之间的误差值，来衡量检测***的精度和可靠性。相机的倾斜角度为45°，激光光源入射角θ＝45°情况下进行实验，激光光源入射角示意图如下图11所示，保持激光发射器照射在传送带上激光线的法线与面阵工业相机所在支架的距离不变，进行4块板材的测量，每一块板材上设定检测数目为56条线。

(3)实验数据：

表1厚度测量数据

表2、厚度模型参数表

由表1和表2可知：x₁代表翘曲板材的实际厚度，y₁代表量块测量像素值，k₁代表斜率，b₁代表截距厚度回归方程为:x₁＝k₁*y₁+b₁。

图12为厚度标定曲线示意图。

如图12所示：在激光光源入射角为45°下的厚度方向标定具有非常高的线性度，相关系数平方都在0.99以上，几乎是一条直线，模型方差0.1以下，非常小，说明模型精度非常好。

表3 45度宽度标定值

表4、宽度模型参数表

倾角	k2	b2	R2相关系数平方	σ2模型方差
					45度	0.00000036916	0.19544	0.071602	5.38e-08

如表3和表4所示：y₂代表单位像素对应实际宽度比值，x₂是翘曲锯材厚度单位(mm),k₂代表回归斜率，b₂代表截距。回归模型：y₂＝k₂*x₂+b₂。θ＝45°角度的相关系数在0.071左右，即量块实际厚度值与宽度分辨率几乎无线性关系，同时模型方差基本为0，几乎是一条水平直线。模型参数见上表4所示，同时如图13可知，当光轴与入射激光夹角为90°时，可以看出宽度方向的分辨率基本为一常数，只于测量***的光学参数有关，而与厚度并无关系，不随被测毛边锯材的厚度变化而变化，因而可以简化标定程序。可以适用于各种规格不同的板材毛边检测，极大地简化了工作流程，降低了工作强度。

表5、45°翘曲度实测数据

由表5可知，测量***可靠，翘曲度精度达到1％，最大弦长精度也在0.01，表示本发明可以实现木质板材翘曲度的在线检测。长度方向翘曲度则将木质板材长度方向通过，其他方法不变。本发明具有的优点和积极效果是：与人工检测方法相比，激光在线检测具有效率高，精度高等优点；同时采用三角测距方法进行测量，测量精度提高，实现工业在线检测。

本发明按照上述实施例进行了说明应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种斜射式木质板材翘曲的在线检测装置，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台的传送方向，依次在传送台上方的支架上设置激光发射器和面阵工业相机，且所述的激光发射器发射到传送台上待检测木质板材表面的光源经待检测木质板材反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通，其特征在于，所述的激光发射器发射的入射激光线和面阵工业相机的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，0＜入射角＜90°。

2.一种基于权利要求1所述的斜射式木质板材翘曲的在线检测装置的木质板材翘曲的在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：激光发射器向传送台上待检测木质板材发射激光光源，激光光源经待检测木质板材表面反射后通过面阵工业相机的透镜，然后由位于透镜后部的光传感器接收成像，所述的激光发射器发射的入射激光线和面阵工业相机的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，0＜入射角＜90°；

S2：所述的光传感器将接收到的光电信号转化为数字信号；

S3：计算机中的数据采集卡收集面阵工业相机的数字信号，并经过计算机的处理软件处理后得到待检测木质板材的翘曲图像轮廓，根据翘曲图像轮廓信息得到木质板材被测截面的厚度值像素和宽度值像素，并将像素单位转化为长度单位，经计算得到最大弦高h_max和待检测木质板材的实测宽度ω，得到翘曲度f_ω，

3.根据权利要求2所述的一种斜射式木质板材翘曲的在线检测方法，其特征在于，在S1步骤中，激光发射器向被测木质产品发射的激光光源为扇形激光光源，且待检测木质板材表面形成的光条为一字形光条。

4.根据权利要求2所述的一种斜射式木质板材翘曲的在线检测方法，其特征在于，在S3步骤中，最大弦高h_max的计算过程为：

x＝k·y (I)

公式(I)中，x为待检测木质板材的检测厚度值；y为面阵工业相机中待检测木质板材表面与基准底面的偏移，y在翘曲图像轮廓中表现为木质板材的厚度,k为空间分辨率，且所述的k为面阵工业相机中待检测木质板材表面与基准底面的偏移y与木质板材检测厚度值x的线性关系系数，通过公式(I)，得到x_max和x_min，而h_max＝x_max-x_min。

5.根据权利要求4所述的一种斜射式木质板材翘曲的在线检测方法，其特征在于，所述的k的数值公式为：在k的数值公式中，θ为激光发射器的入射角,β为面阵工业相机的光轴与待检测木质板材表面法线的夹角，f为相机焦距，L表示测量厚度为0时面阵工业相机成像的物距，θ+β＝90°，所以sin(θ+β)为固定值1，且当成像***固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，L、f、θ均为固定值，则k也为固定值。

6.根据权利要求2所述的一种斜射式木质板材翘曲的在线检测方法，其特征在于，待检测木质板材的实测宽度ω的计算过程为：

ω＝k₂′W' (Ⅱ)

公式(Ⅱ)中，所述的ω为待检测木质板材的实际宽度值，k₂′为待检测木质板材宽度方向的空间分辨率，W'为宽度轮廓图像中表现的待检测木质板材的宽度值，所述的k₂′为常数。

7.根据权利要求6所述的一种斜射式木质板材翘曲的在线检测方法，其特征在于，所述的k'₂＝k₂，式中：k₂为厚度为0处宽度方向的空间分辨率，当成像***固定，测量厚度为0时成像的物距和像距均为固定值，则k₂为固定值。