УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ МАЛОЙ КРУПНОСТИ

Настоящая полезная модель относится к измерительной технике, предназначена для отработки алгоритмов разделения минеральных объектов различной природы малой крупности по различным признакам, таким как цвет, яркость, форма, структура поверхности, и может быть применена для анализа измеренных параметров, например, с целью проверки эффективности разделения, отработки алгоритма принятия решений.
Известно техническое решение Machine vision and object sorting (HAMK University of Applied Sciences, Valkeakoski, May 2013). Это устройство представляет собой устройство для измерения и анализа параметров объектов малой крупности, предназначено для сортировки объектов согласно готовому или специально созданному алгоритму принятия решений и содержит: блок транспортировки объектов в зону анализа; блок сортировки объектов; осветительный блок, оптическую систему, приемник оптического излучения, сопряженные друг с другом и с зоной анализа и закрепленные на устройстве позиционирования; блок обработки, анализа и управления, соединенный с блоком сортировки объектов и приемником оптического излучения; устройство вывода информации, соединенное с блоком обработки, анализа и управления; источники питания элементов устройства. При этом осветительный блок может содержать один или несколько источников излучения, объединенных в одно целое, и выполнен с возможностью смены источника(ов) излучения в зависимости от геометрических размеров и формы объекта. Устройство позиционирования выполнено с возможностью линейного перемещения по вертикали закрепленных на нем осветительного блока, оптической системы и приемника оптического излучения. Управление этим устройством осуществляется механически. Блок обработки, анализа и управления представляет собой персональный компьютер, а устройство вывода информации - монитор. А блок транспортировки объектов в зону анализа состоит из емкости и поршня для выталкивания объектов из емкости, вращающегося вокруг вертикальной оси манипулятора с устройством захвата, обеспечивающим перемещение исследуемого объекта. Блок сортировки объектов включает транспортную ленту, мотор для ее вращения и элемент, перемещающийся относительно транспортной ленты в ее плоскости и разделяющий объекты на два класса в соответствии с результатами анализа.
Это известное устройство выбирается в качестве прототипа, так как оно имеет наибольшее число существенных признаков, совпадающих с существенными признаками заявляемой полезной модели.
Однако этот прототип имеет существенные недостатки, а именно:
- высокая погрешность измерений, поскольку измерения осуществляются при постоянном черном фоне (поверхность стола), это приводит к тому, что при измерении темных объектов определение границ объектов может происходить неэффективно в силу низкого контраста получаемого изображения;
- низкая скорость анализа измеренных параметров объектов, поскольку измерения осуществляются в статическом режиме при горизонтальном расположении объекта и ручной настройке элементов, кроме того, необходимо производить замену источника(ов) излучения осветительного блока в зависимости от геометрических размеров и формы объекта;
- сложная конструкция и трудоемкий процесс сборки и настройки устройства, обусловленный наличием большого количества взаимодействующих компонентов, не имеющих жесткой связи друг с другом.
Задачей настоящей полезной модели является создание нового устройства для измерения и анализа параметров объектов малой крупности с достижением следующего технического результата: упрощение конструкции при одновременном уменьшении погрешности измерения и повышении скорости анализа.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве для измерения и анализа параметров объектов малой крупности, содержащем блок транспортировки объектов в зону анализа, осветительный блок, включающий источники излучения, оптическую систему, приемник оптического излучения, сопряженные друг с другом и с зоной анализа и закрепленные на устройстве позиционирования, выполненном с возможностью линейного перемещения, блок обработки, анализа и управления, соединенный с приемником оптического излучения, устройство вывода информации, соединенное с блоком обработки, анализа и управления, согласно настоящей полезной модели, дополнительно имеется блок управления источниками излучения осветительного блока, соединенный с осветительным блоком и блоком обработки, анализа и управления и выполненный с возможностью регулировки яркости излучения источников излучения, блок управления устройством позиционирования, соединенный с устройством позиционирования и блоком обработки, анализа и управления, блок управления транспортировкой объектов в зону анализа, соединенный с блоком транспортировки объектов в зону анализа и блоком обработки, анализа и управления, и сменный фон, расположенный позади зоны анализа перпендикулярно оптической оси оптической системы, при этом осветительный блок закреплен таким образом, что его источники излучения создают равномерную освещенность фона, при этом устройство позиционирования дополнительно выполнено с возможностью регулировки угла наклона осветительного блока, оптической системы и приемника оптического излучения, а в блоке транспортировки объектов в зону измерения применена транспортная лента.
Таким образом, это заявляемое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет упростить конструкцию за счет уменьшения количества элементов, необходимых для транспортировки объекта в зону анализа, благодаря применению в блоке транспортировки объектов в зону анализа транспортной ленты, которая позволяет обеспечить непрерывную подачу объектов в зону анализа и, тем самым, производить измерения в динамическом режиме, что повышает скорость измерений и анализа. Одновременно с этим уменьшается погрешность измерений и повышается скорость анализа, благодаря полной автоматизации процесса измерений и анализа за счет наличия блоков управления источниками излучения осветительного блока, устройством позиционирования, транспортировкой объектов в зону анализа, соответственно, и благодаря наличию сменного равномерно освещенного фона и возможности регулировать угол наклона осветительного блока, оптической системы и приемника оптического излучения с помощью устройства позиционирования. Так, в зависимости от параметров объектов (например, если объекты сложно разделимы по цвету) требуется более тщательное измерение и необходимо замедлить скорость подачи объектов в зону анализа, из-за чего изменится траектория движения (падения) объектов и соответственно угол, поэтому благодаря устройству позиционирования можно скорректировать положение источников излучения осветительного блока, оптической системы и приемника оптического излучения. Причем, скорость измерений и, следовательно, анализа повышается и за счет ускорения процесса настройки освещенности объектов с помощью блока управления источниками излучения осветительного блока, позволяющего непрерывно регулировать яркость излучения источников излучения, чтобы создать равномерную освещенность зоны анализа в центре и по краям, независимо от размеров и формы объектов. Наличие сменного фона позволяет создавать максимальную контрастность изображения, что увеличивает эффективность определения границ объекта и, как следствие, уменьшает погрешность измерения геометрических параметров объекта.
Сущность заявляемой полезной модели и возможность ее практической реализации поясняется приведенным ниже описанием и чертежами.
На Фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения и анализа объектов малой крупности, где:
1 - блок транспортировки объектов в зону анализа;
2 - осветительный блок;
3 - источники излучения;
4 - оптическая система;
5 - приемник оптического излучения;
6 - устройство позиционирования;
7 - сменный фон;
8 - блок управления источниками излучения осветительного блока;
9 - блок управления устройством 6 позиционирования;
10 - блок управления транспортировкой объектов в зону анализа;
11 - блок обработки, анализа и управления;
12 - устройство вывода информации.
На Фиг. 2 представлено устройство для измерения и анализа объектов малой крупности.
Устройство для измерения и анализа параметров объектов малой крупности (Фиг. 1, 2) содержит блок 1 транспортировки объектов в зону анализа, осветительный блок 2, включающий источники 3 излучения, оптическую систему 4, приемник 5 оптического излучения, сопряженные друг с другом и с зоной анализа и закрепленные на устройстве 6 позиционирования, сменный фон 7, блок 8 управления источниками 3 излучения осветительного блока 2, блок 9 управления устройством 6 позиционирования, блок 10 управления транспортировкой объектов в зону анализа, блок 11 обработки, анализа и управления, устройство 12 вывода информации.
Блок 8 управления источниками 3 излучения осветительного блока 2 соединен с осветительным блоком 2 и блоком 11 обработки, анализа и управления и выполненный с возможностью регулировки яркости излучения источников 3 излучения. Блок 9 управления устройством 6 позиционирования соединен с устройством 6 позиционирования и блоком 11 обработки, анализа и управления. Блок 10 управления транспортировкой объектов в зону анализа соединен с блоком 1 транспортировки объектов в зону анализа и блоком 11 обработки, анализа и управления. Блок 11 обработки, анализа и управления соединен с приемником 5 оптического излучения и устройством 12 вывода информации. Оптическая система 4 соединена с приемником 5 оптического излучения и может быть снабжена автофокуссировкой.
Устройство 6 позиционирования выполнено с возможностью линейного перемещения и регулировки угла наклона осветительного блока 2, оптической системы 4 и приемника 5 оптического излучения.
При этом в блоке 1 транспортировки объектов в зону измерения применена транспортная лента (на чертеже показано условно). Сменный фон 7 расположен позади зоны анализа перпендикулярно оптической оси оптической системы 4, а осветительный блок 2 закреплен таким образом, что его источники 3 излучения создают равномерную освещенность фона 7.
В блоке 1 транспортировки объектов применяется транспортная лента, например, из полиуретана Onega (874 мм × 150 мм) ООО «КомБелт», коллекторный электродвигатель постоянного тока серии ДПМ-35-Н2-02, зубчатый ремень SKF PHG Т2,5-480-10 10 мм × 480 мм × 1,3 мм, приводной вал диаметром 30 мм, шкив приводного вала транспортной ленты SKF РНР 20-Т2.5-12 RSB диаметром 10 мм и шкив двигателя SKF PHP 20-T2.5-20RSB диаметром 16 мм. Шкив двигателя соединяется с двигателем. Шкив приводного вала соединен с приводным валом. Зубчатый ремень соединяет шкивы приводного вала и двигателя. Транспортная лента соединена с приводным валом.
В качестве приемника 5 оптического излучения может быть применена высокоскоростная линейная камера Basler sprint spL2048-39kc с частотой 40 кГц и разрешением 2048/2. Линейный сенсор Dual Line CMOS, задействованный в данном типе камеры, подходит для высокоскоростной съемки быстродвижущихся объектов благодаря возможности использования режима короткой экспозиции.
В качестве оптической системы 4 используется, например, мегапиксельный объектив Kowa с параметрами фокусного расстояния и относительного отверстия f=25 мм/F1,4.
Осветительный блок 2 может быть составлен из двух источников 3 излучения. Рабочие параметры питания осветительного блока 2 в конкретном варианте исполнения 1 ампер и 42 вольта. В качестве источников 3 излучения могут быть применены источники белого света, габаритные размеры которых 50 мм × 200 мм, состоящие, например, из 6 светоизлучающих диодов «теплого» свечения и 6 светоизлучающих диодов «холодного» свечения. В качестве блока 8 управления источниками 3 излучения осветительного блока 2 может быть применена платформа Arduino MEGA, к цифровым выходам (выходы Широтно-Импульсной Модуляции или ШИМ) которой подключаются источники 3 излучения осветительного блока 2. Платформа Arduino MEGA позволяет управлять яркостью каждого светоизлучающего диода источников 3 излучения осветительного блока 2.
Устройство 6 позиционирования в конкретном варианте исполнения может состоять из линейного транслятора и трех шаговых двигателей. Линейный транслятор обеспечивает возможность линейного перемещения по вертикали закрепленных на нем осветительного блока 2, приемника 5 оптического излучения с закрепленной на нем оптической системой 4. Шаговые двигатели дают возможность регулировать углы наклона источников 3 излучения осветительного блока 2 и приемника 5 оптического излучения с закрепленной на нем оптической системой 4.
В качестве фона 7 может быть использован лист из непрозрачного материала, например, стали, окрашенный с двух сторон матовой краской разного цвета, например, черной и белой. При этом ширина фона 7 не менее 150 мм в конкретном варианте исполнения. Фон 7 может быть размещен на подставке (на чертеже не показано) или автоматическом поворотном устройстве (на чертеже не показано), соединенном с блоком 11 обработки, анализа и управления.
В качестве блока 11 обработки, анализа и управления может быть применен персональный компьютер. Блок 11 обработки, анализа и управления снабжен устройством 12 вывода информации, например, монитором, и выполнен с возможностью обеспечивать управление всеми элементами заявляемого устройства. Устройство 12 вывода информации обеспечивает представление результатов работы алгоритмов разделения минеральных объектов различной природы малой крупности по различным признакам, таким как цвету, яркости, форме, структуре поверхности.
Заявляемое устройство применяют следующим образом.
Блок 1 транспортировки объектов подключают к блоку 10 управления транспортировкой объектов в зону анализа. Значение напряжения и тока на блоке 10 управления транспортировкой объектов в зону анализа выставляют в соответствии с необходимой скоростью движения объектов. Исходя из выбранной скорости, определяют положение зоны анализа. Оптическую систему 4 соединяют с приемником 5 оптического излучения. Приемник 5 оптического излучения и источники 3 излучения осветительного блока 2 закрепляют на устройстве 6 позиционирования. Источники 3 излучения осветительного блока 2 подключают к блоку 8 управления источниками 3 излучения осветительного блока 2. Устройство 6 позиционирования подключают к блоку 9 управления устройством 6 позиционирования. Приемник 5 оптического излучения, блок 8 управления источниками 3 излучения осветительного блока 2, блок 9 управления устройством 6 позиционирования подключают к блоку 11 обработки, анализа и управления. Регулируют положение приемника 5 оптического излучения таким образом, что оптическая ось оптической системы 4 перпендикулярна касательной к траектории движения объекта. Устанавливают сменный фон 7 позади зоны анализа перпендикулярно оптической оси оптической системы 4 при исследовании темных объектов белой стороной к оптической системе 4, а при исследовании светлых объектов черной стороной к оптической системе 4 для получения контрастного изображения. Регулируют положение источников 3 излучения осветительного блока 2 такие образом, чтобы создать равномерную освещенность сменного фона 7.
Объект исследования подают на транспортную ленту блока 1 транспортировки объектов в зону анализа. Объект падает с транспортной ленты по известной траектории. Источники 3 излучения осветительного блока 2 освещают объект. Приемник 5 оптического излучения захватывает изображение с установленным периодом и передает в блок 11 обработки, анализа и управления. Блок 11 обработки, анализа и управления формирует полученные изображения в кадры или видеоролик. Исследуемый алгоритм сортировки объектов измеряет цветовые (цвет, яркость) и геометрические параметры объектов. Результаты измерений записываются, хранятся и обрабатываются в блоке 11 обработки, анализа и управления и поступают на устройство 12 вывода информации, что позволяет оценить эффективность алгоритма сортировки.
Таким образом, заявляемое устройство для измерения и анализа параметров объектов малой крупности позволяет упростить его конструкцию при одновременном уменьшении погрешности измерения и повышении скорости анализа.