一种石英钟刻度盘智能识别与自动抓取装置的制作方法

本发明涉及刻度盘图像识别技术领域，具体为一种石英钟刻度盘智能识别与自动抓取装置。

背景技术：

随着工业迎来4.0的智能化时代，发展智能工厂和智能制造产业已经成为世界各个工业大国的共识。智能制造过程十分复杂，都是在传统的制造业或半自动化制造业基础上进行改进，通常由多个环节构成，每一个环节都采用一到多种智能制造装备完成。智能制造装备的环境感知和智能控制技术是高适应性、高精度、智能化作业的根本保障，也是研制智能制造装备必须首先解决的技术难题。传统的感知控制方法无法满足智能制造装备实时、高精度、模块化、无损感知等需求，而机器视觉检测控制技术则为该技术难题的解决提供了一种最优方案，因此机器视觉检测控制技术成为国内外研究的热点。

视觉检测系统就是用工业相机代替人眼睛去完成识别.测量.定位等功能。一般视觉检测系统由相机、镜头、光源组合合成，可以代替人工完成条码字符、裂痕、包装、表面图层是否完整、凹陷等检测，使用视觉检测系统能有效的提高生产流水线的检测速度和精度，大大提高产量和质量，降低人工成本，同时防止因为人眼疲劳而产生的误判，提高制造精度。

为了迎接和适应智能化工业时代，机器视觉检测控制技术也开始了飞速的发展，应用面越来越广。目前全世界的视觉检测系统从构成模式上主要分为两大类：基于x86获x64架构的pc系统和基于arm架构的嵌入式系统。pc系统是比较传统的方式，也是视觉检测系统最早的形式。但随着视觉检测系统的不断深入开发和为了适应更加复杂的工业制造环境，开发出了基于arm架构的嵌入式系统。常规视觉检测系统一般由前端图像采集、图像处理模块和io通讯模块三部分组成。

因此，在国内外将视觉检测系统应用于不同的工业上，都是研究的热点与难点，随着视觉检测系统的发展，也为石英钟刻度盘的智能化、自动化装配提供了理论依据和基础可能。在石英钟刻度盘上，其刻度相比于刻度盘相对体积较小，而且工业环境条件恶劣，与一般的图像处理系统相比，对图像质量提出了更高的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种石英钟刻度盘智能识别与自动抓取装置，将视觉检测系统应用于石英钟刻度盘的装配过程，实现智能化、自动化装配，改进石英钟的装配工艺和降低石英钟的生产成本，同时提高石英钟的制造精度和计时精度，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种石英钟刻度盘智能识别与自动抓取装置，包括抓取机构和图像采集机构，抓取机构设置在图像采集机构的一侧；所述图像采集机构由工业摄像机、工业镜头和光源组成；所述工业摄像机安装在相机固定板的上端面，在相机固定板的下端面安装有与工业摄像机位置相对应的工业镜头；所述相机固定板的一端固定在立柱上，立柱的侧壁上焊接有光源固定板，光源固定板上放置光源，光源设置在工业镜头的下方；

所述工业摄像机通过usb接口通讯连接计算机，工业摄像机内置有图像采集模块，工业摄像机通过采集窗口由图像采集模块对摄像头拍摄的图片进行图像采集；所述计算机采用halcon进行编程，由一千多个各自独立的函数，以及底层的数据管理核心构成，并且支持windows，linux和macosx操作环境，整个函数库通过c，c++，c#，visualbasic和delphi多种普通编程语言访问，在计算机内还设置有有图像处理系统，图像处理系统包括图像预处理模块、图像分析模块和图像识别模块；所述图像预处理模块采用char_threshold函数进行阈值分割获取图像；所述图像分析模块采用区域内目标转换提取图像轮廓；所述图像识别模块采用图形轮廓匹配法计算出其差异角度并显示出来，再提取此数据输出处理。

进一步地，所述抓取机构和图像采集机构均安装在工作台上，工作台上还安装有用于与抓取机构和图像采集机构配套使用的进料机构、出料机构、粘接机构和旋转机构。

进一步地，所述抓取机构由真空吸盘、气动滑台和伺服电机以及配套的行星齿轮减速器组成，气动滑台的一侧固定有气缸固定板，气缸固定板的上端与减速器连板通过螺钉固定，气动滑台的另一侧固定连接气缸连接板，气缸连接板的下端通过螺钉连接减速器安装板，减速器安装板的上方安装行星齿轮减速器，行星齿轮减速器上连接伺服电机，在减速器安装板的下端安装减速器连轴，减速器连轴的一端连接在行星齿轮减速器内，另一端连接在固定盘压盘和固定盘托盘内，固定盘压盘、固定盘托盘与减速器连轴之间通过螺钉固定，在固定盘压盘和固定盘托盘之间压合有吸盘固定盘，真空吸盘设置有多组安装在吸盘固定盘上。

进一步地，所述光源的亮度可调。

进一步地，所述工业摄像机在拍摄前预先设置相应的拍摄参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种石英钟刻度盘智能识别与自动抓取装置，目的在于将视觉检测系统应用于石英钟刻度盘的装配过程，实现智能化、自动化装配，改进石英钟的装配工艺和降低石英钟的生产成本，同时提高石英钟的制造精度和计时精度，视觉采用机器替代人眼，是人工智能的一个分支，主要作用为图像的采集和处理，实现智能识别与定位工作，将视觉检测系统引入石英钟的装配工艺，不仅仅填充石英钟制造业关于智能化方面的空白，也可以为类似的装配工艺作为先导，促进石英钟产品在国际地位竞争力的同时，也促进视觉检测系统在工业应用的发展。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的抓取机构结构示意图；

图3为本发明的图像采集机构结构图；

图4为本发明的char_threshold函数阈值分割图；

图5为本发明的轮廓提取效果图；

图6为本发明的图像处理系统模块图。

图中：1抓取机构、10固定盘托盘、101吸盘固定盘、11真空吸盘、12气动滑台、13伺服电机、14行星齿轮减速器、15气缸固定板、16气缸连接板、17减速器安装板、18减速器连轴、19固定盘压盘、2图像采集机构、21工业摄像机、22工业镜头、23光源、24相机固定板、25立柱、26光源固定板、27图像采集模块、3计算机、31图像预处理模块、32图像分析模块、33图像识别模块、4工作台、进料机构5、6出料机构、7粘接机构、8旋转机构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明实施例中：一种石英钟刻度盘智能识别与自动抓取装置，包括抓取机构1和图像采集机构2，抓取机构1和图像采集机构2均安装在工作台4上，工作台4上还安装有用于与抓取机构1和图像采集机构2配套使用的进料机构5、出料机构6、粘接机构7和旋转机构8；抓取机构1由真空吸盘11、气动滑台12和伺服电机13以及配套的行星齿轮减速器14组成，气动滑台12的一侧固定有气缸固定板15，气缸固定板15的上端与减速器连板25通过螺钉固定，气动滑台12的另一侧固定连接气缸连接板16，气缸连接板16的下端通过螺钉连接减速器安装板17，减速器安装板17的上方安装行星齿轮减速器14，行星齿轮减速器14上连接伺服电机13，在减速器安装板17的下端安装减速器连轴18，减速器连轴18的一端连接在行星齿轮减速器14内，另一端连接在固定盘压盘19和固定盘托盘10内，固定盘压盘19、固定盘托盘10与减速器连轴18之间通过螺钉固定，在固定盘压盘19和固定盘托盘10之间压合有吸盘固定盘101，真空吸盘11设置有多组安装在吸盘固定盘101上；

在上述实施例中，刻度盘纸的光滑度高，耐破度和挺度也较高，比较于夹取的方式，真空吸取更为合适和方便，纸张重量几乎忽略不计，故选用真空吸盘11吸取，纸张较薄，为了吸取更加牢靠，并且方便安装、接通气路，选择平底吸盘，接口快换，带缓冲；其次，控制刻度盘旋转角度抓取需要比较好的精度，相对于步进电机的半闭环反馈系统，伺服电机13的闭环反馈系统能够达到更高的精度要求，所以，采用伺服电机13作为驱动件，行星齿轮减速器14承载能力大，工作平稳，为了保证旋转精度，选取精密行星减速器；另外，抓取需要两点垂直运动，并且指针下降位有一定的位置要求，因此，相比于齿轮齿条机构、蜗轮蜗杆机构或丝杆机构，直接采用气缸升降不仅效率更高，而且节省空间，故采用缸执行升降操作。

请参阅图3-6，抓取机构1设置在图像采集机构2的一侧；图像采集机构2由工业摄像机21、工业镜头22和光源23组成；工业摄像机21安装在相机固定板24的上端面，在相机固定板24的下端面安装有与工业摄像机21位置相对应的工业镜头22；相机固定板24的一端固定在立柱25上，立柱25的侧壁上焊接有光源固定板26，光源固定板26上放置光源23，光源23设置在工业镜头22的下方；工业摄像机21通过usb接口通讯连接计算机3，工业摄像机21内置有图像采集模块27，工业摄像机21通过采集窗口由图像采集模块27对摄像头拍摄的图片进行图像采集；所述计算机3采用halcon进行编程，由一千多个各自独立的函数，以及底层的数据管理核心构成，并且支持windows，linux和macosx操作环境，整个函数库通过c，c++，c#，visualbasic和delphi多种普通编程语言访问，在计算机3内还设置有有图像处理系统，图像处理系统包括图像预处理模块31、图像分析模块32和图像识别模块33；图像预处理模块31采用char_threshold函数进行阈值分割获取图像；图像分析模块32采用区域内目标转换提取图像轮廓；图像识别模块33采用图形轮廓匹配法计算出其差异角度并显示出来，再提取此数据输出处理。

工作原理：本发明提供的一种石英钟刻度盘智能识别与自动抓取装置：

(1)首先抓取刻度盘，气动滑台12控制机构的升降，真空吸盘11吸取刻度盘，并将刻度盘送至图像采集机构2进行图像处理；

(2)图像采集机构2通过工业摄像机21与计算机3之间通过usb接口的通讯连接，利用halcon调用工业摄像机21，通讯在整个系统中是非常关键的一步，如果通讯失败，后续的程序就无法运行，自动检测系统也就无法启动，此外还需要对视频图像卡和相应的i/o进行初始化，设置拍摄参数，实现采集窗口的生成与图像采集模块27的连接，通过图像采集模块27对摄像头拍摄的图片进行图像采集，同时可调整光源23的强度，使得可以获得合适的清晰的图像，采集图像如图4所示；

(3)再将采集图像传送至计算机3内，计算机3首先通过图像预处理模块31对图像进行预处理，由于受到周边环境以及摄像头本身的噪声干扰，经常会出现一些点状、脉冲状、椒盐噪声，为了减少和消除图像中的噪声，需要先对图像进行平滑滤波，有利于提取对象特征进行分析例，图像滤波从大的方向上划分为空间域和变换域两大类，空间域上比较经典的方法有中值滤波、邻域平均法、加权平均，变换域图像去噪方法比较经典的变换工具有傅里叶变换、小波变换、多尺度变换等；由于中值滤波不仅可以对噪声有很好的抑制作用，而且对图像边沿有较好的保留，所以本发明采用中值滤波对图像进行平滑处理，在对图像的研究中，仅对需要识别的区域感兴趣，称为目标或背景，为了辨识和分析目标，将背景和目标这两部分区分开来，对图像进行分割，采用char_threshold函数进行阈值分割，获取图像如图5所示；

(4)计算机3通过图像分析模块32对图像进行分析，在机器视觉中将希望获取的内容用一个区域将其包括起来或者显示出来就是区域分割，因此，区域是机器视觉中的一个重要概念，英文名称roi(regionofinterest)，感兴趣区域，感兴趣区域的主要特点是减少处理时间，增加识别精度等；区域的获取主要有三种方法，直接创建、图像分割显示或xld转换，本图中的形式简单，并且刻度盘纸有夹具定位，所以采用直接创建的方法，创建一个圆形区域，并且提取区域的参数内容，包括圆心坐标与区域面积等；然后对图形目标的识别，首先要把握的是图形目标的形状，在观察和辨认目标的时候，能够感觉到该物体的边界线，称之为轮廓(xld)，即轮廓的构成图形或目标的外缘线条，与区域roi一样，xld同样是机器视觉中的重要构成，xld的英文名称为extendedlinedescription，从英文理解则表示为“延展线描述”，xld的获取也有多种方法，包括直接创建，区域转换和骨骼转换等，本发明的研究对象上轮廓分明，并且具有唯一性，因此直接采用区域内目标转换，提取轮廓，提取效果如图5所示；

(5)计算机3通过图像识别模块33对图像进行识别：图像识别是指利用计算机3对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对像的技术，在机器视觉系统中主要采用的方法是图像匹配，通过对影像内容、特征、结构、关系、纹理及灰度等的对应关系，相似性和一致性的分析，寻求相似影像目标的方法，图像匹配是机器视觉中的重中之重，也是实现功能的主要所在；图像匹配的方法主要有灰度匹配、ncc(模糊)快速匹配、图形轮廓匹配、模型匹配、变形匹配和描述符匹配等等；由于刻度盘纸上的刻度外缘轮廓特征鲜明，具有很好的识别度，因此，采用图形轮廓匹配较合适，匹配过程不仅仅简单的匹配对象，还可在匹配过程中同时计算出其差异角度，并显示出来，然后提取此数据输出处理，即完成视觉系统的工作。

综上所述：本发明提供的一种石英钟刻度盘智能识别与自动抓取装置，目的在于将视觉检测系统应用于石英钟刻度盘的装配过程，实现智能化、自动化装配，改进石英钟的装配工艺和降低石英钟的生产成本，同时提高石英钟的制造精度和计时精度，视觉采用机器替代人眼，是人工智能的一个分支，主要作用为图像的采集和处理，实现智能识别与定位工作，将视觉检测系统引入石英钟的装配工艺，不仅仅填充石英钟制造业关于智能化方面的空白，也可以为类似的装配工艺作为先导，促进石英钟产品在国际地位竞争力的同时，也促进视觉检测系统在工业应用的发展。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。