本发明涉及物品切割技术领域，更具体地说，涉及一种基于机器视觉的超声波物品切割设备及其切割方法。
背景技术：
物品切割机械是一个新兴的行业，随着人民生活水平的提高，对物品的要求在逐年增加，对物品的质量和卫生要求也越来越强烈。
传统的物品切割生产线大多是对物品、未烧制的泥砖、肥皂、小药片等物品进行切割，现均采用滚刀机构等机械切割，通过挤压变形和剪切力将物品切断。然而，这种传统的物品切割方式不仅存在切割过程中使得物品变形严重、碎屑较多和切面粗糙等缺点，而且由于物品的粘刀现象需要定期清理刀具，尤其在加工类似奶油糕点、巧克力物品和三明治等这样易粘刀的物品材料时，传统的物品切割方式使得生产效率被极大地降低。
另外，传统的物品切割生产线无法对物品进行精准定位导致切割准确率低和切割精度低，从而不仅使得切割不合格率提升造成物品浪费，而且大大降低了物品切割的质量和影响物品的后续包装、制品等工序的生产。另外，现有的物品切割方式还存在生产效率低，导致不适用于大规模生产。
因此，现需提供一种可代替传统物品切割工艺实现机器视觉的超声波物品切割，从而提高物品切割的效率、精度和准确率，进而提高后续阶段物品制作的效率和物品的成品质量，可实现大规模生产。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种切割速度快、切割后不粘刀和切割物品不易变形的基于机器视觉的超声波物品切割设备，该设备可提高物品切割的效率、精度和准确率，可根据生产需求实现物品的自动化切割，从而提高后续阶段物品制作的效率和物品的成品质量，有利于实现大规模生产。本发明的另一个目的在于提供一种切割速度快和切割精度高的基于机器视觉的超声波物品切割方法，从而提高物品切割的效率和准确率。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种基于机器视觉的超声波物品切割设备，其特征在于：包括：
传送机构，用于将物品进行传送；所述传送机构包括传送带和用于驱动传送带的驱动部件；所述传送带沿传送方向依次划分有图像采集区域和切割区域；工作时，传送机构将物品依次传送至图像采集区域和切割区域；
机器视觉机构，用于对传送至图像采集区域的物品进行图像采集，并作为获取追踪定位信息的起始位；
物品切割机构，用于根据追踪定位信息来调节切割参数和选取切割模式后，采用超声波切割方式对在切割区域传送中的物品进行追踪式或定点式定位并切割；
以及分别与传送机构、机器视觉机构和物品切割机构信号连接的控制器；
所述机器视觉机构设置在传送带中图像采集区域的上方；
所述物品切割机构设置在传送带中切割区域的上方；
所述驱动部件设置有编码器；所述驱动部件与传送带连接，并与控制器信号连接。
在上述方案中，通过控制器对传送机构、机器视觉机构和物品切割机构进行控制，可实现物品的传送——物品信息和传送信息的获取——对物品进行追踪定位和超声波切割技术切割的全自动化过程。该设备可根据生产需求实现物品的超声波技术自动化切割，不仅在切割过程中解决物品变形严重、碎屑较多和切面粗糙等问题，而且采用超声波切割技术不会出现物品粘刀现象，尤其在加工类似奶油糕点、巧克力物品和三明治等这样易粘刀的材料时，这样就无需定期清理刀具，与传统的物品切割方式相比大大提高物品的生产效率。
另外，本发明可根据追踪定位信息来调节切割参数和选取切割模式后，采用超声波切割方式对在切割区域传送中的物品进行追踪式或定点式定位并切割，可有效提高物品切割的效率、精度和准确率，从而提高后续阶段物品制作的效率和物品的成品质量，有利于实现大规模生产。
所述机器视觉机构包括面光源和图像采集器；所述面光源设置在传送带中图像采集区域的上方；所述图像采集器从面光源中部伸出并正对图像采集区域；所述图像采集器与控制器信号连接；所述图像采集区域为面光源的光照区域；
所述追踪定位信息是指，通过图像采集得到物品在传送带上的位置信息、物品在传送带上的摆放角度信息和物品的数量，以及驱动部件的编码器读数。
本发明通过在面光源的光照区域进行物品图像的采集，可得到清晰明确的物品图像信息。同时，图像采集器采集图像时，控制器可获取追踪定位信息，以供后续对物品的定位和切割。
所述物品切割机构包括设置在传送带中切割区域上方的超声波切刀部件和机器人；所述机器人与超声波切刀部件连接，并与控制器信号连接。
所述超声波切刀部件包括基座、用于与机器人连接的安装治具、超声波切刀、超声波控制线缆和超声波发生控制器；所述超声波切刀设置在基座底部；所述超声波控制线缆设置在基座顶端，并分别与超声波发生控制器和超声波切刀连接；所述安装治具一端与基座连接，另一端与机器人连接，实现机器人根据追踪定位信息对超声波切刀的旋转角度、升降高度和移动范围进行调节和对切割模式进行选取，以带动超声波切刀对切割区域传送中的物品进行追踪式或定点式定位并切割；
所述切割区域为机器人带动超声波切刀部件移动的范围。
本发明通过机器人来控制超声波切刀对切割区域传送中的物品进行追踪式或定点式定位并切割，这样可大大提高超声波切刀运动的灵活性和操控性。该机器人可采用scara的四轴机器人，其中，通过scara的四轴机器的第四轴实现超声波切刀的旋转，通过scara的四轴机器的第三轴实现超声波切刀的升降，通过scara的四轴机器的第一轴和第二轴实现超声波切刀的移动，这样旋转、升降和移动多个动作通过scara的四轴机器人实现同步进行，从而提高物品切割的灵活性、操控性和快速性。
所述超声波切刀部件还包括用于在超声波切刀切割物品时压挡物品的挡片和弹簧；所述挡片设置在超声波切刀的两侧，弹簧一端与挡片连接，另一端与基座连接。本发明通过挡片的弹性压挡不仅可有效保证物品切割不发生形变，而且可实现物品平压切割以防止切割时物品移动或移位，从而进一步提高切割的精度。
一种基于机器视觉的超声波物品切割方法，其特征在于：包括送料工序、采集信息工序和物品切割工序；
其中，所述送料工序是指通过带有编码器的驱动部件驱动传送带，传送带将物品依次传送至图像采集区域和切割区域；
所述采集信息工序是指对传送至图像采集区域的物品进行图像采集，并作为获取追踪定位信息的起始位；
所述物品切割工序是指根据追踪定位信息来调节切割参数和选取切割模式后，采用超声波切割方式对在切割区域传送中的物品进行追踪式或定点式定位并切割；
所述追踪定位信息是指，通过图像采集得到物品在传送带上的位置信息、物品在传送带上的摆放角度信息和物品的数量，以及驱动部件的编码器读数。
在上述方案中，通过控制器对送料工序、采集信息工序和物品切割工序，可实现物品的传送——物品信息和传送信息的获取——对物品进行追踪定位和超声波切割技术切割的全自动化过程。该方法可根据追踪定位信息来调节切割参数和选取切割模式后，采用超声波切割方式对在切割区域传送中的物品进行追踪式或定点式定位并切割，可有效提高物品切割的效率、精度和准确率，从而提高后续阶段物品制作的效率和物品的成品质量，有利于实现大规模生产。
所述对传送至图像采集区域的物品进行图像采集，并作为获取追踪定位信息的起始位是指：设置面光源和在面光源中部设置图像采集器，图像采集区域为面光源的光照区域；通过图像采集器对传送至图像采集区域的物品进行图像采集，并开始获取追踪定位信息。
所述根据追踪定位信息来调节切割参数和选取切割模式后，采用超声波切割方式对在切割区域传送中的物品进行追踪式或定点式定位并切割是指：设置超声波切刀，通过机器人根据追踪定位信息对超声波切刀的旋转角度、升降高度和移动范围进行调节，以及对超声波切刀切割模式进行选取，实现带动超声波切刀对切割区域传送中的物品进行追踪式或定点式定位并切割；
所述切割区域为机器人带动超声波切刀移动的范围。
所述对超声波切刀切割模式进行选取是指：包括以下步骤：
第一步，通过追踪定位信息中物品在传送带上的位置信息来确定物品在传送带上的分布：若n个物品在传送带同一纵向方向并列，则判断传送至切割区域的物品为并列分布，进行第二步；否则，判断传送至切割区域的物品为沿传送方向顺序分布，进行第三步或第四步；其中，n≥2且n为自然数；
第二步，对同一纵向方向的n个并列物品进行排序，通过升序的方式作为超声波切刀的切割模式：
(1)遍历n个并列物品位置信息得到每个物品的userid，按照由靠近机器人向远离机器人方向的n个并列物品的userid进行排序，或者按照由远离机器人向靠近机器人方向的n个并列物品的userid进行排序；
(2)将升序结果放入传送带物件列表，以作为超声波切刀的切割模式；
第三步，通过最先到达传送带下游位置物品的顺序方式，作为超声波切刀的切割模式；
第四步，对n个物品进行排序，通过升序的方式作为超声波切刀的切割模式：
i.遍历n个物品位置信息得到每个物品的userid，按照由靠近机器人向远离机器人方向的n个物品的userid进行排序，或者按照由远离机器人向靠近机器人方向的n个物品的userid进行排序；
ii.将升序结果放入传送带物件列表，以作为超声波切刀的切割模式。
本发明可根据物品在传送带上的分布情况，选择相应的超声波切刀切割模式对物品进行切割，这样可大大提高切割效率，而且不会存在漏切割的状况，有利于物品切割的大规模生产。
超声波切刀切割物品时，还包括对物品进行弹性压挡的步骤；
所述对物品进行弹性压挡的步骤是指：在超声波切刀的两侧设置挡片和弹簧，所述挡片与弹簧相抵，实现超声波切刀下降切割时挡片对物品弹性压挡以实现物品平压切割。本发明通过挡片的弹性压挡不仅可有效保证物品切割不发生形变，而且可实现物品平压切割以防止切割时物品移动或移位，从而进一步提高切割的精度。
本发明的基于机器视觉的超声波物品切割设备的工作过程是这样的：
1、待切割的物品通过传送带依次传送至图像采集区域和切割区域；
2、图像采集器对传送到图像采集区域(面光源照射区域)的物品进行图像采集，并开始获取追踪定位信息传送给控制器；
3、控制器根据追踪定位信息来调节切割参数和选取切割模式后，控制机器人根据选取的切割模式驱动超声波切刀进行角度旋转、高度升降和移动，对切割区域传送中的物品进行追踪式或定点式定位并切割；
4、超声波切刀切割物品时，采用挡片对物品弹性压挡以实现物品平压切割；
5、切割后的物品通过传送带离开切割区域。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明基于机器视觉的超声波物品切割设备具有切割速度快、切割后不粘刀和切割物品不易变形的特点。同时，该设备可提高物品切割的效率、精度和准确率，可根据生产需求实现物品的自动化切割，从而提高后续阶段物品制作的效率和物品的成品质量，有利于实现大规模生产。
2、本发明一种基于机器视觉的超声波物品切割方法具有切割速度快和切割精度高的特点，从而提高物品切割的效率和准确率。
附图说明
图1是本发明基于机器视觉的超声波物品切割设备的示意图一；
图2是本发明基于机器视觉的超声波物品切割设备的示意图二；
图3是本发明基于机器视觉的超声波物品切割方法中，对超声波切刀切割模式进行选取的流程图；
图4是本发明基于机器视觉的超声波物品切割方法中，第二步或第四步的排序流程图；
其中，1为物品、2为传送带、2.1为图像采集区域、2.2为切割区域、3为机器视觉机构、3.1为面光源、3.2为图像采集器、4为物品切割机构、4.1为机器人、4.2为基座、4.3为安装治具、4.4为超声波切刀、4.5为超声波控制线缆、4.6为超声波发生控制器、4.7为挡片、4.8为弹簧。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
本实施例采用设备切割的物品以三明治食品为例对下面进行说明。
如图1和图2所示，本发明一种基于机器视觉的超声波物品切割设备包括：
传送机构，用于将物品1进行传送，该传送机构包括传送带2和用于驱动传送带2的伺服电机，其中，传送带2沿传送方向依次划分有图像采集区域2.1和切割区域2.2；工作时，传送机构将物品1依次传送至图像采集区域2.1和切割区域2.2；
机器视觉机构3，用于对传送至图像采集区域2.1的物品1进行图像采集，并作为获取追踪定位信息的起始位；
物品切割机构4，用于根据追踪定位信息来调节切割参数和选取切割模式后，采用超声波切割方式对在切割区域2.2传送中的物品1进行追踪式或定点式定位并切割；
以及分别与传送机构、机器视觉机构3和物品切割机构4信号连接的控制器；
本发明的机器视觉机构3设置在传送带2中图像采集区域2.1的上方，物品切割机构4设置在传送带2中切割区域2.2的上方，而伺服电机设置有编码器，伺服电机与传送带2连接，并与控制器信号连接。
机器视觉机构3包括面光源3.1和图像采集器3.2，其中，面光源3.1设置在传送带2中图像采集区域2.1的上方，图像采集器3.2从面光源3.1中部伸出并正对图像采集区域2.1，图像采集器3.2与控制器信号连接，而图像采集区域2.1为面光源3.1的光照区域。而上述追踪定位信息是指，通过图像采集得到物品1在传送带2上的位置信息、物品1在传送带2上的摆放角度信息和物品1的数量，以及伺服电机的编码器读数。
本发明物品切割机构4包括设置在传送带2中切割区域2.2上方的超声波切刀部件和机器人4.1，其中，机器人4.1与超声波切刀部件连接，并与控制器信号连接。超声波切刀部件包括基座4.2、用于与机器人4.1连接的安装治具4.3、超声波切刀4.4、超声波控制线缆4.5和超声波发生控制器4.6，其中，超声波切刀4.4设置在基座4.2底部，超声波控制线,4.5设置在基座4.2顶端，并分别与超声波发生控制器4.6和超声波切刀4.4连接，安装治具4.3一端与基座4.2连接，另一端与机器人4.1连接，实现机器人4.1根据追踪定位信息对超声波切刀4.4的旋转角度、升降高度和移动范围进行调节和对切割模式进行选取，以带动超声波切刀4.4对切割区域2.2传送中的物品1进行追踪式或定点式定位并切割。而切割区域2.2为机器人4.1带动超声波切刀部件移动的范围。
本实施例的机器人4.1采用scara的四轴机器人，通过scara的四轴机器的第四轴实现超声波切刀4.4的旋转，通过scara的四轴机器的第三轴实现超声波切刀4.4的升降，通过scara的四轴机器的第一轴和第二轴实现超声波切刀4.4的移动，这样旋转、升降和移动多个动作通过scara的四轴机器人实现同步进行，从而提高物品切割的灵活性、操控性和快速性。
为了进一步提高切割的精确度，超声波切刀部件还包括用于在超声波切刀4.4切割物品时压挡物品的挡片4.7和弹簧4.8，其中，挡片4.7设置在超声波切刀4.4的两侧，弹簧4.8一端与挡片4.7连接，另一端与基座4.2连接。本发明通过挡片4.7的弹性压挡不仅可有效保证物品1切割不发生形变，而且可实现物品1平压切割以防止切割时物品1移动或移位，从而进一步提高切割的精度。
本发明超声波物品切割设备采用的切割方法是这样的：包括送料工序、采集信息工序和物品切割工序；
其中，送料工序是指通过带有编码器的伺服电机驱动传送带2，传送带2将物品1依次传送至图像采集区域2.1和切割区域2.2；
采集信息工序是指对传送至图像采集区域2.1的物品1进行图像采集，并作为获取追踪定位信息的起始位；
物品切割工序是指根据追踪定位信息来调节切割参数和选取切割模式后，采用超声波切割方式对在切割区域2.2传送中的物品1进行追踪式或定点式定位并切割；
而上述追踪定位信息是指，通过图像采集得到物品1在传送带2上的位置信息、物品1在传送带2上的摆放角度信息和物品1的数量，以及伺服电机的编码器读数。
其中，上述对传送至图像采集区域2.1的物品1进行图像采集，并作为获取追踪定位信息的起始位是指：设置面光源3.1和在面光源3.1中部设置图像采集器3.2，图像采集区域2.1为面光源3.1的光照区域；通过图像采集器3.2对传送至图像采集区域2的物品1进行图像采集，并开始获取追踪定位信息。
上述根据追踪定位信息来调节切割参数和选取切割模式后，采用超声波切割方式对在切割区域2.2传送中的物品1进行追踪式或定点式定位并切割是指：设置超声波切刀4.4，通过机器人4.1根据追踪定位信息对超声波切刀4.4的旋转角度、升降高度和移动范围进行调节，以及对超声波切刀4.4切割模式进行选取，实现带动超声波切刀4.4对切割区域2.2传送中的物品1进行追踪式或定点式定位并切割。而切割区域2.2为机器人4.1带动超声波切刀4.4移动的范围。
本发明方法中，对超声波切刀切割模式进行选取是指：如图3所示，包括以下步骤：
第一步，通过追踪定位信息中物品1在传送带2上的位置信息来确定物品1在传送带2上的分布：若n个物品1在传送带2同一纵向方向并列，则判断传送至切割区域2.2的物品1为并列分布，进行第二步；否则，判断传送至切割区域2.2的物品1为沿传送方向顺序分布，进行第三步或第四步；其中，n≥2且n为自然数；
第二步，对同一纵向方向的n个并列物品1进行排序，通过升序的方式作为超声波切刀4.4的切割模式，如图4所示：
(1)遍历n个并列物品1位置信息得到每个物品1的userid，按照由靠近机器人4.1向远离机器人4.1方向的n个并列物品1的userid进行排序，或者按照由远离机器人4.1向靠近机器人4.1方向的n个并列物品1的userid进行排序；
(2)将升序结果放入传送带物件列表，以作为超声波切刀4.4的切割模式；
第三步，通过最先到达传送带2下游位置物品1的顺序方式，作为超声波切刀4.4的切割模式；
第四步，对n个物品1进行排序，通过升序的方式作为超声波切刀4.4的切割模式，如图4所示：
i.遍历n个物品1位置信息得到每个物品1的userid，按照由靠近机器人4.1向远离机器人4.1方向的n个物品1的userid进行排序，或者按照由远离机器人4.1向靠近机器人4.1方向的n个物品1的userid进行排序；
ii.将升序结果放入传送带物件列表，以作为超声波切刀4.4的切割模式。
本发明可根据物品1在传送带2上的分布情况，选择相应的超声波切刀4.4切割模式对物品进行切割，这样可大大提高切割效率，而且不会存在漏切割的状况，有利于物品1切割的大规模生产。
本发明方法在超声波切刀切割物品1时，还包括对物品1进行弹性压挡的步骤，具体为：在超声波切刀4.4的两侧设置挡片4.7和弹簧4.8，挡片4.7与弹簧4.8相抵，实现超声波切刀4.4下降切割时挡片4.7对物品1弹性压挡以实现物品1平压切割。
本发明的基于机器视觉的超声波物品切割设备的工作过程是这样的：
1、待切割的物品1通过传送带2依次传送至图像采集区域2.1和切割区域2.2；
2、图像采集器3.2对传送到图像采集区域2.1(面光源照射区域)的物品1进行图像采集，并开始获取追踪定位信息传送给控制器；
3、控制器根据追踪定位信息来调节切割参数和选取切割模式后，控制机器人4.1根据选取的切割模式驱动超声波切刀4.4进行角度旋转、高度升降和移动，对切割区域2.2传送中的物品1进行追踪式或定点式定位并切割；
4、超声波切刀4.4切割物品1时，采用挡片4.7对物品1弹性压挡以实现物品1平压切割；
5、切割后的物品1通过传送带2离开切割区域2.2。
本实施例切割的物品不仅仅限于三明治，切割物品可为未烧制的泥砖、肥皂和小药片等物品，也可为奶油糕点、巧克力物品和蛋糕等食品。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。