CN102513819A - 直角式膨胀螺栓与螺丝自动装配装置及其缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直角式膨胀螺栓螺丝自动装配装置及其缺陷检测方法。盖盘、螺丝嵌入盘、直角式膨胀螺栓侧面固定盘自上而下安装在固定轴上随着电机转动，通过调节固定螺丝使盖盘、螺丝嵌入盘、直角式膨胀螺栓侧面固定盘与水平面成一角度，从而在转动过程中螺丝会缓慢向下进入直角式膨胀螺栓螺孔完成装配。本发明进料后采用特殊机构以及对射式光电传感器与电磁阀的配合，使螺丝进入嵌入盘正好在直角式膨胀螺栓螺孔上方，而且盖盘和螺丝嵌入盘与水平面是成一角度，在逆时针转动过程中，螺丝进入直角式膨胀螺栓螺孔不会瞬间产生过大的力而损坏直角式膨胀螺栓，而且，本发明将基于灰度变化强度作为模板匹配时的阈值，提升了三次匹配的速度。

Description

直角式膨胀螺栓与螺丝自动装配装置及其缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及一种机器视觉检测方法及装置，具体涉及一种直角式膨胀螺栓与螺丝自动装配装置及其缺陷检测方法。

背景技术

目前直角式膨胀螺栓主要通过工人手工将螺丝拧入直角式膨胀螺栓的螺丝口，不仅速度慢、效率低，而且耗费大量的人力成本，这时就产生了自动化装配技术，其技术主要特点是通过特殊的一些机械结构之间的相互配合来达到两种不同零件在结构上的装配，不仅大大提升了装配的速度和效率，而且还可以节省大量的人力成本。

而且，传统的人工肉眼检测表面缺陷的方法不仅效率低，难以实现在线检测，而且评判标准不一，具有主观因素，机器视觉方法是一种新型的检测方法，已被广泛应用于缺陷检测行业，主要具有速度快、准确可靠等优点。

缺陷检测最经常采用的检测算法就是模板匹配算法，提取表面某一特征，然后在图像中进行搜索匹配，但是这种方法速度慢，尤其是存在多个匹配时。

发明内容

针对目前直角式膨胀螺栓生产行业存在的问题，本发明的目的在于提出一种直角式膨胀螺栓螺丝自动装配装置及其表面缺陷检测方法，有效的解决了直角式膨胀螺栓生产效率低和缺陷检测速度慢、稳定性差的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种直角式膨胀螺栓与螺丝自动装配装置：

本发明包括计算机、PLC控制器、螺丝导轨、螺丝固定片、第一固定轴、螺丝传送盘、对射式光电传感器、成品剔出机构、USB工业相机、环形LED光源、直角式膨胀螺栓侧面固定盘、螺丝嵌入盘、固定螺丝、盖盘、第二固定轴、直角式膨胀螺栓固定片、挡片、冲击气缸、吹气口、一转二接口、直角式膨胀螺栓导轨、电磁阀、气源处理单元、气源、工作台、小齿轮、大齿轮、减速器和电机；电机与减速器相连，减速器与第二固定轴相连，盖盘、螺丝嵌入盘、直角式膨胀螺栓侧面固定盘和大齿轮按从上到下依次固定在第二固定轴上，盖盘、螺丝嵌入盘、直角式膨胀螺栓侧面固定盘位于工作台上方，大齿轮位于工作台下方，大齿轮和小齿轮相互啮合，小齿轮和螺丝传送盘从下到上安装在第一固定轴上，螺丝固定片安装在螺丝传送盘的螺丝进料一侧的边缘，直角式膨胀螺栓固定片安装在直角式膨胀螺栓进料与螺丝完成装配一侧的盖盘一侧的边缘，成品剔出机构安装在螺丝嵌入盘与直角式膨胀螺栓侧面固定盘之间，挡片安装于直角式膨胀螺栓进料口，气源与气源处理单元相连，气源处理单元又同电磁阀相连，电磁阀通过三通接口分别与冲击气缸和吹气口相连，冲击气缸安装于直角式膨胀螺栓进料口末端，吹气口安装于直角式膨胀螺栓导轨上方，对射式光电传感器安装于直角式膨胀螺栓侧面固定盘边缘处，PLC控制器与电磁阀、对射式光电传感器、LED环形光源、USB工业相机和计算机相连，同时USB工业相机与计算机的USB接口相连。

所述的盖盘、螺丝嵌入盘和直角式膨胀螺栓侧面固定盘通过圆周面上的固定螺丝连接，并通过调节固定螺丝，使盖盘和螺丝嵌入盘按照螺丝进口一侧向上与水平面成1～5°，直角式膨胀螺栓侧面固定盘按照螺丝进口一侧向下与水平面成1～5°。

二、一种直角式膨胀螺栓缺陷检测方法，该方法步骤如下：

1)人工预先采集一张直角式膨胀螺栓合格产品的图像存入计算机中，设定图像中产品的螺孔槽、正平面和凸起圆柱三个特征作为目标图像P1、P2和P3，并设定每个图像的阈值T1、T2、T3；

2)读取在线采集的图像，将该图像中产品区域选定为ROI区域，将ROI区域中的图像作为源图像S；

3)在源图像S中开始搜索目标图像P1，计算阈值最小的区域，若阈值最小值高于阈值T1，则进入步骤4)，若阈值最小值低于阈值T1，则开始搜索目标图像P2，计算阈值最小的区域，若阈值最小值高于阈值T2，则进入步骤4)，若阈值最小值低于阈值T2，则开始搜索目标图像P3，计算阈值最小的区域，若阈值最小值高于阈值T3，则进入步骤4)，若阈值最小值低于阈值T3，检测结束，认为该产品合格，进行下一图像的检测；

4)产品不合格，给出报警信号。

所述步骤3)的阈值T1、阈值T2和阈值T3计算方法相同，用阈值T表示如下：

$T=\frac{\underset{s}{\mathrm{\Σ}}\underset{t}{\mathrm{\Σ}}[f(s,t)-\stackrel{\‾}{f}(s,t)]}{\sqrt{{\left\{\underset{s}{\mathrm{\Σ}}\underset{t}{\mathrm{\Σ}}\right|f(s,t)-\stackrel{\‾}{f}(s,t)\left|\right\}}^2}}$

其中：f表示目标图像P在源图像S中当前位置相重合的区域的灰度值，

表示目标图像P的灰度值；公式分子部分为源图像S中与目标图像P相重合位置和目标图像P灰度值的差值总和，公式分母部分为分子部分差值的绝对值总和。

本发明具有的有益效益是：

本发明的机械结构比较简单，进料后采用特殊机构以及对射式光电传感器与电磁阀的配合，使螺丝进入嵌入盘并且正好在直角式膨胀螺栓螺孔上方，而且盖盘和螺丝嵌入盘与水平面是成一角度，在逆时针转动过程中，螺丝进入直角式膨胀螺栓螺孔不会瞬间产生过大的力而损坏直角式膨胀螺栓，从而达到自动装配的目的，大大节省了人工成本，提升了加工效率，而且，直角式膨胀螺栓缺陷检测采用机器视觉检测方法，速度快、准确可靠，同时，将基于灰度变化强度作为模板匹配时的阈值，大大提升了三次匹配的速度，但准确度亦满足要求。

附图说明

图1是本发明装置的结构原理俯视图。

图2是图1的主视图。

图3是直角式膨胀螺栓结构图。

图4是本发明盖盘俯视图。

图5是本发明螺丝嵌入盘俯视图。

图6是本发明直角式膨胀螺栓侧面固定盘俯视图。。

图7是本发明方法的流程图。

图1中：1：计算机；2：PLC控制器；3：螺丝导轨；4：螺丝固定片；5：第一固定轴；6：螺丝传送盘；7：对射式光电传感器；8：成品剔出机构；9：USB工业相机；10：环形LED光源；11：直角式膨胀螺栓侧面固定盘；12：螺丝嵌入盘；13：固定螺丝；14：盖盘；15：第二固定轴、16：直角式膨胀螺栓固定片；17挡片；18：冲击气缸；19：吹气口；20：三通接口；21：直角式膨胀螺栓导轨；22：电磁阀；23：气源处理单元；24：气源；25：工作台；

图2中：26：小齿轮；27：大齿轮；28：减速器；29：电机；

图3中：30：螺孔；31：螺孔槽；32：正平面；33：凸起圆柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明包括计算机1、PLC控制器2、螺丝导轨3、螺丝固定片4、第一固定轴5、螺丝传送盘6、对射式光电传感器7、成品剔出机构8、USB工业相机9、环形LED光源10、直角式膨胀螺栓侧面固定盘11、螺丝嵌入盘12、固定螺丝13、盖盘14、第二固定轴15、直角式膨胀螺栓固定片16、挡片17、冲击气缸18、吹气口19、三通接口20、直角式膨胀螺栓导轨21、电磁阀22、气源处理单元23、气源24、工作台25、小齿轮26、大齿轮27、减速器28和电机29；电机29与减速器28相连，减速器28与第二固定轴15相连，盖盘14、螺丝嵌入盘12、直角式膨胀螺栓侧面固定盘11和大齿轮27按从上到下依次固定在第二固定轴15上，盖盘14、螺丝嵌入盘12、直角式膨胀螺栓侧面固定盘11位于工作台上方，大齿轮27位于工作台25下方，大齿轮27和小齿轮26相互啮合，小齿轮26和螺丝传送盘6从下到上安装在第一固定轴5上，螺丝固定片4安装在螺丝传送盘6的螺丝进料一侧的边缘，直角式膨胀螺栓固定片16安装在直角式膨胀螺栓进料与螺丝完成装配一侧的盖盘14一侧的边缘，成品剔出机构8安装在螺丝嵌入盘12与直角式膨胀螺栓侧面固定盘11之间，挡片17安装于直角式膨胀螺栓进料口，气源24与气源处理单元23相连，气源处理单元23又同电磁阀22相连，电磁阀22通过三通接口20分别与冲击气缸18和吹气口19相连，冲击气缸18安装于直角式膨胀螺栓进料口末端，吹气口19安装于直角式膨胀螺栓导轨上方，对射式光电传感器7安装于直角式膨胀螺栓侧面固定盘11边缘处，PLC控制器2与电磁阀22、对射式光电传感器7、LED环形光源10、USB工业相机9和计算机1相连，同时USB工业相机9与计算机1的USB接口相连。

所述的盖盘14如图4所示、螺丝嵌入盘12如图5所示和直角式膨胀螺栓侧面固定盘11如图6所示通过圆周面上的固定螺丝13连接，并通过调节固定螺丝13，使盖盘14和螺丝嵌入盘12按照螺丝进口一侧向上与水平面成1～5°，如图2所示，直角式膨胀螺栓侧面固定盘11按照螺丝进口一侧向下与水平面成1～5°，如图2所示。

机械结构主要采用钢作为加工材料，螺丝传送盘直径为20cm，厚度为0.3cm，边缘均匀分布16个螺丝孔，螺丝孔最大宽度为0.5cm，盖盘直径为41cm，厚度为0.5cm，螺丝嵌入盘最大直径为42.5cm，厚度为0.3cm，边缘均匀分布36个螺丝嵌入口，嵌入口最大宽度为0.5cm，直角式膨胀螺栓侧面固定盘最大直径为44cm，厚度为0.3cm，均匀分布36个缺口。电磁阀采用普通两位五通阀，冲击气缸为前顶式气缸，对射式光电传感器发射极和接受极分布在直角式膨胀螺栓侧面固定盘缺口上下位置。所装配的螺丝为自攻型螺丝，直径为0.4cm，螺丝头直径为0.6cm。USB工业相机采用大恒GV-400UM型CCD相机，镜头为Computar2/3”JC系列焦距为25mm的镜头，光源采用CCSLDR2-50RD，控制器采用欧姆龙CPIE型PLC，对射式光电传感器为欧姆龙E3Z-G6型光电开关。

盖盘14、螺丝嵌入盘12、料件侧面固定盘11和大齿轮27按从上到下的顺序固定在第二固定轴15上，通过固定螺丝13的调节，使盖盘14和螺丝嵌入盘12按照螺丝进口一侧与水平面成1～5°，两者相隔距离为0.2cm，直角式膨胀螺栓侧面固定盘11按照螺丝进口一侧与水平面成1～5°。螺丝传送盘6和小齿轮26固定在第一固定轴5上，并且小齿轮26和大齿轮27相互啮合，转速比为4∶9，大齿轮27为逆时针旋转。气源处理单元23与气源24相连，将输出气压控制在0.3mpa，输出与电磁阀22相连，电磁阀22控制吹气口19和气缸18动作。USB工业相机9安装于直角式膨胀螺栓转过直角式膨胀螺栓固定片16且还未掉落的中间位置，拍摄方向正对直角式膨胀螺栓的正平面32、凸起圆柱33和螺孔槽31。PLC控制器2输出与电磁阀、USB工业相机9和环形LED光源10相连，输入和光电传感器7相连。

本实施例的作业过程为：

螺丝整齐排入螺丝导轨3，当螺丝传送盘6顺时针转动，缺口正好对准导轨6出口时，螺丝由于推力作用进入螺丝传送盘6的缺口中，而且螺丝头正好可以卡在缺口和螺丝固定片4上面不至于掉落，随着转动，螺丝在螺丝传送盘6和螺丝嵌入盘12相切处被传入螺丝嵌入盘12的缺口中，盖盘14正好可以盖住1/3的螺丝头，从而使螺丝不会掉落。对射式光电传感器7的发射端和接受端正好分布于直角式膨胀螺栓侧面固定盘11的上下，检测到一个缺口后，PLC控制器2接受信号，驱动电磁阀22工作，吹气口19将直角式膨胀螺栓往前一吹，将第一个直角式膨胀螺栓吹至挡片17处，同时冲击气缸18动作将直角式膨胀螺栓推入，此时直角式膨胀螺栓凸起圆柱33朝外，螺孔30正上方对着螺丝，直角式膨胀螺栓在直角式膨胀螺栓侧面固定盘11的推力下随着圆盘逆时针转动，凸起圆柱33正好架在直角式膨胀螺栓固定片16上面，并通过调节固定螺丝13，使盖盘14和螺丝嵌入盘12按照螺丝进口一侧向上与水平面成5°，直角式膨胀螺栓侧面固定盘11按照螺丝进口一侧向下与水平面成5°，同时直角式膨胀螺栓为水平转动，所以螺丝将缓慢向下进入螺孔槽31，完成装配，最后碰到成品剔出机构8时，掉出圆盘。对射式光电传感器7检测到一个缺口就代表将有一个直角式膨胀螺栓被推入，也就是有一个直角式膨胀螺栓完成装配掉落，所以，PLC控制器2每接收一次对射式光电传感器7输出信号，就控制USB工业相机9拍照一次，LED环形光源10也相应点亮200ms，同时USB工业相机9将所拍摄的图像传入计算机1显示。

如图7流程图所示，预先采集一张正确直角式膨胀螺栓产品的图片，然后将如图3所示凸起圆柱33、正平面32和螺孔槽31这三个特征的平面灰度特征作为三个目标图像P1、P2和P3。将三者的相似阈值设定为0.2、0.4和0.4。

上述工作完成后，进入在线检测，具体步骤如下：

1)读取在线采集的图像，将图像中产品区域选定为ROI区域，以提高运行效率，将ROI图像作为源图像S。

2)在源图像S中开始搜索目标图像P1，计算阈值最小的区域，若最小值阈值T1高于0.2，则进入步骤4)，若最小值阈值T1低于0.2，则开始搜索目标图像P2，计算阈值最小的区域，若最小值阈值T2高于0.4，则进入步骤4)，若最小值阈值T2低于0.4，则开始搜索目标图像P3，计算阈值最小的区域，若最小值阈值T3高于0.4，则进入步骤4)，若最小值阈值T3低于0.4，检测结束，认为该产品合格，进行下一图像的检测。

上述步骤的阈值T1、阈值T2和阈值T3计算方法相同，用阈值T表示如下：

$T=\frac{\underset{s}{\mathrm{\Σ}}\underset{t}{\mathrm{\Σ}}[f(s,t)-\stackrel{\‾}{f}(s,t)]}{\sqrt{{\left\{\underset{s}{\mathrm{\Σ}}\underset{t}{\mathrm{\Σ}}\right|f(s,t)-\stackrel{\‾}{f}(s,t)\left|\right\}}^2}}$

其中：f表示目标图像P在源图像S中当前位置相重合的区域的灰度值，

表示目标图像P的灰度值；公式分子部分为源图像S中与目标图像P相重合位置和目标图像P灰度值的差值总和，公式分母部分为分子部分差值的绝对值总和。

Claims (4)

1.一种直角式膨胀螺栓螺丝自动装配装置，其特征在于：包括计算机(1)、PLC控制器(2)、螺丝导轨(3)、螺丝固定片(4)、第一固定轴(5)、螺丝传送盘(6)、对射式光电传感器(7)、成品剔出机构(8)、USB工业相机(9)、环形LED光源(10)、直角式膨胀螺栓侧面固定盘(11)、螺丝嵌入盘(12)、固定螺丝(13)、盖盘(14)、第二固定轴(15)、直角式膨胀螺栓固定片(16)、挡片(17)、冲击气缸(18)、吹气口(19)、三通接口(20)、直角式膨胀螺栓导轨(21)、电磁阀(22)、气源处理单元(23)、气源(24)、工作台(25)、小齿轮(26)、大齿轮(27)、减速器(28)和电机(29)；电机(29)与减速器(28)相连，减速器(28)与第二固定轴(15)相连，盖盘(14)、螺丝嵌入盘(12)、直角式膨胀螺栓侧面固定盘(11)和大齿轮(27)按从上到下依次固定在第二固定轴(15)上，盖盘(14)、螺丝嵌入盘(12)、直角式膨胀螺栓侧面固定盘(11)位于工作台上方，大齿轮(27)位于工作台(25)下方，大齿轮(27)和小齿轮(26)相互啮合，小齿轮(26)和螺丝传送盘(6)从下到上安装在第一固定轴(5)上，螺丝固定片(4)安装在螺丝传送盘(6)的螺丝进料一侧的边缘，直角式膨胀螺栓固定片(16)安装在直角式膨胀螺栓进料与螺丝完成装配一侧的盖盘(14)一侧的边缘，成品剔出机构(8)安装在螺丝嵌入盘(12)与直角式膨胀螺栓侧面固定盘(11)之间，挡片(17)安装于直角式膨胀螺栓进料口，气源(24)与气源处理单元(23)相连，气源处理单元(23)又同电磁阀(22)相连，电磁阀(22)通过三通接口(20)分别与冲击气缸(18)和吹气口(19)相连，冲击气缸(18)安装于直角式膨胀螺栓进料口末端，吹气口(19)安装于直角式膨胀螺栓导轨上方，对射式光电传感器(7)安装于直角式膨胀螺栓侧面固定盘(11)边缘处，控制器(2)与电磁阀(22)、对射式光电传感器(7)、LED环形光源(10)、USB工业相机(9)和计算机(1)相连，同时USB工业相机(9)与计算机(1)的USB接口相连。

2.根据权利要求1所述的一种直角式膨胀螺栓螺丝自动装配装置，其特征在于：所述的盖盘(14)、螺丝嵌入盘(12)和直角式膨胀螺栓侧面固定盘(11)通过圆周面上的固定螺丝(13)连接，并通过调节固定螺丝(13)，使盖盘(14)和螺丝嵌入盘(12)按照螺丝进口一侧向上与水平面成1～5°，直角式膨胀螺栓侧面固定盘(11)按照螺丝进口一侧向下与水平面成1～5°。

3.用于权利要求1所述装置的一种直角式膨胀螺栓缺陷检测方法，其特征在于，该方法步骤如下：

1)人工预先采集一张直角式膨胀螺栓合格产品的图像存入计算机中，设定图像中产品的螺孔槽(31)、正平面(32)和凸起圆柱(33)三个特征作为目标图像P1、P2和P3，并设定每个图像的阈值T1、T2、T3；

2)读取在线采集的图像，将该图像中产品区域选定为ROI区域，将ROI区域中的图像作为源图像S；

3)在源图像S中开始搜索目标图像P1，计算阈值最小的区域，若阈值最小值高于阈值T1，则进入步骤4)，若阈值最小值低于阈值T1，则开始搜索目标图像P2，计算阈值最小的区域，若阈值最小值高于阈值T2，则进入步骤4)，若阈值最小值低于阈值T2，则开始搜索目标图像P3，计算阈值最小的区域，若阈值最小值高于阈值T3，则进入步骤4)，若阈值最小值低于阈值T3，检测结束，认为该产品合格，进行下一图像的检测；

4)产品不合格，给出报警信号。

4.根据权利要求2所述的一种直角式膨胀螺栓表面缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤3)的阈值T1、阈值T2和阈值T3计算方法相同，用阈值T表示如下：

$T=\frac{\underset{s}{\mathrm{\Σ}}\underset{t}{\mathrm{\Σ}}[f(s,t)-\stackrel{\‾}{f}(s,t)]}{\sqrt{{\left\{\underset{s}{\mathrm{\Σ}}\underset{t}{\mathrm{\Σ}}\right|f(s,t)-\stackrel{\‾}{f}(s,t)\left|\right\}}^2}}$

其中：f表示目标图像P在源图像S中当前位置相重合的区域的灰度值，

表示目标图像P的灰度值；公式分子部分为源图像S中与目标图像P相重合位置和目标图像P灰度值的差值总和，公式分母部分为分子部分差值的绝对值总和。

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