CN102909548B - 一种自动锁螺丝方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自动锁螺丝方法及装置，通过影像采集系统采集图像，对采集到的图像进行滤波、锐化和分割，利用重心偏移螺丝孔检测方法检测螺丝孔的位置坐标，根据取得的螺丝孔的位置坐标自动编程及优化锁螺丝的工作路径，将螺丝锁到螺丝孔中。可以更快速更有效的检测出螺丝孔、提高检测螺丝孔的成功率、减少对工程师的依赖、减少人工成本、提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及自动检测和产线自动化领域，特别涉及一种自动检测螺丝孔位置并锁螺丝的方法和装置。
背景技术
在包括电子产品在内的许多产品的生产工艺中，组装是一道重要工序，也是需求人员最多的工序，现今随着经济的发展，人力匮乏，劳力成本增加，工厂为提高经济效益，减少雇佣员工、特别是减少对技术工程师的依赖提上日程，机器取代人员进行产品组装成为当前的趋势。在产品组装的最后阶段是锁紧外壳上的螺丝，但现在市场上的锁螺丝装置为手持式自动锁螺丝机和全自动锁螺丝机。手持式锁螺丝机的缺点是需要的操作人员较多，并且容易划伤产品外观。全自动锁螺丝机的缺点兼容性不强，更换产品时，调整时间较长，对操作人员技术要求高，螺丝孔的位置数据是通过工程师从产品外壳CAD档导出，并由工程师导入全自动锁螺丝机，再通过编程、优化后方可进行锁螺丝，这一方面要求有高素质的操作人员，另一方面，前期处理占用了大量时间。总之，现有的锁螺丝技术的主要问题在于不能快速有效地获得精确的螺丝孔位置，锁螺丝的前期准备工作时间较长，花费的人工成本较高等。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种自动锁螺丝方法及装置，可更快速有效的检测出螺丝孔，提高检测螺丝孔的成功率，并且缩短锁螺丝的前期准备工作时间，减少人工成本。
本发明提供的一种自动锁螺丝方法，包括对工件进行螺丝孔位置检测，然后将螺丝锁到工件上检测出位置的螺丝孔中，所述的螺丝孔位置检测具体包括下述步骤：影像采集、影像处理、坐标提取。
影像采集步骤用于采集光源照射下的工件的图像；影像处理步骤用于在所述图像所在的平面建立坐标系，对所述图像进行检测得到螺丝孔区域；坐标提取步骤用于测量所述图像中螺丝孔的中心点坐标值。
坐标提取步骤具体包括：测量出所述图像中螺丝孔区域的重心坐标值；对所述图像进行Canny算子边缘提取测量出螺丝孔区域的全部边缘点及其坐标值；分别测量出所述螺丝孔区域的全部边缘点与其重心的距离，根据所述距离的大小将所述螺丝孔区域的全部边缘点分成一个或多个集合；查找在所述螺丝孔区域的边缘点集合所形成螺丝孔区域的边界线的一条弦，所述弦与其中点和相应螺丝孔区域重心的连线相垂直；利用弦的端点的梯度过圆心，测量得到所述螺丝孔中心的坐标值。
上述的一种自动锁螺丝方法方法还可进一步包括优选锁螺丝工作路径的步骤，所述将螺丝锁到工件上检测出位置的螺丝孔的过程按优选出的工作路径进行。
上述的影像处理步骤中还可进一步包括对所述图像进行滤波、锐化和分割的过程。
本发明同时还提供一种自动锁螺丝装置，包括主机、控制部分、执行部分、工作头部、外部数据导入模块、显示部分，还包括影像采集系统、光源、影像处理单元、坐标提取单元；主机用于控制和管理各组成部分，控制部分用于控制执行部分的工作，工作头部在执行部分的控制下完成锁螺丝的工作；所述影像采集系统用于采集工件的图像并发送到所述影像处理单元，所述光源用于给工件曝光照射，所述影像处理单元用于在所述图像所在的平面建立坐标系，然后对所述图像进行检测得到螺丝孔区域并发送到坐标提取单元，所述坐标提取单元用于测量所述图像中螺丝孔的中心点精确坐标并发送给主机，所述光源的曝光时间及频率由控制部分进行控制；所述的外部数据导入模块，能够导入螺丝孔中心的坐标值、螺丝参数、工件的材料属性。
坐标提取单元包括：测量所述图像中螺丝孔区域的重心坐标的模块；对所述图像进行Canny算子边缘提取测量出螺丝孔区域的全部边缘点及其坐标的模块；分别测量出所述螺丝孔区域的全部边缘点与其重心的距离，根据所述距离的大小将所述螺丝孔区域的全部边缘点分成一个或多个集合的模块；查找在所述螺丝孔区域的边缘点集合所形成螺丝孔区域的边界线的一条弦的模块，所述弦与其中点和相应螺丝孔区域重心的连线相垂直；利用弦的端点的梯度过圆心，测量得到所述螺丝孔中心的坐标的模块。
上述的执行部分包括控制工作头部在平面方向上移动的两个步进电机、控制工作头部上下移动的步进电机、控制工作头部旋转的步进电机、螺丝排列机和螺丝传送机构。
上述的显示部分包括LCD液晶屏和报警灯，LCD液晶屏连接于所述主机，用于显示所述自动锁螺丝装置的工作状态、工作头部的坐标位置、工作头部的工作路径；报警灯用于对所述自动锁螺丝装置的异常工作状态情况进行报警提示。
上述的主机上包括有上层软件单元，用于对所述自动锁螺丝装置的各组成部分进行控制和管理、优选工作头部的工作路径、管理操作人员指定的螺丝头工作路径、进行螺丝参数设置。
上述的一种自动锁螺丝装置，还可进一步包括传感器部分，所述传感器部分包括控制工作头部平面方向位置的一个或多个限位传感器、上下移动位置的一个或多个限位传感器、检测螺丝位置的位置传感器、控制螺丝输送的进出料传感器、检测螺丝旋紧状态的扭力传感器、检测工作头部下降状态的压力传感器。
上述的一种自动锁螺丝装置，还可进一步包括网络接口模块，通过所述网络接口模块，该自动锁螺丝装置能够连接到局域网或因特网。
上述的光源为LED光源，该LED光源包括红、绿、蓝三种。
上述的影像处理单元内还可进一步包括将所述图像进行滤波、锐化和分割的模块。
本发明的有益效果：能够自动检测螺丝孔，尤其是在图像质量不好时能够更快速准确的检测螺丝孔的位置，并且能实现自动编程、优化锁螺丝的工作路径，兼容性增强，提高了产品换线效率和组装效率，减少了对技术工程师的依赖。减少了人工成本，提高了工作效率高。
附图说明
图1为本发明提供方法的流程图；
图2为本发明提供装置的结构示意图；
图3为根据重心和圆的关系原理测量螺丝孔中心坐标过程示意图；
图4为本发明提供装置的结构装配图；
图5为本发明提供装置的工作头部结构示意图；
图中：1.电控箱前门，2.物料输送前轮，3.物料输送带，4.装置框架，5.X轴丝杠，6.工作头部，7.显示器，8.物料输送后轮，9.进料口，10.输送螺丝管，11.工作头部支架（左），12.工作头部支撑板，13.X轴丝杠（同5），14.丝杠螺母，15.横杠，16.螺丝排列机，17工作头部支架（右），18.R轴步进电机，19.相机，20.Z轴外壳，21.螺丝停留块，22.光源，23.Z轴步进电机，24.工作头下支板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示，本发明提供的一种自动锁螺丝方法，包括对工件进行螺丝孔位置检测，然后将螺丝锁到工件上检测出位置的螺丝孔中，所述的螺丝孔位置检测具体包括下述步骤：影像采集、影像处理、坐标提取。
影像采集步骤用于采集光源照射下的工件的图像。
影像处理步骤用于：设定图像质量阈值T，对图像进行平滑滤波、锐化，将图像二值化成灰度图像，在所述图像所在的平面建立坐标系，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，根据灰度值对图像进行检测，分割图像得到候选的螺丝孔区域。
坐标提取步骤用于测量出图像中螺丝孔的中心点坐标值，具体包括：测量出所述图像中螺丝孔区域的重心坐标值；检测得到所述图像中各个螺丝孔区域各自的边缘点集合以及所述集合内各点坐标值；根据所述各个螺丝孔区域的重心坐标值和与其对应的边缘点集合内各点坐标值，确定所述螺丝孔的中心点坐标值。
检测得到所述图像中各个螺丝孔区域各自的边缘点集合以及所述集合内各点坐标值的过程具体包括步骤：对所述图像进行Canny算子边缘提取测量出螺丝孔区域的全部边缘点及其坐标值；分别测量出所述螺丝孔区域的全部边缘点与其重心的距离，根据所述距离的大小将所述螺丝孔区域的全部边缘点分成一个或多个集合。
所述图像中的螺丝孔重心和圆之间存在如下关系原理：螺丝孔大部分是圆形，圆的重心和圆心重合，在图像质量好时，重心既是圆心；图像质量不好时，螺丝孔的完整度受到影响，从一边开始影响，并开始逐渐模糊，产生一定的直线边沿，根据圆的旋转对称性，其重心也会沿直线的中垂线方向偏移一定的距离，并且图像关于直线中垂线对称。
按照上述螺丝孔重心和圆的关系原理，上述的根据所述各个螺丝孔区域的重心坐标值和与其对应的边缘点集合内各点坐标值，确定所述螺丝孔的中心点坐标值的过程，具体包括步骤：查找在所述螺丝孔区域的边缘点集合所形成螺丝孔区域的边界线的一条弦，所述弦与其中点和相应螺丝孔区域重心的连线相垂直；利用弦的端点的梯度过圆心，测量得到所述螺丝孔中心的坐标值。
如图3所示，以其中一个螺丝孔区域为例，进一步对上述的确定所述螺丝孔的中心点坐标值的过程进行说明，假设该螺丝孔区域的重心为G，其步骤如下：
（1）设定图像质量阈值T；
（2）对图像进行平滑滤波、锐化，二值化和区域分割；
(3)设定重心偏移距离的阀值为d0和预设半径范围；
(4)判断图像质量是否大于阈值T，大于则转到(7)，否则转到（5）;
(5)找出其连续区域的重心G，在该区域里找到其边缘上的任意的两点A、B，其坐标分别为(x1,y1)、（x2,y2），连接该两点成线段AB，算出线段AB的中点C的坐标（x0,y0）；
A、B点与C点的坐标计算关系式为：
(6)构造直线AB为LAB，构造直线GC为LGC，判断LAB和LGC是否垂直，是则转到(7)，否则转到(4)重新在该螺丝孔区域里找到其边缘上的另两个点，作为新的A点和B点；
(7)分别求出A点和B点的梯度方向的直线LA和LB，并判断直线LA和直线LAB的夹角与LB和直线LAB的夹角是否相等，如果不相等则重新在该螺丝孔区域里找到其边缘上的另两个点，作为新的A点和B点；
(8)求LA和LB的焦点O的坐标（m,n），并判断O点到G点(图像质量大于T)或直线LGC（图像质量不大于T）的距离d是否小于阈值d0，是，则保留为该焦点O为该区域的圆心，否，则舍去；
(9)求该区域的圆心半径r，即A点到焦点O的距离，并判断该半径是否与实际的螺丝孔半径的大小范围相符，是，则确认焦点O为其中一个螺丝孔在本次抓取的图像中的的中心，其坐标为（m,n）；
（10）坐标提取单元根据上述检测出的螺丝孔在图像中的坐标，控制单元发给步进电机的脉冲数，丝杠的参数和步进电机的参数计算出产品外壳上螺丝孔的具体坐标，并储存到主机；
本实施例的一种自动锁螺丝方法方法，在将螺丝锁到工件上检测出位置的螺丝孔之前，还包括优选锁螺丝工作路径的步骤，按优选出的工作路径，将螺丝锁到工件上检测出位置的螺丝孔的过程进行。本实施例中，以工件上螺丝的装配时间最小为工作路径优选原则。
如图2所示，本发明提供的一种自动锁螺丝装置，包括主机、控制部分、执行部分、工作头部、外部数据导入模块、显示部分，还包括影像采集系统、光源、影像处理单元、坐标提取单元。
主机用于控制和管理各组成部分，控制部分用于接收主机发送的锁螺丝工作程序，并根据该工作程序控制执行部分的工作，工作头部在执行部分的控制下完成锁螺丝的工作。
影像采集系统用于采集工件的图像并发送到影像处理单元，光源用于给工件曝光照射；在影像采集系统采集工件的图像时，由控制部分控制光源的曝光时间及频率。
影像处理单元用于将图像二值化成灰度图像，在所述图像所在的平面建立坐标系，水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，根据灰度值对图像进行检测，分割图像得到候选的螺丝孔区域，然后将检测得到螺丝孔区域发送到坐标提取单元。该影像处理单元内包括将所述图像进行滤波、锐化的模块。
坐标提取单元用于测量所述图像中螺丝孔的中心点精确坐标并发送给主机。
坐标提取单元包括：测量所述图像中螺丝孔区域的重心坐标的模块；检测得到所述图像中各个螺丝孔区域各自的边缘点集合以及所述集合内各点坐标的模块；根据所述各个螺丝孔区域的重心坐标值和与其对应的边缘点集合内各点坐标值，结合控制部分发给执行部分的步进电机的脉冲数、丝杠参数，确定所述螺丝孔的中心点精确坐标的模块。
上述的检测得到所述图像中各个螺丝孔区域各自的边缘点集合以及所述集合内各点坐标的模块内包括：对所述图像进行Canny算子边缘提取测量出螺丝孔区域的全部边缘点及其坐标的模块；分别测量出所述螺丝孔区域的全部边缘点与其重心的距离，根据所述距离的大小将所述螺丝孔区域的全部边缘点分成一个或多个集合的模块。
上述的根据所述各个螺丝孔区域的重心坐标值和与其对应的边缘点集合内各点坐标值，确定所述螺丝孔的中心点精确坐标的模块内包括：查找在所述螺丝孔区域的边缘点集合所形成螺丝孔区域的边界线的一条弦的模块，所述弦与其中点和相应螺丝孔区域重心的连线相垂直；利用弦的端点的梯度过圆心，测量得到所述螺丝孔中心的坐标的模块。
上述的执行部分包括控制工作头部在平面方向上移动的X轴和Y轴两个步进电机、控制工作头部上下移动的Z轴步进电机、控制工作头部旋转的R轴步进电机、螺丝排列机和螺丝传送机构。
上述的一种自动锁螺丝装置，还包括传感器部分，所述传感器部分包括控制工作头部平面方向位置的一个或多个限位传感器、上下移动位置的一个或多个限位传感器、检测螺丝位置的位置传感器、控制螺丝输送的进出料传感器、检测螺丝旋紧状态的扭力传感器、检测工作头部下降状态的压力传感器。
控制部分控制执行部分的X和Y轴步进电机，使锁螺丝的工作头部移动到准确位置，并控制Z轴步进电机，使工作头部下移到合适的深度后，控制R轴步进电机转动，开始锁螺丝，根据传感器部分各个传感器的反馈信号，得到螺丝锁紧状态。
上述的显示部分包括LCD液晶屏和报警灯，LCD液晶屏连接于所述主机，用于显示所述自动锁螺丝装置的工作状态、工作头部的坐标位置、工作头部的工作路径；报警灯用于对所述自动锁螺丝装置的异常工作状态情况进行报警提示。
上述的主机上包括有上层软件单元，用于优选工作头部的工作路径、管理操作人员指定的螺丝头工作路径、进行螺丝参数设置。
上述的外部数据导入模块，能够导入螺丝孔中心的坐标值、螺丝参数、工件和螺丝的材料属性(屈服极限、加工硬度、应变速率、热软化系数、热导率、弹性模量、泊松比、熔点、密度等)。
上述的一种自动锁螺丝装置，还可进一步包括网络接口模块，通过所述网络接口模块，该自动锁螺丝装置能够连接到局域网或因特网。
优选的，上述的光源为LED光源，该LED光源包括红、绿、蓝三种。
如图4和图5所示，本实施例的一种自动锁螺丝装置的架构还包括：在左进料口处装有物料输送前轮，右进料口处装有物料输送后轮；架构内装有前轴承座，后轴承座及线性导轨；架构前装有电控箱前门，左部、右部，上部装有外壳。
其中在物料输送前轮和物料输送后轮上装有物料输送带。
其中轴承座内装有轴承，轴承内装有Y轴丝杠，丝杠通过联轴器与步进电机连接；线性导轨上装有平台支架。
其中平台支架上装有轴承座，轴承座内装有轴承，与轴承箱配合的是X轴丝杠，丝杠通过联轴器与步进电机连接。
其中X轴丝杠上装有丝杠螺母，与丝杠螺母相连的是工作头部支撑板；工作头部支撑板上装有工作头部支架，工作头部支架上装有横杆，在横杆上装有螺丝排列机。
其中工作头部支架（右）上装有用于采集图像的相机，工作头部支架（左）上装有工作头部下支板。
下支板下装有光源和Z轴步进电机，在下支板右边装有Z轴外壳，内有Z轴杆和轴承，在Z轴外壳上边和Z轴杆相连的是R轴步进电机。
其中螺丝排列机相连的是输送螺丝管，输送螺丝管的下端连有螺丝停留块。
坐标提取单元将图像中螺丝孔的中心点精确坐标发送给主机后，主机控制将螺丝孔坐标显示的显示部分上，必要时可对螺丝孔坐标作修改。
通过外部数据导入模块输入螺丝参数（螺丝规格、螺距、中径、工作高度、圆角半径等）后，主机开始自动优化工作头部的工作路径，并下载到控制部分。
控制部分控制执行部分X、Y轴步进电机，移动工作头部到第一个螺丝孔位置，在移动过程中，螺丝排列机工作并把排列好的螺丝经输送螺丝管送到螺丝停留块。
控制部分控制Z轴步进电机开始工作，工作头部将相应的螺丝送入螺丝孔，控制部分并根据压力传感器判断螺丝状态。
控制部分控制R轴步进电机开始工作，工作头部将相应的螺丝锁入螺丝孔，控制部分根据扭力传感器判断螺丝状态并及时停止R轴步进电机。
控制部分控制Z轴步进电机反转，工作头部缩回，并移动到下一个螺丝孔，并开始锁这个螺丝孔相应的螺丝，直至锁完工件上的全部螺丝，在控制部分的控制下，执行部分X、Y轴步进电机移动工作头部返回原位。
以上仅为通过优选实施例对本发明的主要原则和精神进行的陈述，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种自动锁螺丝方法，包括对工件进行螺丝孔位置检测，然后将螺丝锁到工件上检测出位置的螺丝孔中，所述的螺丝孔位置检测具体包括下述步骤：影像采集、影像处理、坐标提取；
所述影像采集步骤用于采集光源照射下的工件的图像；
所述影像处理步骤用于在所述图像所在的平面建立坐标系，对所述图像进行处理得到螺丝孔区域；
其特征是：所述坐标提取步骤用于检测所述螺丝孔区域中螺丝孔的中心点坐标值，其具体包括：
测量出所述图像中螺丝孔区域的重心坐标值；检测得到所述图像中各个螺丝孔区域各自的边缘点集合以及所述集合内各点坐标值的过程具体包括步骤：对所述图像进行Canny算子边缘提取测量出螺丝孔区域的全部边缘点及其坐标值；分别测量出所述螺丝孔区域的全部边缘点与其重心的距离，根据所述距离的大小将所述螺丝孔区域的全部边缘点分成一个或多个集合；
根据所述各个螺丝孔区域的重心坐标值和与其对应的边缘点集合内各点坐标值，确定所述螺丝孔的中心点坐标值的过程，具体包括步骤：查找在所述螺丝孔区域的边缘点集合所形成螺丝孔区域的边界线的一条弦的模块，所述弦与其中点和相应螺丝孔区域重心的连线相垂直；利用弦的端点的梯度过圆心，测量得到所述螺丝孔中心的坐标值。
2.根据权利要求1所述的一种自动锁螺丝的方法，其特征在于：还包括优选锁螺丝工作路径的步骤，所述将螺丝锁到工件上检测出位置的螺丝孔的过程按优选出的工作路径进行。
3.根据权利要求1所述的一种自动锁螺丝方法，其特征在于，所述影像处理步骤还包括对所述图像进行滤波、锐化和分割的过程。
4.一种自动锁螺丝装置，包括主机、控制部分、执行部分、工作头部、外部数据导入模块、显示部分，主机用于控制和管理各组成部分，控制部分用于控制执行部分的工作，工作头部在控制部分的控制下完成锁螺丝的工作，其特征在于，还包括影像采集系统、光源、影像处理单元、坐标提取单元，所述影像采集系统用于采集工件的图像并发送到所述影像处理单元，所述光源用于给工件曝光照射，所述影像处理单元用于在所述图像所在的平面建立坐标系，然后对所述图像进行检测得到螺丝孔区域并发送到坐标提取单元，所述坐标提取单元用于测量所述图像中螺丝孔的中心点精确坐标并发送给主机，所述光源的曝光时间及频率由控制部分进行控制；所述的外部数据导入模块，能够导入螺丝孔中心的坐标值、螺丝参数、工件的材料属性。
5.根据权利要求4所述的一种自动锁螺丝装置，其特征在于，所述坐标提取单元包括：
测量所述图像中螺丝孔区域的重心坐标的模块；
对所述图像进行Canny算子边缘提取测量出螺丝孔区域的全部边缘点及其坐标的模块；
分别测量出所述螺丝孔区域的全部边缘点与其重心的距离，根据所述距离的大小将所述螺丝孔区域的全部边缘点分成一个或多个集合的模块；
查找在所述螺丝孔区域的边缘点集合所形成螺丝孔区域的边界线的一条弦的模块，所述弦与其中点和相应螺丝孔区域重心的连线相垂直；
利用弦的端点的梯度过圆心，测量得到所述螺丝孔中心的坐标的模块。
6.根据权利要求4所述的一种自动锁螺丝装置，其特征在于，所述的执行部分包括控制工作头部在平面方向上移动的两个步进电机、控制工作头部上下移动的步进电机、控制工作头部旋转的步进电机、螺丝排列机和螺丝传送机构；所述的显示部分包括LCD液晶屏和报警灯，所述LCD液晶屏连接于所述主机，用于显示所述自动锁螺丝装置的工作状态、工作头部的坐标位置、工作头部的工作路径；所述报警灯用于对所述自动锁螺丝装置的异常工作状态情况进行报警提示；所述的主机上包括上层软件单元，用于优选工作头部的工作路径、管理操作人员指定的工作头部的工作路径、进行螺丝参数设置。
7.根据权利要求4所述的一种自动锁螺丝装置，其特征在于，还包括传感器部分和网络接口模块；所述传感器部分包括控制工作头部平面方向位置的一个或多个限位传感器、上下移动位置的一个或多个限位传感器、检测螺丝位置的位置传感器、控制螺丝输送的进出料传感器、检测螺丝旋紧状态的扭力传感器、检测工作头部下降状态的压力传感器；通过所述网络接口模块，所述自动锁螺丝装置能够连接到局域网或因特网。
8.根据权利要求4所述的一种自动锁螺丝装置，其特征在于，所述的光源为LED光源，所述的LED光源包括红、绿、蓝三种。
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