CN103206949A - 一种自检自定位通用型螺丝机及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能通用型螺丝机，尤其是实用于装配制造业，具体地说是一种实现螺丝孔自动检测、自动定位并根据检测到的结果自动选择打对应螺丝的装置，包括打螺丝机构、控制系统、上料机构和机架；控制系统由CCD、图像采集卡、PC、I/O卡、控制器、HMI等构成；机架包括螺丝机本体和外罩，本体配有配电装置和各种安全保护装置、外罩为透明色。整个装置巧妙的采用了将先进的视觉测量技术应用到自动控制中，实现对螺丝孔自动定形定位。本发明构思新颖、检测精度高、提高产品的装配质量和效率；结构简单，编程方便，自动化程度高，通用性强，是一种可以实现大规模推广的自检自定位通用型螺丝机。

Description

一种自检自定位通用型螺丝机及其定位方法

技术领域

本发明涉及一种多功能通用型螺丝机，尤其是实用于装配制造业，具体地说是一种实现螺丝孔自动检测、自动定位并根据检测到的结果自动选择打对应螺丝的装置。

背景技术

自动锁螺丝机技术的应用范围极其宽广，自动化水平越来越高，自动化程度的概念在不同时期有着不同的理解和界定，就目前的实际情况看，手持式自动锁螺丝机解决了自动送料问题，而全自动通用型锁螺丝机代表着自动化的最高水平。

自动锁螺丝机技术的应用领域非常广泛，随着自动化意识的提高，自动锁螺丝技术广泛应用于机械、电子、电器制造业，自动化作业代替了人工简单重复的流水线作业，有效的提高了企业的生产力和竞争力。随后市场上不断出现手持式螺丝机、半自动化螺丝机，但其仍还未能达到全自动化水平，通用性也不理想。因此全自动化定位问题成为这些领域的核心难题，对该难题的开发具有重大科学意义和广泛的应用价值。

发明内容

本发明所要解决的是现有螺丝机不能全自动化定位，通用性不理想的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种自检自定位通用型螺丝机，包括螺丝机本体，打螺丝机构通过机架设于螺丝机本体上，螺丝机本体上设有控制系统，其特征在于，所述的打螺丝机构上设有至少一个打螺丝单元；所述的控制系统包括依次连接的图像采集卡、数据处理系统、I/O卡及控制器，控制器与打螺丝单元连接；所述的螺丝机本体外设有透明外罩，透明外罩内顶部设有工业CCD一、工业CCD二，工业CCD一、工业CCD二与控制系统中的图像采集卡连接。

优选地，所述的打螺丝机构上设有2-10个打螺丝单元。

优选地，所述的打螺丝单元包括固定于打螺丝机构主轴上的底板，底板的一侧设有上支撑板、下支撑板，上支撑板上设有原动组件，原动组件通过导向轴与上支撑板、下支撑板连接，上支撑板上设有限位柱一，下支撑板上设有限位柱二；底板上设有感应器，感应器上设有传感器；上支撑板外侧设有执行机构，执行机构通过连接杆与位于下支撑板下方的打螺丝装置连接；执行机构、原动组件与所述控制系统中的控制器连接。

进一步地，所述的原动组件包括锁付气缸，锁付气缸通过上固定座设于导向轴上。

进一步地，所述的导向轴上设有调节螺母及调节杆。

进一步地，所述的上支撑板、下支撑板之间设有调节螺杆。

进一步地，所述的下支撑板的下方设有下固定座。

进一步地，所述的执行机构包括电批，电批通过电批夹块及安装法兰固定于电批固定块上，电批固定块与上支撑板连接，电批从电批夹块、安装法兰、电批固定块中露出与连接杆的上端连接，电批与所述控制系统中的控制器连接。

进一步地，所述的打螺丝装置包括与所述连接杆下端连接的转接套，转接套的下方设有夹嘴座，夹嘴座上设有螺钉导入套，夹嘴座下方设有夹嘴。

进一步地，所述的打螺丝装置上设有上料机构，上料机构包括振动料斗，振动料斗上设有上料通道，上料通道的端部设有分料机构。

进一步地，所述的分料机构包括分料本体，分料本体上设有气缸及分料感应器，分料感应器与所述控制器连接；气缸上的气动推杆与分料本体连接；分料本体的下方设有料口。

优选地，所述的数据处理系统设有显示器。

优选地，所述的透明外罩内设有至少2个光源。

本发明还提供了上述自检自定位通用型螺丝机的定位方法，其特征在于，所述控制系统中的工业CCD一、工业CCD二检测螺丝孔的大小和位置，采集的螺丝孔图像以标准信号的形式经高速图像采集卡中的图像采集系统变换为数字图像，并将数据输送到数据处理系统，由数据处理系统进行图像数据处理；每幅数字图像在数据处理系统内为M×N数组，M行N列的图像中的每一个元素的数值即是图像的亮度，在图像上定义直角坐标系u、v，每一像素的坐标(u，v)分别是该像素在数组中的列数与行数，(u，v)是以像素为单位的图像坐标系坐标，O₁为原点，X轴与Y轴分别与u、v轴平行，(U，V)表示以毫米为单位的图像坐标系坐标，O₁为摄像机光轴与图像平面的交点，该点在图像像素下的坐标设为(u₀，v₀)，每个像素在X轴与Y轴方向上的物理尺寸为dX、dY，则存在如下转换关系：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1/\mathrm{dX}& 0& u_o\\ 0& 1/\mathrm{dY}& v_o\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ 1\end{array}\right];$

由于工业CCD一、工业CCD二设于透明机罩中的任意位置，在透明机罩中选择一基准坐标系来描述工业CCD一、工业CCD二的位置，并用它描述透明机罩中任何物体的位置，基准坐标系由x_w、y_w、z_w轴组成，工业CCD一、工业CCD二的坐标系与目标螺丝孔的位置坐标系关系为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right];$

由于CCD坐标系可以直接提取，则可以推算出目标坐标，经数据处理系统处理后实现自动定位。

本发明的有益效果是：将先进的视觉测量技术应用到自动控制中，实现对螺丝孔自动定形定位。构思新颖、检测精度高、提高产品的装配质量和效率。在现有人工成本逐渐增高的环境下，为使用者降低了生产成本，明显提高了经济效益。设计科学合理，可根据用户的实际需求修改控制程序就能实现效率的控制；可实现三自由度可调，只需根据实际产品的特点更换对应的夹具就能实现设备的通用性。

附图说明

图1为本发明提供的一种自检自定位通用型螺丝机的示意图；

图2为打螺丝机构的结构图；

图3为打螺丝单元的结构图；

图4为图3的侧视图图；

图5为上料机构的结构图；

图6为分料机构的结构图；

图7为本发明提供的螺丝机螺丝孔标定的坐标原理图；

图8为控制系统的连接示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

如图1-8所示，为本发明提供的自检自定位通用型螺丝机的结构示意图，包括螺丝机本体36，打螺丝机构35通过机架设于螺丝机本体36上，螺丝机本体36上设有控制系统8。如图2所示，打螺丝机构35的主轴上设有8个打螺丝单元47。如图3-4所示，打螺丝单元47固定于打螺丝机构35主轴上的底板17，底板17的一侧设有上支撑板15、下支撑板6，上支撑板15上设有原动组件，原动组件通过导向轴10与上支撑板15、下支撑板6连接，上支撑板15上设有限位柱一18，下支撑板6上设有限位柱二5。原动组件包括锁付气缸21，锁付气缸21固定在上固定座19上，导向轴10从底部插入上固定座19，在上固定座19对应的地方嵌入导向轴端盖20。底板17上设有感应器14，感应器14上设有传感器16。上支撑板15外侧设有执行机构45，执行机构45通过连接杆46与位于下支撑板6下方的打螺丝装置连接。导向轴10上设有调节螺母13及调节杆7。上支撑板15、下支撑板6之间设有调节螺杆12。下支撑板6的下方设有下固定座11，下固定座11与底板17连接固定，起到支撑加固下支撑板6的作用。所述的执行机构45包括电批1，电批1通过电批夹块2及安装法兰3固定于电批固定块4上，电批固定块4与上支撑板15连接，电批1从电批夹块2、安装法兰3、电批固定块4中露出与连接杆46的上端连接。所述的打螺丝装置包括与所述连接杆46下端连接的转接套9，转接套9的下方设有夹嘴座23，夹嘴座23上设有螺钉导入套24，夹嘴座23下方设有夹嘴22。打螺丝机构35上设有上料机构37，上料机构37包括振动料斗25，振动料斗25上设有上料通道26，上料通道26的端部设有分料机构48，如图5所示。分料机构48包括分料本体31，分料本体31上设有气缸29及分料感应器28，分料感应器28与控制器44连接。气缸29上的气动推杆27与分料本体31内的分料块连接。分料块的下方设有料口30，如图6所示。如图8所示，控制系统8包括依次连接的图像采集卡40、数据处理系统41、I/O卡43及控制器44，控制器44分别与锁付气缸21、电批1连接。螺丝机本体36外设有透明外罩39，透明外罩39内顶部设有工业CCD一32、工业CCD二33，工业CCD一32、工业CCD二33与控制系统8中的图像采集卡40连接。数据处理系统41采用设有显示器42的PC机。透明外罩39内设有2个可移动的光源，即光源一34、光源二38。

原动组件也可采用气电动式。原动组件的传动部分采用光杆丝杠传动。执行机构也可以采用风批。

上料机构37的工作原理是：工件倒入振动料斗25中，通过在振动料斗25内振动取向和排序后，按一致的顺序排列进入上料通道26。控制器44控制上料通道末端的气动推杆27推动分料本体31内的分料块。被检工件被分料块推至料口30，再被气动送至夹嘴22。具体送料时间、效率根据实际需要由控制器44编程控制。分料机构48只需配置相应进出气管和送料管线就能实现分料功能。

由于工业CCD一32、工业CCD二33受光源的影响很大，机架外部需配置透明外罩39。螺丝机本体36可根据生产需要配置安全保护装置。

上述自检自定位通用型螺丝机的定位方法为：控制系统中的工业CCD一32、工业CCD二33检测螺丝孔位置，采集的螺丝孔图像以标准信号的形式经高速图像采集卡40中的图像采集系统变换为数字图像，并将数据输送到数据处理系统41，由数据处理系统41进行图像数据处理，PC机可通过VB、VC、Matlab等软件进行图像数据处理；如图7所示，每幅数字图像在数据处理系统41内为M×N数组，M行N列的图像中的每一个元素的数值即是图像的亮度，在图像上定义直角坐标系u、v，每一像素的坐标(u，v)分别是该像素在数组中的列数与行数，(u，v)是以像素为单位的图像坐标系坐标，O₁为原点，X轴与Y轴分别与u、v轴平行，(U，V)表示以毫米为单位的图像坐标系坐标，O₁为摄像机光轴与图像平面的交点，该点在图像像素下的坐标设为(u₀，v₀)，每个像素在X轴与Y轴方向上的物理尺寸为dX、dY，则存在如下转换关系：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1/\mathrm{dX}& 0& u_o\\ 0& 1/\mathrm{dY}& v_o\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ 1\end{array}\right];$

由于工业CCD一32、工业CCD二33设于透明机罩39中的任意位置，在透明机罩39中选择一基准坐标系来描述指工业CCD一32、工业CCD二33的位置，并用它描述透明机罩39中任何物体的位置，基准坐标系由x_w、y_w、z_w轴组成，工业CCD一32、工业CCD二33的坐标系与目标螺丝孔位置坐标系关系为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right];$

由于CCD坐标系可以直接提取，则可以推算出目标坐标，经数据处理系统41处理后实现自动定位。数据处理系统41将处理后的最优数据通过I/O卡43的I/O接口传送给控制器44。控制器44控制执行机构45按设定的规则自动打对应的螺丝。锁付气缸21推动电批固定板4使电批1实现打螺丝动作。

控制系统8的工作过程为：首先工业CCD一32、工业CCD二33采集图像，由图像采集卡40将图像转换成数字格式并传入到数据处理系统41，即PC机的存储器，处理器运用不同的算法来提高对结论有重要影响的图像要素，经处理器识别并量化图像的关键特性然后把这些数据传到控制程序；处理器的控制程序根据收到的数据做出结论，并执行相应打螺丝工作。采用两个工业CCD对螺丝孔进行定形定位，图像采集卡40采集输入灰度图像，经图像预处理滤波以祛除噪声，滤波后的图像经过边缘检测得到灰度边缘图像，灰度边缘图像经过边缘图像阙值分割、开闭运算噪声滤波得到边缘轮廓拟合。最终提取被测目标的几何参数等信息传送到控制器44。由于采用图像二值化分割进行目标区域识别，当目标边界出现毛刺会对算法精度产生影响而灰度重心对背景灰度值较小，而目标灰度值较高的情况其目标的灰度分布多为抛物面或高斯面，此时可以获得较高的定位精度。所以通过工业CCD检测不但提高了检测精度而且提高了自动化程度和可靠性。

Claims (14)

1.一种自检自定位通用型螺丝机，包括螺丝机本体(36)，打螺丝机构(35)通过机架设于螺丝机本体(36)上，螺丝机本体(36)上设有控制系统(8)，其特征在于，所述的打螺丝机构(35)上设有至少一个打螺丝单元(47)；所述的控制系统(8)包括依次连接的图像采集卡(40)、数据处理系统(41)、I/O卡(43)及控制器(44)，控制器(44)与打螺丝单元(47)连接；所述的螺丝机本体(36)外设有透明外罩(39)，透明外罩(39)内顶部设有工业CCD一(32)、工业CCD二(33)，工业CCD一(32)、工业CCD二(33)与控制系统(8)中的图像采集卡(40)连接。

2.如权利要求1所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的打螺丝机构(35)上设有2-10个打螺丝单元(47)。

3.如权利要求1或2所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的打螺丝单元(47)包括固定于打螺丝机构(35)主轴上的底板(17)，底板(17)的一侧设有上支撑板(15)、下支撑板(6)，上支撑板(15)上设有原动组件，原动组件通过导向轴(10)与上支撑板(15)、下支撑板(6)连接，上支撑板(15)上设有限位柱一(18)，下支撑板(6)上设有限位柱二(5)；底板(17)上设有感应器(14)，感应器(14)上设有传感器(16)；上支撑板(15)外侧设有执行机构(45)，执行机构(45)通过连接杆(46)与位于下支撑板(6)下方的打螺丝装置连接；执行机构(45)、原动组件与所述控制系统(8)中的控制器(44)连接。

4.如权利要求3所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的原动组件包括锁付气缸(21)，锁付气缸(21)通过上固定座(19)设于导向轴(10)上。

5.如权利要求3所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的导向轴(10)上设有调节螺母(13)及调节杆(7)。

6.如权利要求3所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的上支撑板(15)、下支撑板(6)之间设有调节螺杆(12)。

7.如权利要求3所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的下支撑板(6)的下方设有下固定座(11)。

8.如权利要求3所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的执行机构(45)包括电批(1)，电批(1)通过电批夹块(2)及安装法兰(3)固定于电批固定块(4)上，电批固定块(4)与上支撑板(15)连接，电批(1)从电批夹块(2)、安装法兰(3)、电批固定块(4)中露出与连接杆(46)的上端连接，电批(1)与所述控制系统(8)中的控制器(44)连接。

9.如权利要求3所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的打螺丝装置包括与所述连接杆(46)下端连接的转接套(9)，转接套(9)的下方设有夹嘴座(23)，夹嘴座(23)上设有螺钉导入套(24)，夹嘴座(23)下方设有夹嘴(22)。

10.如权利要求3所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的打螺丝装置上设有上料机构(37)，上料机构(37)包括振动料斗(25)，振动料斗(25)上设有上料通道(26)，上料通道(26)的端部设有分料机构(48)。

11.如权利要求10所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的分料机构(48)包括分料本体(31)，分料本体(31)上设有气缸(29)及分料感应器(28)，分料感应器(28)与所述控制器(44)连接；气缸(29)上的气动推杆(27)与分料本体(31)连接；分料本体(31)的下方设有料口(30)。

12.如权利要求1所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的数据处理系统(41)设有显示器(42)。

13.如权利要求1所述的一种自检自定位通用型螺丝机，其特征在于，所述的透明外罩(39)内设有至少2个光源。

14.权利要求1-13中任意一项所述的一种自检自定位通用型螺丝机的定位方法，其特征在于，所述控制系统中的工业CCD一(32)、工业CCD二(33)检测螺丝孔位置，采集的螺丝孔图像以标准信号的形式经高速图像采集卡(40)中的图像采集系统变换为数字图像，并将数据输送到数据处理系统(41)，由数据处理系统(41)进行图像数据处理；每幅数字图像在数据处理系统(41)内为M×N数组，M行N列的图像中的每一个元素的数值即是图像的亮度，在图像上定义直角坐标系u、v，每一像素的坐标(u，v)分别是该像素在数组中的列数与行数，(u，v)是以像素为单位的图像坐标系坐标，O₁为原点，X轴与Y轴分别与u、v轴平行，(U，V)表示以毫米为单位的图像坐标系坐标，O₁为摄像机光轴与图像平面的交点，该点在图像像素下的坐标设为(u₀，v₀)，每个像素在X轴与Y轴方向上的物理尺寸为dX、dY，则存在如下转换关系：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1/\mathrm{dX}& 0& u_o\\ 0& 1/\mathrm{dY}& v_o\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ 1\end{array}\right];$

由于工业CCD一(32)、工业CCD二(33)设于透明机罩(39)中的任意位置，在透明机罩(39)中选择一基准坐标系来描述工业CCD一(32)、工业CCD二(33)的位置，并用它描述透明机罩(39)中任何物体的位置，基准坐标系由x_w、y_w、z_w轴组成，工业CCD一(32)、工业CCD二(33)的坐标系与目标螺丝孔位置坐标系关系为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& t\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_w\\ y_w\\ z_w\\ 1\end{array}\right];$

由于CCD坐标系可以直接提取，则可以推算出目标坐标，经数据处理系统(41)处理后实现自动定位。

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