CN105291108A - 智能填涂镭刻标图技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于工业上的智能填涂镭刻标图技术，针对现有镭刻标图效率低，劳动力成本高的问题，本发明提供一种可以应用于工业上的智能填涂镭刻标图技术。智能填涂镭刻标图技术采用机器视觉获取标图图片，经图像处理，提取的需要填涂的轮廓，以运动控制轴卡为主导，配合步进电机、变频器和检测传感装置等，实现机械手臂的三轴运动控制，调整机械手臂位置及运行速度，实现定位功能、圆弧插补、直线插补和高速计数等功能。通过程序控制实现机械手臂的标图喷绘动作，完成对镭刻二维标图的自动识别填涂，从而提高镭刻二维标图产品的生产效率，增加企业效益。具有低成本，高回报；适用性广，安全稳定等特点。

Description

智能填涂镭刻标图技术

技术领域

本发明涉及一种应用工业上的智能填涂镭刻标图技术，属于工业控制应用领域。

背景技术

随着电子技术和工业技术的不断发展与融合，镭刻技术的应用越来越广泛，而随之衍生的镭刻二维商标、铭牌等标图加工企业也越来越多。但在镭刻标图的后续加工过程当中，标图图形的填涂目前基本上还是手工作业，任务单一、工作量大、劳动强度高，费时费力，不能与快速发展的生产需求相适应，而且工人长时间接触不同的填涂料，对身体健康不利，另外人力成本也越来越高，影响产品市场竞争力。

发明内容

针对现有镭刻标图效率低，劳动力成本高的问题，本发明提供一种可以应用于工业上的智能喷涂镭刻标图技术。智能喷涂镭刻标图技术可将采集得到的彩色标图图片，通过图像处理及视觉引导控制器编程控制，完成对镭刻二维标图的自动识别填涂，从而提高镭刻二维标图产品的生产效率，增加企业效益。具有低成本，高回报；适用性广，安全稳定等特点。

本发明的技术方案是：

智能填涂镭刻标图技术以运动控制卡为主控核心，采用摄像头作为检测装置，来获取标图图片，经图像处理，提取的需要填涂的轮廓，以运动控制轴卡为主导，配合步进电机、变频器和检测传感装置等，实现机械手臂的三轴运动控制，调整机械手臂位置及运行速度，实现定位功能、圆弧插补、直线插补和高速计数等功能，通过程序控制实现机械手臂的标图填涂动作。

本发明的有益效果是：

本发明针对现实相关企业中的镭刻二维标图人工填涂标准不一、效率不高等实际问题，自主研发了基于机器视觉和运动控制的智能填涂镭刻标图技术，提高生产力，可以说是一种技术集成进步。

(1)镭刻二维标图填涂以往人工作业，劳动密集，任务枯燥繁重，长时间对人体健康不利，至今还无相关设备代替完成该任务。而本发明技术无需过多人员参与，自动完成镭刻二维标图的识别填涂，具备创新性。

(2)使用运动控制卡，实现任意三轴直线插补、圆弧插补等功能。可以适应各种二维图形的填涂。对于图案形状没有要求，具有更广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明所述的智能填涂镭刻标图系统框图；

图2是本发明所述系统中的图像处理的流程框图；

图3是本发明所述系统中的填涂运动控制流程框图；

图4是本发明所述系统中的运动控制硬件框图

具体实施方式

智能填涂镭刻标图技术主要由视觉检测模块和运动控制模块组成，首先由摄像头负责采集载物台上镭刻二维标图图像，通过图像采集卡将识别结果传送给上位机电脑。上位机电脑负责采集图像的识别，并将识别结果传送给运动控制器。由运动控制器控制三轴机械臂执行相关操作，完成二维图块填涂。图1是本发明所述的整个系统框图，包括如下模块：

1.视觉模块

如图1所示，视觉模块包括光源、光源控制器与图像采集卡，通过光源控制器调节光源明暗，通过USB摄像机自动捕捉较清晰图像，通过图像采集卡将拍摄的图像传送至电脑，进行图像处理。

2.视觉引导控制模块

利用ED算法和图像处理软件进行图像处理，以获得清晰完整的标图轮廓。根据图像的特点，采用运动控制卡来实现对三轴机械臂的运动控制，分析特定点的位置，实现定位功能、圆弧插补、直线插补和高速计数，使用相应插补运算方法实现标图轮廓的填涂。

(1)图像处理模块

经过图像处理模块流程如图2所示，经过图像滤波、边缘检测、标图图像轮廓提取、分割、拟合得到图像坐标，然后编写运动控制程序实现三轴机械臂的填涂动作。

其中，(a)镭刻二维标图识别采用动态阈值分割方法，以克服传统固定阈值分割法对于不同材质的镭刻二维标图需要不断变换阈值，适应性不强等缺点。(b)边缘检测方法选择EdgeDrawing算法用来检测标图图块的边缘，该算法克服了经典图像处理算法中有可能会出现的断点现象，而且获得的是单像素边缘，有利于图像后续处理。(c)边缘检测算法处理后的图像，采用骨架化算法进行中线及圆心点的提取，并进行宽度及半径检测计算。(d)然后采用轮廓分割和线段拟合算法获得后面的运动控制模块填涂标图所需要的线段起始点坐标和终点坐标。(e)考虑为避免填涂标图时图像不会几何失真，需通过对摄像头与载物台坐标标定，即将摄像头与载物台坐标系统一，则机械臂填涂的图像正常清晰。

(2)控制算法实现

三轴机械臂填涂运动控制流程图如图3所示。图中初始化是对运动控制器的X、Y、Z轴进行初始化。指令类型判断是判断本步执行的是直线、点或者弧线填涂指令，确定后按后续直线或弧线进行宽度检测，点则进行半径检测，然后按直线/弧线插补与行速计算步骤执行，完成后再判断指令是否全部结束。若没有，对下一指令进行类型判断，循环执行；若全部执行完毕，停止操作。

此外，填涂标图图像过程中，还需要考虑如下步骤：

(a)填涂图片比例缩放：

为避免尺寸过小的图片经过图像处理后，线段过短、过密导致机械臂在填涂标图过程中表现为在同一点反复上下操作，无法填涂出标图细节，或尺寸较大的标图使机械臂运动超出填涂范围。因此，需判断标图尺寸与填图实际尺寸的比例，通过图片的比例缩放，获得了较好的填涂图效果。

(b)填涂线段排序：

机械臂填涂标图具有一定的顺序，但由于边缘轮廓被分割成不同线段和圆弧，为使三轴机械绘制较好的组成连贯的线条，避免产生偏差。因此，程序设计需考虑对轮廓分割的线段进行排序，使三轴机械臂按坐标相近的线段或圆弧填涂，从而提高运动效率。

(c)填涂圆弧方向判断：

对于圆弧较多的标图，需在轮廓分割时，通过圆弧的正负来判断优弧和劣弧，否则易导致填涂的标图混乱。

(3)速度控制模块

在本发明中，通过将填涂线段插补算法与填涂速度控制结合，处理标图的填涂问题，实现标图不规则形状轮廓的深浅、粗细的填涂效果，其中，需要考虑如下步骤：(a)根据前面图像处理算法得到的填涂线段的宽度及半径检测，则填涂较宽线段处需使三轴机械臂运行速度变慢，即气管喷涂量增大。(b)当填涂线段中的有锐角拐角的线段连接，为避免匀速控制出现的抖动、震动、填涂线段不匀等问题，则采用S型加减速控制方式，从而得到更加平整的填涂效果。

3.运动控制模块

如图4所示，包括电机驱动器、步进电机、运动控制卡、传送带、触摸屏、PLC以及用于喷绘标图控制的气路控制器和喷管，它们都通过视觉引导控制器的程序控制进行相应的动作。其中，(a)运动控制卡的三轴输出连接三轴机械臂里的电机驱动器；(b)三轴电机驱动器输出与步进电机相连，用于驱动三轴机械臂的X、Y、Z轴运动；(c)运动控制卡的远端扩充模组连接PLC、触摸屏等其他设备；(d)气路控制器的电磁阀输出连接喷管，控制填涂喷绘量，喷管装载在三轴机械臂的Z轴上。

本发明充分利用先进的视觉检测技术、数字图像处理技术、运动控制、智能算法等，通过运动控制卡、电机驱动器、步进电机与PLC控制，在雷刻标图上喷涂完整清晰的轮廓。本发明结合自动化技术在雷刻喷涂标图应用的现实需求，将自动化技术与传统雷刻喷涂业有机结合，改变了以往人工作业，劳动密集，任务枯燥繁重，长时间对人体健康不利，让机器代替人工自动完成镭刻二维标图的识别填涂。可以适应各种二维图形的填涂，对于图案形状没有要求，具有更广泛的适用性，给厂家创造了更为广阔的发展空间。

Claims (4)

1.该系统包括视觉模块、视觉引导控制模块、运动控制模块。所述智能喷涂雕刻标图系统的视觉模块的输出端通过USB摄像机和图像采集卡与视觉引导控制模块连接，视觉引导控制模块的输出通过运动控制卡与运动控制模块连接，运动控制卡的三轴输出连接三轴机械臂里的电机驱动器；三轴电机驱动器输出与步进电机相连，用于驱动三轴机械臂的X、Y、Z轴运动；运动控制卡的远端扩充模组连接PLC、触摸屏等其他设备。

2.根据权利要求1所述的智能填涂镭刻标图系统，其特征在于：所述视觉模块包括光源、光源控制器与图像采集卡，通过光源控制器调节光源明暗，通过USB摄像机自动捕捉较清晰图像，通过图像采集卡将拍摄的图像传送至电脑，进行图像处理。

3.根据权利要求1所述的智能填涂镭刻标图系统，其特征在于：所述视觉引导控制模块包括图像处理模块、控制算法模块和速度控制模块。图像处理模块包括图像滤波、边缘检测、图像轮廓提取、分割、拟合得到图像轮廓信息，控制算法模块通过编写运动控制程序实现三轴机械臂的喷涂动作。速度控制模块通过将插补与S型加减速控制相结合，保证系统在启动或者停止时不产生冲击、失步、超程或者振荡，得到更加平滑的运动效果，实现标图不规则形状轮廓的勾画，深浅、粗细的喷涂效果，以及标图细节中的如锐角拐角等，从而得到连贯清晰的喷涂图像。

4.权利要求3中所述的填涂镭刻标图系统的图像处理算法和控制算法，具体包括以下步骤：

(1)边缘检测算法采用EdgeDrawing算法，克服了传统图像处理算法中会出现的断点现象，简化边缘提取中双像素转化为单像素的过程；

(2)程序控制算法首先设计三轴机械臂回原点，定位喷涂区域，在喷涂标图部分，首先要判断绘制的是点、直线还是圆弧，其次要判断是否为第一个起始点，还是可与上一段相连的线段，从而选择是否使用连续插补。此外，绘制图像还需要考虑如下步骤：(a)图片比例缩放；(b)线段排序；(c)圆弧方向判断及起始点、终点坐标计算。

根据权利要求4所述的智能填涂镭刻标图控制方法，其特征在于：所述步骤(2)包括：以运动控制卡为主控核心，可同时实现任意三轴直线插补、任意两周圆弧插补及任意螺旋插补与连续插补功能。运用步进电机作为执行装置来调整机械手臂位置，通过程序控制实现机械手臂的标图喷涂动作，可以适应各种形状的标图填涂。从而可在镭刻标图上展现清晰的图案，提供简单高效的服务。