CN108544288A - 一种基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统及其应用，该自动对正上料系统包括上料机构、推送机构、下料机构以及机器视觉采集处理控制装置；上料机构用于放置待加工棱形棒料工件；推送机构推动上料机构内的工件到数控车床内完成工件的上料；下料机构将加工后的工件推出完成下料过程；机器视觉采集处理控制装置分别与上料机构、推送机构、下料机构连接，实现整个自动对正上料系统的自动化运作。本发明设计的自动对正上料系统，可与数控车床实现完美配合，实现棱形棒料工件的上下料自动化作业，缩短上下料和装夹时间，提高了生产效率，降低了企业成本。

Description

一种基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统及其 应用

技术领域

本发明涉及一种基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统及其应用，属于数控车床附属设备技术领域。

背景技术

随着科学技术的不断进步，机械制造技术水平不断提高，当今机械制造业已进入自动化的时代。数控车床已经广泛应用于各种制造企业，大大提高了生产效率。但是现在的数控车床大多需要人工装载工件，一个工人只能操作一、两台机床，在数控车床的加工过程中，加工时间仅占机床总时间的30％，而机床辅助时间(装载、工件夹紧等)占到了70％，大量的时间被浪费在等待状态，数控车床的效率得不到有效发挥。

采用数控车床自动工件装载系统，不仅可以大大提高生产效率，而且还可以降低工人的劳动强度，改善劳动条件，减少用工的数量，降低产品成本，改善企业适应市场变化的能力，提高企业的市场竞争能力。另外，由于工人工资的不断增加，很多企业都出现招工难的问题，这就迫使企业更新和改造设备，提高设备的自动化程度，从而降低用工成本。因此，数控车床实现自动工件装载具有较高的经济效益和社会效益。

目前国内有很多人从事数控车床自动对正系统的研究。如黎宴林对大批量生产感应电动机定子外圆车削的专用车床自动上下料问题进行了分析，提出了采用气动送料机械手把定子送入车床主轴的中心位置，再由芯轴和尾座夹紧工件进行加工，加工完毕后用另一接料机械手卸下零件的自动对正系统。

钟靖以工控机和PMAC为核心控制机器人运动，设计了能够自动上料的上料机构，能自动旋转90°的转向机构。李阳针对数控机床传统的人工上下料存在的耗费人力和时间等问题，设计了一种机床自动对正系统。以PLC控制器为核心，综合运用工业机器人技术、传感器技术、工业现场总线以及自动控制技术等，实现数控机床加工过程中的自动上下料以及加工棒料废料处理工作。

也有一些研究人员将机器视觉运用到自动对正系统中。如吴高德进行了基于单目视觉全自动对正系统平台的设计和搭建，通过Halcon完成了摄像机和机械手标定，理论上研究了实现空间棒料的三维姿态的算法，通过VS2015C#与Halcon混合编程，进行软件界面开发，控制机械手上下料。

张建中为解决机器人装配的自动定位问题，将视觉定位技术应用到直角坐标型机器人设计成手机镜头机器人装配设备中，开展了机器人装配设备视觉定位设计分析，提出了基于视觉定位的手机镜头机器人装配方法。

综上所述，目前的各种数控车床自动工件装载装置，大多针对某种特定工件，应用范围窄。或者是采用机械手或工业机器人，成本高，控制复杂。

数控车床所加工的工件中，棒料工件占有很大比例，而非圆柱类棒料工件，如四棱形、六棱形工件，又占了很大一部分。对于这类工件，如何实现自动装载，还未见报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统。

本发明还提供一种利用上述基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统的自动对正上料方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统，包括：

上料机构，用于放置待加工棱形棒料工件；

推送机构，推动上料机构内的工件到数控车床内完成工件的上料；

下料机构，将加工后的工件推出，完成下料过程；

机器视觉采集处理控制装置，分别与上料机构、推送机构、下料机构连接，实现整个自动对正上料系统的自动化运作；

所述机器视觉采集处理控制装置包括控制器、显示屏、键盘、LED照明灯、摄像头、图像采集卡；其中，显示屏、键盘、LED照明灯分别与控制器连接，摄像头通过图像采集卡与控制器连接。

优选的，所述上料机构包括一上料台，上料台上设有容纳工件的料槽。

优选的，所述推送机构包括相连接的电动气缸和电动推杆，电动气缸与控制器连接，电动推杆位于料槽一侧。

优选的，所述推送机构还包括步进电机及导向套筒，步进电机通过皮带与导向套筒传动连接，导向套筒位于料槽另一侧，步进电机与控制器连接。

优选的，所述下料机构包括支架及安装在支架上的下料气缸，下料气缸的活塞杆前端连接一L形推挡板，L形推挡板一侧设有接近开关且接近开关通过行程开关位置传感器与控制器电连接，下料气缸通过电磁阀与控制器连接。

一种基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统的自动对正上料方法，包括以下步骤：

(1)将待加工棱形棒料工件放置在上料台的料槽内；

(2)启动电动推杆，将料槽内的工件推入导向套筒内，此时棱形棒料工件的底面处于水平位置；

(3)摄像头和LED照明灯对准车床的弹簧夹头，由摄像头采集弹簧夹头的位置角度信息并传输给控制器，控制器分析计算导向套筒需要旋转的角度，然后控制启动步进电机旋转相应角度后，此时工件与弹簧夹头位置角度保持一致，电动推杆继续移动将工件推入弹簧夹头内并由弹簧夹头夹紧工件；

(4)当弹簧夹头夹紧工件后，电动气缸带动电动推杆复位；

(5)待工件在数控车床上加工完成后，弹簧夹头松开工件，重复步骤(1)-(4)使下一待加工工件进入弹簧夹头准备加工，此时加工完成后的工件被下一待加工工件顶出，启动下料机构，完成下料过程。

优选的，步骤(3)中，所述控制器分析计算导向套筒需要旋转的角度，然后控制启动步进电机旋转相应角度的具体过程如下：

a.对经过滤波处理后的图像进行阈值化和交叉线检测，交叉线检测后提取出线条，求取坐标中心点，通过坐标中心点进而求出弹簧夹头间隙线和参考水平线夹角θ，经过图像采集处理后得到的θ角度值为-300～300；

b.当检测到θ为正值时，步进电机驱动导向套筒顺时针旋转θ；当检测到θ为负值时，步进电机驱动导向套筒逆时针旋转θ。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提出的针对棱形棒料工件设计的自动对正上料系统，与数控车床可以实现完美配合，实现棱形棒料工件的上下料自动化作业，节省工件进入弹簧夹头装夹的时间，提高了生产效率，降低了企业成本，减少了用工数量且降低了工人的劳动强度。

2.本发明基于机器视觉的数控车床用棱形棒料自动装载过程控制，设计了棱形金属棒料工件自动推送机构，能够实现棱形金属棒料工件的自动导入夹具中，完成加工过程。

3.本发明自动对正系统设计构思巧妙，具有结构简单实用、性能可靠、效率高等优点，与数控车床配合使用，作用明显、效果显著，具有广泛的商业价值，值得推广应用。

附图说明

图1为本发明自动对正系统的机械结构示意图；

图2为本发明自动对正系统的整体结构图；

图3为本发明中机器视觉采集处理控制装置控制部分的系统硬件框图；

图4为本发明中机器视觉采集处理控制装置视觉采集系统部分的组成框图；

图5为本发明中视觉图像处理过程示意图；

图6为棱形棒料弹簧夹头主视图；

图7弹簧夹头与水平放置棱形棒料位置关系图；

图8弹簧夹头与水平放置棱形棒料位置关系局部放大图；

其中：1、弹簧夹头；2、棱形棒料工件；3、导向套筒支撑机构；4、导向套筒；5、步进电机；6；下料机构；7、滑板工作台；8、上料机构；9、电动推杆；10、推送机构；11、图像采集摄像头；12、LED照明灯；14、车床；16、弹簧夹头间隙；17、弹簧夹头内孔壁；18、弹簧夹头内孔；19、棱形棒料水平放置位置投影；20、弹簧夹头间隙线；21、弹簧夹头间隙与参考水平线的夹角；22、参考水平线。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1至图8所示，本实施例提供一种基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统，该自动对正上料系统包括相配合作业的上料机构、推送机构、下料机构以及机器视觉采集处理控制装置。其中：上料机构，用于放置待加工的棱形棒料工件；推送机构，推动上料机构内的工件到数控车床内完成工件的上料；下料机构，将加工后的工件从数控车床上推出，完成下料过程；机器视觉采集处理控制装置，分别与上料机构、推送机构、下料机构连接，实现整个自动对正系统的自动化运作。

具体地，如图2所示，上料机构8包括一上料台，上料台上开设有用于放置待加工棱形棒料工件的料槽，待加工棱形棒料工件就临时放置在料槽内。

推送机构10包括相连接的电动气缸和电动推杆，由电动气缸带动电动推杆实现直线移动，电动气缸与控制器连接，由控制器按照内部编程向电动气缸发送指令。电动推杆9位于料槽一侧，后续由电动推杆9将料槽内的工件推入车床的弹簧夹头1内进行加工作业。

推送机构还包括步进电机5及导向套筒4，步进电机5及导向套筒4安装在滑板工作台7上，通过滑板工作台7可以调节导向套筒4的位置，步进电机5通过皮带与导向套筒4传动连接，步进电机5及导向套筒4位于料槽和弹簧夹头1之间且导向套筒4位于料槽另一侧，步进电机5与控制器连接。导向套筒4能够起到辅助和矫正工件进入弹簧夹头1的作用。

本实施例中的电动推杆9、料槽、导向套筒4、弹簧夹头1与数控车床主轴处于同轴位置，与数控车床配合使用。弹簧夹头1的夹口形状与待加工工件(棱形棒料)的外形相同，利于工件的夹持和固定，保证加工过程的稳定。

机器视觉采集处理控制装置包括控制器、显示屏、键盘、LED照明灯12、摄像头11、图像采集卡；其中，显示屏、键盘、LED照明灯分别与控制器连接，摄像头通过图像采集卡与控制器连接。硬件系统框图如图3和图4所示，由步进电机、电磁阀、气缸组成后向通道；由操控键盘、启停按钮、显示屏组成人机交互通道；由视频图像传感器、行程开关位置传感器、光电开关传感器组成前向通道；前向通道、后向通道、人机交互分别与控制器连接。本实施例中，控制器选用微处理器对图像信息的采集，二值化处理和计算。根据传感器的信息控制上料台的运动，控制电动推杆、步进电机运转动作，控制导向套筒的转动角度和下料机构的动作，是整个控制系统的核心控制板。

如图4所示，LED照明灯和摄像头对准机床弹簧夹头，由摄像头获取弹簧夹头的位置角度信息图像再传输给控制器，后续由控制器内部的程序分析计算导向套筒需要旋转的角度。控制器获取分析计算图像信息的过程如图5所示。

本实施例还可增设一料仓，料仓放置在上料台的上方，将待加工的棱形棒料工件码放在料仓内，通过料仓底部的开口可以实现自动落料进入到上料台的料槽内，进而可实现多个工件的自动落料及连续加工。

实施例2：

一种基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统的自动对正上料方法，利用实施例1所述的棱形棒料自动对正上料系统，具体操作过程如下：

(1)将待加工棱形棒料工件放置在上料台的料槽内；

(2)启动上料机构使料槽内的工件移动到工件2与电动推杆9、导向套筒4、车床弹簧夹头1同轴的位置；

(3)启动电动推杆9，将料槽内的工件2推入导向套筒4内，此时棱形棒料工件的底面处于水平位置；

(4)摄像头11和LED照明灯12对准车床的弹簧夹头1，由摄像头11采集弹簧夹头1的图像并传输给控制器，控制器分析计算导向套筒4需要旋转的角度，然后控制启动步进电机5旋转相应角度后，此时工件2与弹簧夹头1位置角度保持一致，电动推杆9继续移动将工件2推入弹簧夹头1内，并由弹簧夹头1夹紧工件；

(5)当弹簧夹头1夹紧工件2后，电动推杆9反向运转复位；上料机构复位，下一个工件落入料槽内；

(6)当工件2在数控车床14上加工完成后，弹簧夹头1松开工件，重复步骤(2)-(5)使待加工工件2进入弹簧夹头1准备加工，此时加工完成后的工件2被下一待加工工件顶出，启动下料机构6，完成下料过程。

另外，步骤(4)中摄像头11采集弹簧夹头1的图像并传输给控制器，由控制器进行分析计算的实现过程如下：

对经过滤波处理后的图像进行阈值化和交叉线检测，交叉线检测后提取出线条，求取坐标中心点，通过坐标中心点进而求出弹簧夹头间隙线20和参考水平线22夹角θ。

图7和图8所示为弹簧夹头间隙线20和参考水平线22夹角示意图，经过图像采集处理后得到的角度为θ，其角度值为-300～300(弹簧夹头由等分的六瓣组成)。当检测到θ为正值时，步进电机5其驱动导向套筒4顺时针转过θ，当θ为负值时，步进电机5其驱动导向套筒4逆时针旋转θ。工件转到与夹具夹口形状对正的位置，然后在控制器的控制下电动推杆将工件完全贴合夹具的夹口进入，可实现工件一次就进入夹具完成自动装载工作。

由于弹簧夹头的停止位置是任意的，正值和负值出现的几率是均等的，所以为角度θ正值时顺时针和角度θ负值时逆时针转动的机会相等，可以消除步进电机驱动导向套筒产生的累积误差。

Claims (7)

1.一种基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统，其特征在于，包括：

上料机构，用于放置待加工棱形棒料工件；

推送机构，推动上料机构内的工件到数控车床内完成工件的上料；

下料机构，将加工后的工件推出，完成下料过程；

机器视觉采集处理控制装置，分别与上料机构、推送机构、下料机构连接，实现整个自动对正上料系统的自动化运作；

所述机器视觉采集处理控制装置包括控制器、显示屏、键盘、LED照明灯、摄像头、图像采集卡；其中，显示屏、键盘、LED照明灯分别与控制器连接，摄像头通过图像采集卡与控制器连接。

2.如权利要求1所述的基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统，其特征在于，所述上料机构包括一上料台，上料台上设有容纳工件的料槽。

3.如权利要求2所述的基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统，其特征在于，所述推送机构包括相连接的电动气缸和电动推杆，电动气缸与控制器连接，电动推杆位于料槽一侧。

4.如权利要求2所述的基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统，其特征在于，所述推送机构还包括步进电机及导向套筒，步进电机通过皮带与导向套筒传动连接，导向套筒位于料槽另一侧，步进电机与控制器连接。

5.如权利要求1所述的基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统，其特征在于，所述下料机构包括支架及安装在支架上的下料气缸，下料气缸的活塞杆前端连接一L形推挡板，L形推挡板一侧设有接近开关且接近开关通过行程开关位置传感器与控制器电连接，下料气缸通过电磁阀与控制器连接。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的基于机器视觉的棱形棒料工件自动对正上料系统的自动对正上料方法，包括以下步骤：

(1)将待加工棱形棒料工件放置在上料台的料槽内；

(2)启动电动推杆，将料槽内的工件推入导向套筒内，此时棱形棒料工件的底面处于水平位置；

(3)摄像头和LED照明灯对准车床的弹簧夹头，由摄像头采集弹簧夹头的位置角度信息并传输给控制器，控制器分析计算导向套筒需要旋转的角度，然后控制启动步进电机旋转相应角度后，此时工件与弹簧夹头位置角度保持一致，电动推杆继续移动将工件推入弹簧夹头内并由弹簧夹头夹紧工件；

(4)当弹簧夹头夹紧工件后，电动气缸带动电动推杆复位；

(5)待工件在数控车床上加工完成后，弹簧夹头松开工件，重复步骤(1)-(4)使下一待加工工件进入弹簧夹头准备加工，此时加工完成后的工件被下一待加工工件顶出，启动下料机构，完成下料过程。

7.如权利要求6所述的自动对正上料方法，其特征在于，步骤(3)中，所述控制器分析计算导向套筒需要旋转的角度，然后控制启动步进电机旋转相应角度的具体过程如下：

a.对经过滤波处理后的图像进行阈值化和交叉线检测，交叉线检测后提取出线条，求取坐标中心点，通过坐标中心点进而求出弹簧夹头间隙线和参考水平线夹角θ，经过图像采集处理后得到的θ角度值为-300～300；

b.当检测到θ为正值时，步进电机驱动导向套筒顺时针旋转θ；当检测到θ为负值时，步进电机驱动导向套筒逆时针旋转θ。