CN111113416A - 基于机器视觉的轴承在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的轴承在线检测系统，包括执行系统、驱动系统和控制系统，所述执行系统包括手部、臂部、机身和底座，所述驱动系统包括驱动元件和传动装置，所述控制系统包括检测装置和控制装置，所述手部是以手指的张开和闭合来抓持工件，机械手的手部采用油缸控制，缸活塞后退时抓紧工件，缸活塞前进时松开工件。本发明检测系统中整形机构包括了多关节机械手和控制箱两部分组成。二个油缸控制两个关节，抓手的抓物动作由油缸控制。控制箱部分由电源、单片机、步进电机驱动模块及相应的按钮组成，通过检测系统对两个机械手进行位置检测，指导实现转动，升降运动，伸缩运动，抓取物体，精准且高效。

Description

基于机器视觉的轴承在线检测系统

技术领域

本发明属于计算机图形处理检测技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的轴承在线检测系统。

背景技术

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点。，一些简单、机械的工序都逐渐让机器人来完成，随着机器人行业的蓬勃发展，与之相配套的机器人终端执行器也是不可或缺的，一个企业在各个行业内将终端执行器很难做到面面俱到，比如在特定的场合，不能用传统的螺栓拆装工具时，一款全自动拆卸螺栓螺钉的机械手就尤为重要。因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。

在专利CN201721448791-一种装卸货用的机械臂中,可以将货物通过夹板夹住，然后通过移动固定套完成对货物的向上装运和搬缷的过程，并且采用夹板夹取货物，工作效率更快，而且便于货物的堆放，提高了工作效率，固定套的外形尺寸与伸缩杆的外形尺寸相吻合，且固定套与伸缩杆之间为活动连接，便于夹板前后移动，使货物的夹取更加方便。在上述专利中，虽然可以通过夹板快速的将货物夹住，再通过车架将货物移动走，但是由于夹板的角度是固定的，无法根据货物的摆放进行调节，导致实际应用较为困难。轴承装卸工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序Z轨迹或其它要求实现抓取Z搬运工件或操纵工具的自动化装置，目前没有关于太多改进技术公布。目前我国大部分轴承产品加工企业，特别是一些中小规模的生产单位，对产品感官指标的检测还要借助于人的视觉和个人主观判断能力,因而占用了大量的人力,而且由于受到个人的视力、情绪、疲劳、光线等因素的影响,工作效率低,分选差异大。如何提高检测效率、检测的准确度，成为一个重要的研究课题。

发明内容

本发明为实现对在线运行的轴承的抓取，并将它放到待检测位置，这个位置是固定不动的，等检测结束之后，由另外一个机械手将目标搬走，然后由原来的机械手继续放料，实现了一个循环，同时通过检测系统对两个机械手进行位置检测，指导实现转动，升降运动，伸缩运动，抓取物体。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种基于机器视觉的轴承在线检测系统，检测系统中整形机构包括了多关节机械手和控制箱两部分组成。多关节机械手共有3个关节动作和一个抓手动作，使用二个步进电机分别控制二个关节的动作，一个步进电机控制底盘转动，一个电机控制手臂伸缩。二个油缸控制两个关节，抓手的抓物动作由油缸控制。控制箱部分由电源、单片机、步进电机驱动模块及相应的按钮组成。

包括执行系统、驱动系统和控制系统，所述执行系统包括手部、臂部、机身和底座，所述驱动系统包括驱动元件和传动装置，所述控制系统包括检测装置和控制装置，所述手部是以手指的张开和闭合来抓持工件，机械手的手部采用油缸控制，缸活塞后退时抓紧工件，缸活塞前进时松开工件。其手部抓持工件的迅速，准确和牢固程度都将直接影响机械手的工作性能，根据手部所抓持工件的形状、尺寸、重量、材料和表面状况的不同，手部具有多种结构型式。手指要有足够的加紧力。为使手指夹紧工件，除考虑被抓持工件的重量之外，还应该考虑工件在传递过程中所产生的动载荷。手指应有一定的开闭范围，其大小不仅与工件尺寸有关，而且必须注意手部接近工件的运动路线及方位的影响。应该保证工件在手内的准确定位。保证手部有足够的柔度，轴承是金属品，而且是对表面质量要求很高，在抓取的时候，不能对工件造成损害。

所述臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，主要用来改变工件的位置，手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。

臂部要求刚度要好 要合理的选择臂部的截面形状和轮廓尺寸。为了解决这个问题，在机械手的臂部，用了钢管作为导向杆。偏重力矩要小，在手部的油缸的设计中，用了一个小的油缸，在臂部的一段安装了一个较大的电机，该段还可以加铁块进行重量平衡。

臂部设计中，用了四根导向柱，用来提高他的导向定位精度。

电机的选取采用了丝杠螺母传动机构。有一个电机经过联轴器直接带动丝杠轴，实现了伸缩运动。由于设计进度要求很高，力比较小，因此选取sl系列伺服电机。

所述机身是支撑臂部的部件。实现升降、回转和俯仰运动机构等都安装在机身上。采用升降油缸，实现了机身升降运动。

所述底座是整个机体重量的最终承受者，同时，机械手的转动部分就是在在机作内部实现的。当机身转动时，为了不影响机身的油缸内不通油，运用了配油盘。

机身的传动路线为：电机轴上装有第一级带传动的小带轮，通过同步齿形带原装在中间轴下方的大带轮组成第一级传动，中间轴上方装有第二级带传动的小带轮，通过同步齿形带与安装在配有盘心轴下方的大带轮组成第二级传动。

所述驱动元件包括电机和油缸。

所述传动装置采用丝杠螺母传动机构。电机经过联轴器直接带动丝杠轴，实现了伸缩运动。其中电机选择选取sl系列伺服电机。

所述检测装置：检测系统的功能是利用传感器从被测对象中提取所需要的信号，并把该信号转化成电信号，在经过中间变换电路将信号放大，转换和传输等，以便进行下一步的处理。

本发明的有益效果：本发明检测系统中整形机构包括了多关节机械手和控制箱两部分组成。多关节机械手共有3个关节动作和一个抓手动作，使用二个步进电机分别控制二个关节的动作，一个步进电机控制底盘转动，一个电机控制手臂伸缩。二个油缸控制两个关节，抓手的抓物动作由油缸控制。控制箱部分由电源、单片机、步进电机驱动模块及相应的按钮组成。机械手甲开始动作，甲手完成下降、抓取目标、上升、将目标放到检测点，CCD开始检测（甲手返回A 上方）至检测结束，机械手乙启动，乙完成转动，下降，抓取目标，上升，乙继续完成转动，下降，放物，上升，缩回B点，同时机械手甲启动。通过检测系统对两个机械手进行位置检测，指导实现转动，升降运动，伸缩运动，抓取物体，精准且高效。

具体实施方式

抓取的目标是半径为r=20mm的轴承，轴承的大小，形状决定了设计的手部的大小，形状。经过分析，设计的手部是手指式手部。设计的是手指式手部。手指式手部是以手指的张开和闭合来抓持工件，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，故应用最广。

机械手的手部采用油缸控制，缸活塞后退时抓紧工件，缸活塞前进时松开工件。

本发明搬运机械手是按照一定的轨迹实现的运动，而且，在检测系统中，有着时间的限制，因此，要求机械手工作速度快，运动平稳，尤其要求定位精度高。因此，必须对设计中的难点进行足够的分析，设计合理的结构，以满足要求。

手部要求：

1.其手部抓持工件的迅速，准确和牢固程度都将直接影响机械手的工作性能，根据手部所抓持工件的形状、尺寸、重量、材料和表面状况的不同，手部具有多种结构型式。

2.手指要有足够的加紧力。为使手指夹紧工件，除考虑被抓持工件的重量之外，还应该考虑工件在传递过程中所产生的动载荷。

3.手指应有一定的开闭范围，其大小不仅与工件尺寸有关，而且必须注意手部接近工件的运动路线及方位的影响。

4.应该保证工件在手内的准确定位。

5.保证手部有足够的柔度，轴承是金属品，而且是对表面质量要求很高，在抓取的时候，不能对工件造成损害。

臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，主要用来改变工件的位置，手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。

臂部设计：

1.刚度要好 要合理的选择臂部的截面形状和轮廓尺寸。为了解决这个问题，在机械手的臂部，用了钢管作为导向杆。

2.偏重力矩要小 在手部的油缸的设计中，用了一个小的油缸，在臂部的一段安装了一个较大的电机，而且该段还可以加铁块进行重量平衡。

臂部设计中，用了四根导向柱，用来提高他的导向定位精度。

电机的选取，采用了丝杠螺母传动机构。有一个电机经过联轴器直接带动丝杠轴，实现了伸缩运动。由于设计进度要求很高，力比较小，因此选取sl系列伺服电机。

机身是支撑臂部的部件。升降，回转和俯仰运动机构等都安装在机身上。采用升降油缸，实现了升降运动。

液压传动系统的设计，按照以下程序进行：

a 明确设计依据，进行工矿分析。设计的依据有：

（1） 主机的结构、动作循环和主要技术要求，如运动平稳性、动作精度、动作连锁、自动化程度和效率等。

（2） 液压系统的工作环境，如温度及其变化范围、潮湿、振动、冲击、尘砂、腐蚀或者易燃等。

（3）其他要求，如对液压装置的重量，外形，尺寸，经济性等。

B 拟定液压系统方案。包括：选定系统的工作压力，拟定系统的主要回路和综合考虑其他问题。

C 计算或者选定液压系统及元件的参数，包括：液压执行器尺寸和所需流量，泵的规格和驱动功率，各种液压元件的规格，管道尺寸和油管容量。

D 验算液压系统的性能。包括：管道和元件的压力损失，系统地发热量和温升，液压冲击。

底座是整个机体重量的最终承受者，同时，机械手的转动部分就是在在机作内部实现的。当机身转动时，为了不影响机身的油缸内不通油，运用了配油盘。

机身的传动路线为：电机轴上装有第一级带传动的小带轮，通过同步齿形带原装在中间轴下方的大带轮组成第一级传动，中间轴上方装有第二级带传动的小带轮，通过同步齿形带与安装在配有盘心轴下方的大带轮组成第二级传动。选取45BF003-Ⅱ步进电机。

选择轴承时，首先必须了解和掌握所需配备轴承的机械设备性能，再根据各类轴承的技术特性和具体工作条件等要求进行轴承类型的选择，最终应该满足设备的使用要求。具体选择时可以参考以下几个方面：

1.轴承的载荷。轴承所承受载荷的大小、方向、和性质是选择轴承类型的主要依据。一般棍子轴承的承载能力大于求轴承，并且承受冲击载荷的能力强，所以载荷较大的工作场合，优先选用棍子轴承。轴承承受纯径向载荷时，可以选用深沟球轴承，圆柱滚子轴承或者滚针轴承；所承受纯轴向载荷，可选用推力轴承；当径向载荷和轴向载荷联合作用时，一般选用角接触球轴承和圆锥滚子轴承；若径向载荷很大，而轴向载荷很小时，也可以选用深沟球轴承，若轴向载荷很大，径向载荷较小时，可用推力调心滚子轴承，也可用圆柱滚子轴承或者深沟球轴承和推力轴承联合使用。

2.支撑限位要求。可以承受双向轴向载荷的轴承，可以作固定支撑用。只承受单向轴向载荷的轴承可以作单向限位支撑。游动支撑轴向不限位，可使轴在支撑上自由伸缩游动，此时可用内，外圈不可分的向心轴承在座孔内游动，也可以用内，外圈可用的圆柱滚子轴承，其内，外圈相对游动。

3.轴承的调心性能。当轴的中心线与轴承座中心线由于加工、安装等误差的影响而不重合时，或因受力后使轴向弯曲而挠度较大时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜，这时应该选用调心性能好的调心球轴承或者调心滚子轴承，使轴的偏转角控制在需用值以内，否则会降低轴承寿命。

4.轴承的安装和拆卸。方便地装拆轴承，也是选用轴承类型时应该考虑的因素之一。当轴承座保护是剖分式而必须沿轴向安装和拆卸轴承时，应优先选用内外圈可分离的轴承。

联轴器是机械传动中的一种常用轴系部件，它的基本功用是联接两轴，并传递动力和转矩。

联轴器联接的两轴，只有在及其停车后并经过拆卸才能被彼此分开。在机械中应用联轴器，可以方便地将组成机器的各个部分连接起来，有利于机器的设计、制造、运输和维修。

联轴器的类型很多，通常根据相对位移有无补偿能力划分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。

刚性联轴器对相对位移无补偿能力，且全部由刚性零件组成，也没有缓冲减震能力，故适用于被联接的两轴严格对中，在和平稳的场合。

挠性联轴器因具有挠性，对相对位移具有补偿能力。他按是否具有弹性元件又分为无弹性元件的脑性联轴器和有弹性元件的脑性联轴器两种。有弹性元件的挠性联轴器，可以依靠弹性元件的变形与蓄能性来缓冲、减振、改善传动系统的工作性能。

此次设计，选用的是梅花形弹性联轴器。它的特点是结构简单，具有良好的缓冲、减振能力，补偿两轴相对位移量大，工作温度范围广，适用范围也广，可以用于各种中小功率传动的轴系。

基本的软件调试工作过程如下：

当目标到达一定的位置时，需要对其提前进行检测，判断时候到位；经过延时候，启动机械手。

机械手甲接到启动指令后，开始按照预定的轨迹工作，此时需要对机械手的运定情况进行及时的感知，来改正调节运动轨迹。

机械手甲将目标放到检测点后，需要给计算机发出目标到位的信息，启动机械手开始检测，经过检测，若是合格品，启动机械手乙将其放回到输送线上，若目标为废品，则将其放到废品箱，同时需要对机械手乙的运动轨迹进行感知。由工作过程，知道了工作过程中需要用到的传感器，有视觉传感器，力传感器，角度传感器，位移传感器。此次选用的是MCS---51系列的单片机，具体是选用8051系列芯片。

Claims (9)

1.一种基于机器视觉的轴承在线检测系统，包括执行系统、驱动系统和控制系统，其特征在于，所述执行系统包括手部、臂部、机身和底座，所述驱动系统包括驱动元件和传动装置，所述控制系统包括检测装置和控制装置，所述手部是以手指的张开和闭合来抓持工件，机械手的手部采用油缸控制，缸活塞后退时抓紧工件，缸活塞前进时松开工件；所述臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，主要用来改变工件的位置，手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式；所述底座是整个机体重量的最终承受者，同时，机械手的转动部分就是在在机作内部实现的；所述驱动元件包括电机和油缸；所述传动装置采用丝杠螺母传动机构，电机经过联轴器直接带动丝杠轴，实现伸缩运动，所述检测装置是利用多角度摄像头捕捉被检测对象的多维成像，并生成立体模型和计算所处空间位置在模型坐标系中对应的位置信息，转换和传输至后台服务器，还包括通过传感器从被测对象机械手各关节中提取所需要的信号，并把该信号转化成电信号，在经过中间变换电路将信号放大，转换和传输至后台服务器。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的轴承在线检测系统，其特征在于，臂部要选择合适臂部的截面形状和轮廓尺寸，在机械手的臂部，用了钢管作为导向杆。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的轴承在线检测系统，其特征在于，所述驱动元件包括在手部设置油缸，在臂部的一段安装了一个较大的电机，该段还加铁块进行重量平衡。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的轴承在线检测系统，其特征在于，臂部设计采用四根导向柱，用来提高导向定位精度。

5.根据权利要求1所述的基于机器视觉的轴承在线检测系统，其特征在于，所述传动装置选取丝杠螺母传动机构，一电机经过联轴器直接带动丝杠轴，实现了伸缩运动。

6.根据权利要求5所述的基于机器视觉的轴承在线检测系统，其特征在于，选取sl系列伺服电机。

7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的轴承在线检测系统，其特征在于，所述机身是支撑臂部的部件，实现升降、回转和俯仰运动机构都安装在机身上，机身采用升降油缸用以实现机身升降运动。

8.根据权利要求1所述的基于机器视觉的轴承在线检测系统，其特征在于，所述底座是整个机体重量的最终承受者，机身选用配油盘。

9.根据权利要求1所述的基于机器视觉的轴承在线检测系统，其特征在于，所述机身的传动路线为：电机轴上装有第一级带传动的小带轮，通过同步齿形带原装在中间轴下方的大带轮组成第一级传动，中间轴上方装有第二级带传动的小带轮，通过同步齿形带与安装在配有盘心轴下方的大带轮组成第二级传动。