铆钉机器视觉自动检测系统

摘要

本发明公开了一种铆钉机器视觉自动检测系统，其包括PLC、两台工业相机、储料仓、振动料盘、直线轨道、机械转盘、废品吹气管、废品落料槽、正品吹气管、正品落料槽、落料挡板、图像采集卡、工控机、触摸屏、电磁铁、气泵电磁阀、上传感器、下传感器、孔传感器、计数传感器、步进电机驱动器和步进电机。该系统检测精度在±0.03mm以内；通过PLC对电磁阀的控制，完成精准的废品吹气，实现正废品分离；最终的正品数由计数器准确记录，利用时间差关闭落料口，为后续打包工序进行准备；所有数据记录于数据库中，一键可生成各类生产、客户、分析和CPK报表。

说明书

技术领域

本发明涉及工业自动化检测的技术领域，特别地，涉及一种铆钉机器视觉自动检测系统，其用于识别不同铆钉的外形、规格、尺寸，并完成正废品分离的工作。

背景技术

现代工业自动化生产包括汽车制造、制药、电子、包装、印刷、日化、建材、制币、制卡等几乎所有行业，其中涉及到各种各样的零件规格检验、尺寸识别，如汽车零件批量加工，铆钉、螺丝尺寸检测，IC规格识别等等。通常这种带有高度重复性和智能性的工作只能用人的肉眼来完成。但有些时候，如微小的尺寸要做到精确快速测量、形状匹配、正废品分离等，人们根本无法用肉眼连续稳定地进行，其他物理测量设备也难以有用武之地。因此开发自动检测设备可以大大改善劳动者的工作条件，并且大幅度提高测量效率与数据精度。

传统铆钉检测是采用人工或者其他简易机械装置来完成，对工人要求较高，工作效率极低，不但需要耗费大量的人力、物力，而且常常不能达到较高的准确率，不利于现代工厂对自动化水平的要求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种铆钉机器视觉自动检测系统，其采用可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)作为电气控制单元，通过获取传感器信号和图像检测信号，控制电机转盘、振动料盘以及气泵和电磁阀，使得铆钉以每分钟300个的速率通过相机镜头曝光拍照，并在电脑(Personal Computer，PC)上给出合格或不合格信号后，通过吹气将正品与废品分离，从而完成整个检测功能。

为实现上述目的，本发明提供了一种铆钉机器视觉自动检测系统，其包括PLC、两台工业相机、储料仓、振动料盘、直线轨道、机械转盘、废品吹气管、废品落料槽、正品吹气管、正品落料槽、落料挡板、图像采集卡、工控机、触摸屏、电磁铁、气泵电磁阀、上传感器、下传感器、孔传感器、计数传感器、步进电机驱动器和步进电机，其中，所述PLC分别与所述两台工业相机、振动料盘、工控机、触摸屏、电磁铁、气泵电磁阀、上传感器、下传感器、孔传感器、计数传感器和步进电机驱动器相连，所述储料仓与所述振动料盘相连，所述工业相机、图像采集卡、工控机和触摸屏依次相连，所述步进电机与所述步进电机驱动器相连，所述直线轨道与振动料盘相连，所述机械转盘与所述直线轨道和步进电机相连；铆钉检测位置设置在所述机械转盘水平面上，且位于所述两台工业相机的正前方，所述铆钉检测位置的顺时针120度处设置有废品吹气管，逆时针120度处设置所述孔传感器，在所述废品吹气管到孔传感器之间，依次装设有废品落料槽、所述计数传感器、正品吹气管和正品落料槽，在所述孔传感器之前镶嵌一个落料挡板；

其中，待测铆钉置于所述储料仓内，并适时自动添加到所述振动料盘内；所述振动料盘的铆钉轨道输出口与直线轨道上端相连，所述直线轨道下端切于所述机械转盘外齿，所述步进电机装于所述机械转盘底座，所述直线轨道的上下半段分别装设有所述上传感器和下传感器，所述上传感器和下传感器的输出信号输入给所述PLC，供所述PLC给出控制所述振动料盘与机械转盘的信号；

所述两台工业相机分别为水平相机和垂直相机，所述水平相机用于拍摄铆钉的铆体直径、钉芯直径、铆体长度和钉芯长度；所述垂直相机用于拍摄铆钉帽檐直径；当待测铆钉达到所述铆钉检测位置时，所述孔传感器的输出触发所述两台相机拍照，照片通过所述图像采集卡传输到所述工控机中进行图像检测；

当所述两台相机拍摄的图像检测出铆钉的各个数据后，和原本指标进行比对；若所测得数据落在设定范围之外，则所述工控机中的图像处理程序给所述PLC的寄存器中写入一个高位信号，当废品临近废料吹气口时，打开所述气泵电磁阀，采用提前吹气，延迟关断的方法将废品剔除；废品经吹出后，正品铆钉继续运行，由所述落料挡板刮落到打包箱中；

所述计数传感器用于准确记录正品铆钉通过的个数和检测废品分离是否成功，所述计数传感器设置在废料吹气管的后面；当计数传感器的数值接近设定的正品个数时，落料吹气口的气阀打开，正品直接落入打包盒内，而不经过所述落料挡板刮落；直至正品个数等于所设定打包个数时，所述落料吹气孔的气阀关闭，所述电磁铁动作，将之后的铆钉全部挡住下落，待包装过程结束后才放开；

当所述工控机上的图像处理程序从待机模式进入运行模式时，通过SQL语言在数据库文件中创建以检测时间和产品型号为名称的表；进入运行模式后，将产生的检测数据同时存入相应的数据库表中；在程序运行结束后，通过所述触摸屏进行查询历史数据并生成报表，所述报表包括各个指标分布直方图、废品列表、客户抽样检测数据表以及CPK报表。

根据上述的铆钉机器视觉自动检测系统，其中，所述PLC中包含一个M000E到M0032的移位寄存器。

根据上述的铆钉机器视觉自动检测系统，其中，当所述上传感器和下传感器都为高时，表示所述直线轨道料满，机械转盘和振动料盘停止运动；当所述上传感器为低、下传感器为高时，表示所述直线轨道正在落料，机械转盘旋转、振动料盘送料；当所述上传感器和下传感器都为低时，表示缺料或料空、所有部件停止运动，等待所述储料仓给振动料盘添料；当所述上传感器为高、下传感器为低时，表示故障信号。

根据上述的铆钉机器视觉自动检测系统，其中，剔除废品时，所述提前吹气，延迟关断的方法是指当废品的上一个铆钉经过吹气口后50毫秒后，所述PLC动作，开始吹气，吹气时间持续20-30毫秒后关闭吹气。

根据上述的铆钉机器视觉自动检测系统，其中，当废品剔除时，若没有成功的将废品铆钉吹离转盘时，所述废品铆钉经过所述计数传感器时，机器将停止运转，所述计数传感器正对着的铆钉即为没有成功分离的废品铆钉；同时，正品铆钉打包个数，通过触摸屏程序设定。

根据上述的铆钉机器视觉自动检测系统，其中，所述直线轨道与振动料盘连接处装有吹气口，以保证待测铆钉有序进入所述直线轨道；所述直线轨道与机械转盘的接触口装有吹气装置，以保证待测铆钉平滑进入所述机械转盘齿槽。

根据上述的铆钉机器视觉自动检测系统，其中，所述PLC发出占空比不变的脉冲信号，输出给所述步进电机驱动器从而精确控制所述步进电机的速度，使与之相连的所述机械转盘速率稳定运行。

根据上述的铆钉机器视觉自动检测系统，其中，在图像检测时采用如下步骤：获取待测铆钉水平与垂直方向的图像，传入所述工控机，所述工控机中的图像处理程序后台运行，在镜头拍摄区域内进行搜索，找到待测铆钉，通过Pattern Match函数与模板进行匹配，建立坐标系，对应图像上的灰度特征进行边缘检测、分析、处理，包括用于滤掉噪声的高斯模糊处理及用于强化边缘的拉普拉斯锐化处理，捕捉边缘检测点，载入事先完成的比例尺定标模版，根据所测指标，选择各个检测点之间的测量方法，计算长度尺寸，与之前所设定的数据进行对比，若有越界，视为废品，将废品信号写入PLC移位寄存器中。

进一步地，根据上述的铆钉机器视觉自动检测系统，其中，当图像处理程序给出废品分离信号，由所述PLC控制所述电磁阀吹气，PLC移位寄存器和定时器配合控制吹气时间。

因此，本发明的铆钉机器视觉自动检测系统可以在无人工操作情况下，自动稳定连续运行5小时以上，完成超过9万个铆钉的图像尺寸识别，识别精度在±0.03mm以内，并实现废品剔除与正品计数打包等操作；同时对所测数据，可以记录、提取，并生成各种客户需要的报表，可以提高工厂自动化设备水平，节约人工检测成本，并可根据生成的分析报表对生产工艺提出改进性意见。

附图说明

图1是本发明的铆钉机器视觉自动检测系统的俯视结构图；

图2是本发明的铆钉机器视觉自动检测系统的侧视结构图；

图3是本发明的铆钉机器视觉自动检测系统的系统结构图；

图4是本发明的铆钉机器视觉自动检测系统的检测流程图；

图5是本发明的铆钉机器视觉自动检测系统的labview软件中Vision Assistant模块的流程图。

图中1标号说明：

1、振动料盘      2、直线轨道        3、上传感器D0    4、下传感器D1

5、孔传感器D2    6、计数传感器D3    7、机械转盘      8、机械外盘

9、水平相机       10、垂直相机      11、废品吹气管    12、正品吹气管

13、废品落料槽    14、正品落料槽    15、步进电机      16、落料挡板

图中2标号说明：

1、振动料盘        2、直线轨道       3、上传感器D0       8、机械外盘

9、水平相机        10、垂直相机      11、废品吹气管      12、正品吹气管

13、废品落料槽     14、正品落料槽    15、步进电机        17、铆钉检测位置

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

在本发明的铆钉机器视觉自动检测系统中，待测铆钉可批量堆放于储料仓内，储料仓内的铆钉匀速落于振动料盘内，振动料盘铆钉轨道输出口与直线轨道上端相连，铆钉经直线轨道有序置于机械转盘上的齿口中，由PLC以及各位置的传感器来控制振动料盘与步进电机的运行。当铆钉经过两个相机检测位置时进行拍照，照片通过图像采集卡传输到工控机中进行图像检测，判断正次品，并给出PLC废品剔除信号，等待废品剔除模块进行分离。废品剔除模块固定在机械转盘末端，由PLC控制电磁阀的开断，通过废品吹气管将废品吹出。为完成计数打包功能，在正品落料口处还装设了电磁铁，用于暂时关闭落料口给打包留出时间。该系统还配有触摸屏，与PLC相连接，用以设置打包个数、运行时间、在线数据实时显示功能。

具体地，根据各个部件模块，本发明的铆钉机器视觉自动检测系统包括PLC、两台工业相机、储料仓、振动料盘、直线轨道、机械转盘、废品吹气管、废品落料槽、正品吹气管、正品落料槽、落料挡板、图像采集卡、工控机、触摸屏、电磁铁、气泵电磁阀、上传感器、下传感器、孔传感器、计数传感器、步进电机驱动器和步进电机，其中，所述PLC分别与所述两台工业相机、振动料盘、工控机、触摸屏、电磁铁、气泵电磁阀、上传感器、下传感器、孔传感器、计数传感器和步进电机驱动器相连，所述储料仓与所述振动料盘相连，所述工业相机、图像采集卡、工控机和触摸屏依次相连，所述步进电机与所述步进电机驱动器相连，所述直线轨道与振动料盘相连，所述机械转盘与所述直线轨道和步进电机相连；铆钉检测位置设置在所述机械转盘水平面上，且位于所述两台工业相机的正前方，所述铆钉检测位置的顺时针120度处设置有废品吹气管，逆时针120度处设置所述孔传感器，在所述废品吹气管到孔传感器之间，依次装设有废品落料槽、所述计数传感器、正品吹气管和正品落料槽，在所述孔传感器之前镶嵌一个落料挡板。

根据上述部件的功能，本发明的铆钉机器视觉自动检测系统又可分为：(1)储料仓-振动料盘；(2)直线轨道-电机转盘；(3)图像检测模块；(4)废品剔除模块；(5)计数打包模块；(6)数据与报表模块等六大部分。

下面详述各个部分的具体结构和功能：

(1)储料仓-振动料盘

振动料盘和储料仓作为供料系统，所有的待测铆钉置于储料仓内，可供运行5小时左右。通过检测振动料盘中铆钉料的多少，适时自动添加，使得振动料盘中铆钉量需保持在三分之一左右，过少的铆钉会造成供料不及时，降低工作效率；而过多的铆钉则会使振动料盘出现铆钉堆积情况。所以在振动料盘上方装备一个简易传感器，当铆钉量达到一定数量时，传感器检测到信号，储料仓停止给振动料盘输送货料，待振动料盘内铆钉量减少后，储料仓继续启动送料。

(2)直线轨道-电机转盘

该模块包括直线轨道、机械转盘、步进电机以及两个光纤传感器，其中，直线轨道下端切于机械转盘外齿，步进电机装于机械转盘底座。振动料盘将料送上直线轨道，与机械转盘和步进电机配合运行。本发明中包含4个光纤传感器，分别以上传感器D0、下传感器D1、孔传感器D2和计数传感器D3进行标示。其中，D0、D1、D2为对射光纤传感器，D3为反射光纤传感器。在该模块中，通过光纤传感器D0和D1的输出信号输入给PLC，经过PLC判断当前的状态，给出控制信号。D0与D1不同时间信号配合所得到的输出电平状态决定PLC的动作。当D0、D1都为高时，表示直线轨道料满，机械转盘和振动料盘停止运动；当D0为低、D1为高时，表示直线轨道正在落料，机械转盘旋转、振动料盘送料；当D0、D1都为低时，表示缺料或料空、所有部件停止运动，等待储料仓给振动料盘添料；当D0为高、D1为低时，表示故障信号。因此，通过D0和D1的传感器信号，可以方便的控制振动料盘与电机转盘的启动与停止，保证整个检测设备的正常运行。

(3)图像检测模块

该模块包括2台120万像素工业相机及孔传感器D2、背景光源和储存在工控机中的图像处理程序，即含Vision Assistant模块的labview铆钉检测程序。其中，2台相机分别为水平相机和垂直相机。图像处理程序采用中断触发方式。当铆钉达到指定位置时，孔传感器D2的输出触发相机拍照，同时相机拍照后进入的含VisionAssistant模块的labview铆钉检测程序进行图像处理工作。图像处理从程序和数据保存从程序之间采用了基于队列的生产者消费者模型。图像处理程序将结果存放于队列中，数据保存从程序将数据同步存入数据库中。水平相机用于拍摄铆钉的d、dm、l、p尺寸，即铆体直径、钉芯直径、铆体长度、钉芯长度；垂直相机用于拍摄图中的dk尺寸，即铆钉帽檐直径。其中，孔传感器D2作为照相触发信号，当机械转盘齿轮转过时，信号高低间隔输出，以确保当铆钉转过相机正前方时，准确曝光。

(4)废品剔除模块

该模块包括气泵电磁阀。当相机图像检测出铆钉的各个数据后，会和原本指标进行比对。若所测得数据落在设定范围之外，则Labview程序给PLC的寄存器中写入一个高位信号。PLC中使用移位寄存器，创建一个M000E到M0032的寄存器空间，其个数正好等于相机检测到废品吹气管之间的转盘孔数。在废品临近废料吹气口时，采用提前吹气，延迟关断的方法。当废品的上一个铆钉经过吹气口后50毫秒后，PLC动作，开始吹气，吹气时间持续20-30毫秒后关闭吹气。这样做可以确保不影响到废品前后2个铆钉，以免发生误吹或错吹现象。所有的孔数计算，都通过孔传感器D2来完成。待废品经吹出后，落料在机箱边上的小抽屉中。正品铆钉继续运行，由落料挡板刮落到打包箱中。

(5)计数打包模块

该模块包括计数传感器D3、电磁铁、电磁阀。在废料吹气管的后面，装设计数传感器D3，其作用有二：一为正品计数，准确记录正品铆钉通过的个数，使得之后正品打包每箱个数一致；二为检测废品分离是否成功。当废品吹气时，若发生意外，没有成功的将废品铆钉吹离电机转盘时，该废品铆钉经过计数传感器D3时，机器将停止运转，而计数传感器D3正对着的这个铆钉即没有成功分离的废品铆钉。

正品铆钉打包个数，可以通过触摸屏程序设定。当正品计数器数值接近所设定个数时，落料吹气口的气阀将打开，此时正品将直接落入打包盒内，而不经过落料挡板刮落，直至正品个数等于所设定打包个数时，气阀关闭。此时，电磁铁动作，将之后的铆钉全部挡住下落，待包装过程结束后才放开，这样后一批铆钉则可落入下一个新的包装盒内。PLC程序控制如图4所示，其原理则是利用正品吹气与挡板落料之间的时间差，用于电磁铁的关闭动作，起到了隔离每一批铆钉的作用。

(6)数据与报表系统

由于本系统每日需检测十万个以上的铆钉，数据量较大，同时又需防止系统突然断电导致的数据丢失。因此本发明采用数据库实时保存数据的方法。Labview提供了ActiveX方法以实现与数据库的连接。为减少用户操作，系统采用动态创建数据库文件的方法。每次程序从待机模式进入运行模式时，通过SQL语言在此数据库文件中创建以检测时间和产品型号为名称的表。进入运行模式后，将产生的检测数据同时存入相应的数据库表中。

在程序运行结束后，在选择“退出”之前，程序界面右下角“报表”与“退出”选项，用于产生此次运行的报表excel文件。按下报表后，选择当前数据，然后选择要产生的报表样式，通过报表模版的调用，提供生成分析报表、客户报表以及各个指标的CPK报表。

下面结合图1、图2详细介绍一下本发明的铆钉机器视觉自动检测系统的工作流程：

在图1中，铆钉由储粮仓送入振动料盘1中，经振动后有序进入直线轨道2，直线轨道2的上下段装有上传感器D03和下传感器D14，根据设定的逻辑关系配合送料，保证送料的连续、稳定。待铆钉进入机械转盘7进行顺时针旋转，孔传感器D25触发水平相机9和垂直相机10进行拍照；当两个相机收到触发信号时，同时拍下正前方的铆钉照片，由工控机中的图像处理程序进行图像检测，并给出正废品信号，并通过PLC的移位寄存器；待废品铆钉旋转至废品吹气管11处，电磁阀动作，将废品吹落；正品铆钉继续旋转，至正品落料槽14，经落料挡板16落下；计数传感器D36检测所经过的正品铆钉数目；当废品吹气管11由于意外原因失效时，计数传感器D36亦可作为检测传感器，根据PLC移位寄存器信号判断废品应该吹出后，且该位置为空时，计数传感器6若仍然检测到铆钉，则运行PLC停止命令，使系统停止运行，需人工手动清除停在计数传感器6前的废品铆钉，然后方可继续运行。正品吹气管12功能适用于需要打包动作的场合，打包个数由触摸屏设定，当正品记录个数接近打包个数时，正品吹气管12口开始动作，待正品个数等于打包个数时，气阀关闭，并重新计数，后面的铆钉运行1秒后由落料挡板16拨入正品落料管11口。在这1秒的时间差内，电磁铁动作，封闭住正品落料槽14的下端，给后序的纸盒打包、传送工作腾出时间，待收到新的包装盒就位后，开启正品落料槽14，这段时间内被封闭的铆钉落入新的打包盒内。

图2从侧面看整个系统，其中，步进电机15设置于机械转盘下方，由PLC发出的脉冲信号控制，稳定速率为30度/秒。在机械转盘水平面上，设定铆钉检测位置17位于水平相机9和垂直相机10正前方，顺时针120度处放置废品吹气管11，逆时针120度处为孔传感器D2，始终检测机械转盘的齿口，给出一系列的触发信号，使两个相机同时拍下处在铆钉检测位置17的铆钉图像。在废品吹气管11到孔传感器D2之间，依次装设废品落料槽13、计数传感器D3、正品吹气管12和正品落料槽14，在孔传感器D2之前镶嵌一个落料挡板，将合格的铆钉剥落到正品落料槽14中。被监测后的铆钉，依次经过上述部件，实现正废品的分离。

图3是本发明的铆钉机器视觉自动检测系统的系统结构图。由图可知，该系统由PLC作为逻辑控制中心，同时控制振动料盘、步进电机、电磁铁、电磁阀等多个对象。PLC接收四个光纤传感器的信号，控制铆钉进料速度、触发相机、给出正废品分离吹气信号。正废品的判别信号，由图像采集后经计算机程序处理后给出，并计入PLC移位寄存器中，待位置匹配时，控制电磁阀吹气。

图5是本发明中图像检测部分的软件流程图。首先，由孔传感器D2发出相机触发信号，水平相机和垂直相机同时捕捉当前铆钉的水平和垂直图像。以水平图像为例，图片转入内存，在工控机中载入labview程序，进入Vision Assistant软件模块进行图像处理。通过NI的Vision Assistant软件进行图像处理流程设计及参数选择。

具体的图像处理分为以下几个步骤：

1.在镜头拍摄区域内进行搜索，找到待测铆钉；

2.通过Pattern Match函数与模板进行匹配，并建立坐标系；

3.对应图像上的灰度特征进行边缘检测、分析、处理，包括用于滤掉噪声的高斯模糊处理及用于强化边缘的拉普拉斯锐化处理，捕捉边缘检测点；

4.载入事先完成的比例尺定标模版；

5.根据所测指标，选择各个检测点之间的测量方法，计算长度尺寸。

图像处理结束后，所得数据数据记录于数据库文件中，并与之前所设定的数据进行对比，若有越界，则视为废品，通过labview程序将废品信号写入PLC移位寄存器中，等待PLC控制电磁阀动作。

综上，本发明的铆钉机器视觉自动检测系统提供各种高速度、高精度、体积小、灵活易用的标准和非标准自动识别检测功能，能在高速状态下准确地测量、定位、辩识及检查产品；其可以确定检测结果，并将处理过程的信息实时显示在触摸屏、电脑屏上，并且支持多种通信协议，能直接或通过计算机和其它任何设备进行通讯，而且在现场调试中能方便地修改和优化参数，功能强大，成熟实用；通过方便简洁的用户界面，操作可编程控制器完成将铆钉零件自动依次排列并进行机器视觉检测，以及进行图像处理用于判断测量尺寸是否在标准范围之内，最终实现正品与废品的分离。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。