基于視覺定位的智能賀卡貼鉆機的研究與開發(fā)*

賈林玲，耿海珍

（江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東江門 529000）

0 引言

賀卡設(shè)計越來越多元化，很多裝飾手段被用在賀卡的設(shè)計上。其中用立體膠鉆黏貼在賀卡上，作為點綴或者組成各種圖案，使賀卡變得更加精致美觀。然而，目前賀卡上膠鉆的黏貼主要通過人手黏貼完成，效率低、不良品率高，而且工人流動性大、管理困難。為了解決人工貼鉆帶來的一系列問題，本文提出一種基于視覺定位的全自動貼鉆機，替代傳統(tǒng)的人工黏貼膠鉆。把機器視覺技術(shù)、運動控制技術(shù)與點膠工藝相結(jié)合，實現(xiàn)在賀卡點膠、膠鉆定位、撿鉆、貼鉆的全自動生產(chǎn)過程。

1 貼鉆機設(shè)計方案

1.1 機械系統(tǒng)

機械機構(gòu)設(shè)計采用動梁式結(jié)構(gòu)，具有三軸運動功能，如圖1～3所示，分為X、Y移動平臺和貼鉆頭組成。X軸主要由1 根線性模組驅(qū)動貼鉆頭左右運動；Y 軸是由2 根線性模組組成安裝在機架平板上，可以帶動X 軸前后運動。支撐座安裝在X 軸的滑塊上，用于安裝貼鉆頭。貼鉆頭又分成了吸嘴機構(gòu)和點膠機構(gòu)，分別由2 個步進電機通過擺桿帶動上、下運動，吸嘴機上的2個吸嘴分別安裝在2個20的步進電機上，電機旋轉(zhuǎn)可以調(diào)整被吸起膠鉆的角度，加工出多彩多樣的賀卡。背光源固定于X、Y平臺的左側(cè)，賀卡上料裝置安裝于平臺右側(cè)，原理是通過定位塊對卡片進行定位，利用真空把卡片吸住，防止卡片在加工的過程中發(fā)生移位[1]。

圖1 前視圖

圖2 俯視圖

圖3 貼鉆頭結(jié)構(gòu)圖

1.2 點膠成型系統(tǒng)

點膠成型系統(tǒng)由點膠機構(gòu)、點膠控制器組成，如圖4所示。

圖4 點膠控制器結(jié)構(gòu)示意圖

（1）點膠機構(gòu)

點膠機構(gòu)由出膠針頭、儲膠套筒組成。出膠針頭用于出膠，不同膠水使用不同針口大小的針頭以控制擠出膠水的流量大小；儲膠套筒負責儲存膠水。

（2）膠水控制器

膠水控制器由調(diào)壓閥、回吸調(diào)節(jié)開關(guān)及數(shù)字定時器組成。壓力閥由整機的點膠氣壓統(tǒng)一控制；回吸調(diào)節(jié)開關(guān)在點膠過程中，由回吸調(diào)節(jié)開關(guān)控制出膠氣壓，把膠水經(jīng)針頭擠出；當擠完一個膠點后，回吸調(diào)節(jié)開關(guān)控制回吸膠水能有效防止漏膠現(xiàn)象；數(shù)字定時器用于精確控制膠水擠出時間，提高點膠精確性。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由視覺識別系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)組成。

（1）視覺識別系統(tǒng)

圖像預(yù)處理主要目的是對采集的圖像通過處理，有選擇地突出圖像中感興趣的區(qū)域，而衰減其次要的信息[2]。通過攝像頭拍攝膠鉆，創(chuàng)新使用了背光源，減少了外界光線及膠鉆顏色對圖像的影響，然后通過膠鉆邊緣特征進行識別定位，即可以先平滑濾波消除噪聲，再銳化得到邊緣細節(jié)[3]。圖5～6所示為模板。為了匹配圖像，首先要確定幾組相匹配的點對，本文借助灰度互相關(guān)匹配判據(jù)來確定這樣的點對，數(shù)字圖像可看作是一個二維灰度分布函數(shù)，而灰度相關(guān)匹配則是在某個待匹配圖像上選擇一個模板窗口，并從目標圖像中尋找與其最相似的對應(yīng)窗口[4]。圖7～8所示為識別結(jié)果。

圖5 圓形膠鉆模板

圖6 馬眼形膠鉆模板

圖7 圓形膠鉆識別

圖8 馬眼型膠鉆識別

（2）運動控制系統(tǒng)

運動控制部分由硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)組成。硬件設(shè)備由帶編碼器的步進電機、步進電機驅(qū)動器、光電開關(guān)、真空泵、電磁閥等組成。軟件部分則分為上、下位機。上位機與下位機是通過CAN總線進行連接。上位機通過CAN總線對下位機發(fā)送運動指令，下位機接收視覺識別得到的位置信息，發(fā)出脈沖位置控制信號，控制X、Y平臺移動，貼鉆頭上下運動以及吸嘴的旋轉(zhuǎn)運動，完成點膠、吸鉆、貼鉆的動作。CAN 總線的高性能和高可靠性保證了上下位機通訊的實時性與可靠性[5]。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 主要技術(shù)指標

2.1 機械部分技術(shù)指標

機械部分技術(shù)指標如表1所示。

表1 機械部分的技術(shù)指標

2.2 點膠控制器技術(shù)參數(shù)

點膠控制系統(tǒng)的技術(shù)指標如表2所示。

表2 點膠控制系統(tǒng)的技術(shù)指標

2.3 視覺系統(tǒng)及控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

控制系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 控制系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)束語

本文針對目前賀卡制作過程中人工貼膠鉆石環(huán)節(jié)的缺點，設(shè)計了一種基于視覺定位的智能賀卡貼鉆機。分別對該設(shè)備的機械傳動系統(tǒng)，運動控制系統(tǒng)及圖像定位系統(tǒng)進行研究設(shè)計。所設(shè)計的智能貼鉆機經(jīng)過調(diào)試，快速完成賀卡貼鉆工序，節(jié)省人工、效率高，解決了企業(yè)招工難題。通過基于視覺定位的智能賀卡貼鉆機，可以通過機器視覺識別不同形狀和不同大小的膠鉆，克服市面上現(xiàn)在點鉆機只能黏貼圓形膠鉆的不足。達到了預(yù)期目標，現(xiàn)已在合作單位進行應(yīng)用，1個工人可以管理3臺，生產(chǎn)出來的賀卡穩(wěn)定性和一致性高，可以大幅度節(jié)省企業(yè)的用工成本和由于質(zhì)量問題返工引起的成本，取得了良好的效果。