基于機器視覺的自動檢測針尾中心鉆孔裝置

楊懷林 ， 趙 晟

(江蘇財經職業技術學院 機械電子與信息工程學院， 江蘇 淮安 223003)

基于機器視覺的自動檢測針尾中心鉆孔裝置

楊懷林 ， 趙 晟

(江蘇財經職業技術學院 機械電子與信息工程學院， 江蘇 淮安 223003)

運用機器視覺技術，設計了一種能自動檢測針尾中心的鉆孔裝置。該裝置主要由高精度照相機、CCD采集卡、PC機、PLC控制系統、步進電機及鉆頭等組成，通過CCD采集卡采集針孔圖像信息，由PC機來控制PLC和步進電機系統對鉆頭進行精確定位。該裝置能精確迅速地找準針尾中心位置，有效解決鉆孔同軸度問題，提高了鉆孔精度和效率。

機器視覺技術； 自動檢測； 針尾中心； 鉆孔裝置； 醫用縫合針

帶線縫合針主要用于醫院手術創面的縫合，由不銹鋼針體和縫合線組成，針體尾部鉆有小孔，縫合線通過橡膠接頭埋入孔內，針線銜接成一體。針徑規格為0.5～1.5 mm，尾孔孔徑規格為0.20～0.60 mm，縫合針根據需要可做成不同的形狀。由于針與線是同一軸線，針線連接在小孔內，所以縫合時比較順暢，減少了創傷面積，降低了拉傷人體組織的風險。因此，醫用帶線縫合針在加工時應保證針孔與針體有較高的同軸度。由于帶線縫合針尾部的中心孔尺寸較小，加工要求較高，因此檢測針尾中心進行鉆孔是縫合針加工中的難點。

現有的醫用帶線縫合針針尾鉆孔，一般是通過手工調試，大致將鉆頭對準針尾軸心，并保持鉆頭與夾具位置相對固定進行批量生產，而每次加工時，夾具夾取帶線縫合針時位置都是不一致的，鉆頭有可能偏離針尾中心，造成成品率低、精確度不高，不能及時檢測并進行修正。

為了解決上述問題，本文設計了一種基于機器視覺技術的能自動檢測針尾中心的鉆孔裝置。該裝置能精確迅速地找準針尾中心位置，有效解決鉆孔同軸度問題，提高了鉆孔精度，具有高精度、低功耗、實時檢測等優點。

一、鉆孔裝置的總體結構與組成

本裝置主要包括：PC機、PLC、主軸電機、步進電機、位置調節系統、高清相機、CCD采集卡、鉆頭、縫合針和針夾具，如圖1所示。其中：PLC用于控制主軸電機、步進電機、照相機和其他運動系統的運行[1]80；主軸電機上安裝有鉆頭，三相交流電源通過變頻器控制主軸電機進行鉆孔；步進電機有三個，5是上下調節步進電機，6是進給步進電機，7是左右調節步進電機；位置調節裝置由絲杠等傳動系統組成，由步進電機驅動用以調節鉆頭上下左右位置；相機用于拍攝夾持著縫合針的針尾及鉆頭，有兩臺相機，均自帶顯微鏡頭與光圈；PC機是用來處理圖像信息，并通過算法分析來判斷鉆頭位置，通過與PLC通信發出步進電機移動指令；CCD采集卡是將相機圖像信息傳到PC機；夾具用于夾持要鉆孔的縫合針(參見圖1)。

二、自動檢測控制系統

本設計是一種基于機器視覺技術的自動檢測針尾中心鉆孔裝置，采用高清晰相機對準針尾部及鉆頭拍照[2]4090，將圖片信息傳給計算機，由計算機進行圖像處理，將處理信息傳給PLC，由PLC控制位置調節系統，即由PLC控制步進電機，步進電機帶動絲杠進行上下左右移動。控制系統由上位PC機和下位機PLC兩部分組成，控制系統的下位機采用PLC，上位機采用 PC 機在 Windows 環境下用 VC++開發上位機軟件。上位機控制 CCD 攝像將所得圖像進行處理, 并計算定位孔和鉆頭之間的相對位置, 然后通過串行口將數據傳給下位機。下位機接收外部機械部件傳來的各種信號, 在一定條件下向上位機發送攝像等命令, 利用上位機反饋下來的數據控制步進電機和鉆孔電機進行鉆孔[3]18。

三、鉆孔裝置控制電路設計

鉆孔裝置控制系統的硬件電路如圖2所示，計算機2通過(1)(2)接220 V交流電，并與PLC通過數據線連接；DC24 V開關電源4通過(3)(4)接220 V交流電；PLC通過(7)(8)接220 V交流電，其中S/S(9)接開關電源4中的正極(5)，Y0(10)接X軸步進電機驅動器7的PUL脈沖信號輸入端(16)，Y2(11)接X軸步進電機驅動器7的DIR方向信號輸入端(17)；PLC的COM(12)接X軸步進電機驅動器7的COM(18)，PLC的Y1(13)接Y軸步進電機驅動器6的PUL脈沖信號輸入端(19)，Y3(14)接Y軸步進電機驅動器7的DIR方向信號輸入端(20)， PLC的COM(15)接Y軸步進電機驅動器6的COM(21)，同時接開關電源4的負極端子(6)；X軸步進電機驅動器7端口A+(22)、A-(23)和B+(24)、B-(25)分別接X軸步進電機3-1的A相繞組和B相繞組；Y軸步進電機驅動器6端口A+(26)、A-(27)和B+(28)、B-(29)分別接Y軸步進電機3-2的A相繞組和B相繞組，X軸步進電機3-1和Y軸步進電機3-2連接工作臺的位置調節系統5，可以調節工作臺的X軸和Y軸方向的位置，讓圖1中的鉆頭10對準針尾1端面中心(參見圖2)。

四、控制系統軟件設計

當機械手抓取縫合針到鉆孔位置，鉆孔鉆頭自動接近針尾，PLC控制高清相機CCD拍照，將圖像信息存貯在采集卡內并上傳給PC機，PC機通過機器視覺技術軟件進行處理，處理后輸出信號給PLC，PLC通過位置調節裝置調整鉆頭上下左左移動，當鉆頭對準針尾圓心時，鉆頭進給運動，開始鉆孔，鉆孔完畢后，機械手抓取縫合針退出鉆孔工位，等待下一個縫合針。鉆孔自動控制流程(參見圖3)。

機器視覺技術[4]899就是利用計算機來模擬人的視覺功能，從圖像中提取物體信息進行處理，最后對機器進行檢測與控制。這種技術主要是圖像處理，通過計算機對圖像處理分析，求得針尾圓心坐標。計算機對于圖像處理，算法有很多種，通常對圓心的算法用Hough變換[5]23，首先，通過CCD采集到的圖像送到計算機，圖像處理軟件將圖像進行分割，提取到圖像邊緣，將圖像邊緣輪廓進行Hough變換，建立橢圓方程，算出橢圓的極點，根據上下或左右兩個極點的距離，計算其中心位置；在鉆頭上涂上黃色，讓相機拍得鉆頭位置，由計算機比較鉆頭與針尾中心位置是否重合，不重合則調整鉆頭位置，再進行采集圖像，分割提取，Hough變換，求出極點，比較位置，一直到重合為止。算法流程(參見圖4)。

機器視覺的圖像處理過程也就是將計算機所得到的圖像進行處理，以求得針尾的圓心坐標。以便給出標記圓圓心坐標相對于鉆頭中心的相對坐標，然后輸出給PLC控制系統。通過程序不僅減小了控制系統的復雜度[6]32，也降低了對位置控制系統的機械精度要求。

機器視覺技術應用在本裝置中，重點解決了針尾中心自動定位問題，克服了以前利用人工放置鉆頭的誤差，特別是之前隨著加工次數的增加會形成積累誤差，而采用這種技術加工后，每一次都進行校對，就不會造成誤差的積累，次品率能降低30%～50%。鉆頭同心度誤差能減少40%左右。利用這種技術的難點在于鉆頭底座的傳動裝置要精密，反應要靈敏，要求嚴，成本高，特別是在調試時難度較大。

[1] 劉方年,王世耕.基于機器視覺技術的PCB數控打靶機[J].重慶科技學院學報(自然科學版),2006(3).

[2] 焦圣喜,肖德軍，闞一凡.霍夫變換算法在圓心視覺定位中的應用研究[J].科學技術與工程,2013(14).

[3] 朱海峰.電路板自動鉆孔機的開發[J].工業控制計算機,2004(5).

[4] 單越康,許 昌.基于計算機視覺的光學目標自動定位系統[J].光子學報,2000(10).

[5] 朱淼良.計算機視覺[M].杭州:浙江大學出版社,1997.

[6] National Instruments Corporation.IMAQ Vision Concepts Manual[Z].Austin,Texas,USA:National InstrumentsCorporation,2005.

AutomaticDetectiontheCenteroftheNeedleDrilling-holeMachineBasedonMachineVision

YANG Huai-lin , ZHAO Sheng

(Faculty of Mechanical Electronic and information Engineering, Jiangsu Polytechnic of Finance and Economics College, Huai’an 223003, China )

This paper designs a drilling device which can automatically detect the needle tail center by machine vision technology. The device consists mainly of high precision camera, CCD collection card, PC machine, PLC control system, step motor and drill bit. Image information is collected by CCD collection card. The PLC and step motor system are controlled by the PC to accurately locate the drill. The device is able to pinpoint the center of the needle accurately and effectively to solve the drilling coaxial problem and the precision of the drill is improved.

machine vision; automatic detection; the center of the needle tail; drilling device; medical suture needle

2017-05-10

本文系2014年度江蘇省淮安市科技支撐計劃(工業)項目“新型醫用縫合針折彎、打孔智能化裝置研發”(HAG2014040)的成果之一。

楊懷林(1967-)，男，江蘇淮安人，副教授，控制理論與控制工程碩士，主要從事自動控制及機電一體化技術研究；趙 晟(1995-)，男，江蘇靖江人，江蘇財經職業技術學院機械電子與信息工程學院機電一體化專業2015級學生，主要從事機電一體化技術研究。

TP271+.2

A

1672-2388(2017)03-0078-03