鉆頭自動檢測并跟蹤縫合針尾中心的鉆孔裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及鉆孔裝置，具體涉及鉆頭自動檢測并跟蹤縫合針尾中心的鉆孔裝置。
背景技術(shù)
[0002] 在對醫(yī)用縫合針針尾部進行鉆孔過程中，為了保證孔打在尾部中心，在打孔前需要預(yù)先找準(zhǔn)針尾部圓的中心，這是保證在打孔時鉆頭與針保持
同軸度的關(guān)鍵，也是保證孔的尺寸要求和保證產(chǎn)品
精度的關(guān)鍵。
[0003] 現(xiàn)有的醫(yī)用帶線縫合針針尾微孔的加工，一般是通過手工調(diào)試，大致將鉆頭對準(zhǔn)針
尾軸心，并保持鉆頭與夾具
位置相對固定進行批量生產(chǎn)，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圓心，造成成品率低、精確度不高，不能及時檢測并進行修正。也有的設(shè)備采用
激光打孔，通過三
角測距、紅外測距、
超聲波測距等方法，但這些方法具有測量誤差大、
硬件成本高、系統(tǒng)振動影響大等缺點。
發(fā)明內(nèi)容
[0004] 本發(fā)明的目的是：提供一種鉆頭自動檢測并跟蹤縫合針尾中心的鉆孔裝置，運用
機器視覺的技術(shù)，通過計算機對圖像的處理實現(xiàn)對針尾圓心的自動檢測與跟蹤，使鉆孔鉆頭和縫合針尾部保持較高的同軸度，保證縫合針鉆孔位置準(zhǔn)確，自動化程度高，提高打孔
質(zhì)量，減低次品率，成本低，效率高，速度快。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：它包括PLC、鉆孔機構(gòu)、計算機、CCD
傳感器、相機和夾具；夾具夾持待鉆孔的縫合針，在夾具的X軸和Y軸上分別
定位安裝相機，用于拍攝夾持著的縫合針針尾及鉆頭；相機將拍攝的畫面通過CCD傳感器傳輸?shù)接嬎銠C中，計算機裝有
圖像處理程序模
塊，用來處理相機傳來的圖像信息，通過
算法分析確定針尾圓心位置和鉆頭位置，并通過與PLC通信發(fā)出讓鉆孔機構(gòu)調(diào)整指令。
[0006] 其中，相機均自帶
顯微鏡頭和照明
光源。
[0007] 其中，所述的鉆孔機構(gòu)包括四臺伺服
電機，即鉆孔電機、縱向進給電機、橫向調(diào)整電機和上下調(diào)整電機；縱向進給電機支座、兩個一號
絲杠支座安裝在
水平支座上，縱向進給電機安裝在縱向進給電機支座上，縱向進給電機右端通過一號
聯(lián)軸器和一號絲杠相連，一號絲杠由兩個一號絲杠支座中的
滾動軸承支撐，一號絲杠
螺母安裝在一號絲杠上和一號絲杠一起螺旋傳動；一號絲杠螺母上安裝有鉆孔電機支座，鉆孔電機安裝在鉆孔電機支座上，鉆孔電機右端安裝有鉆頭，鉆頭右端有待加工縫合針，待加工縫合針和鉆頭對齊，待加工縫合針固定在夾具中，夾具安裝在二號絲杠螺母上；橫向調(diào)整電機支座、兩個二號絲杠支座安裝在橫向活動
支架上，橫向活動支架安裝在三號絲杠螺母上，橫向調(diào)整電機安裝在橫向調(diào)整電機支座上，橫向調(diào)整電機通過二號聯(lián)軸器和二號絲杠相連，二號絲杠由兩個二號絲杠支座中的
滾動軸承支撐，二號絲杠螺母安裝在二號絲杠上和二號絲杠一起螺旋傳動；上下調(diào)整電機支座、兩個三號絲杠支座安裝在豎直支座上，豎直支座固定在水平支座上，上下調(diào)整電機安裝在上下調(diào)整電機支座上，上下調(diào)整電機通過三號聯(lián)軸器和三號絲杠相連，三號絲杠由兩個三號絲杠支座中的滾動軸承支撐，三號絲杠螺母安裝在三號絲杠上和三號絲杠一起螺旋傳動。
[0008] 工作原理是：調(diào)試時，將相機聚焦校準(zhǔn)到中心位置；計算機采用RGB模型，利用邊緣提取法提取針端面邊緣與鉆頭邊緣，再利用Hough變換將針端面的邊緣建立橢圓方程，求橢圓內(nèi)最大距離的兩個端點，計算機通過與PLC通信發(fā)出讓鉆孔機構(gòu)調(diào)整指令，將鉆頭動態(tài)調(diào)整到針尾中心點最佳位置。
[0009] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：（1）本發(fā)明能夠自動準(zhǔn)確檢測縫合針尾中心，采用顯微技術(shù)將針尾端部和鉆頭的視圖放大，提高了圖像檢測精度；采用雙相機檢測，采用高
分辨率同軸CCD傳感器，通過計算機
圖像識別，圖像
軟件的分析，能夠自動檢測針尾中心及鉆頭位置。
[0010] （2）本發(fā)明具有高精度運動控制系統(tǒng)，通過鉆孔機構(gòu)中四臺
伺服電機分別實現(xiàn)鉆孔加工、縱向進給、橫向和上下精度調(diào)整，適時地自動調(diào)整鉆頭位置進行鉆孔，并動態(tài)調(diào)整鉆頭位置，在短時間內(nèi)找準(zhǔn)位置，提高了加工精度。
[0011] （3）針尾圖像的
邊緣檢測采用了智能邊緣提取的方法，能夠快速準(zhǔn)確地提取檢測點，采用雙相機
采樣，能夠獲得二維平面的圓心位置；采用了傳感器的準(zhǔn)確識別、計算機圖像處理程序模塊的濾波處理及圖像增強處理，提高了圓心識別的速度和準(zhǔn)確性。
[0012] （4）本發(fā)明通過高分辨率的CCD傳感器、雙相機、具有圖像識別和分析能
力的計算機、運行控制能力強的PLC、高精度運動控制的鉆孔機構(gòu)，能夠迅速檢測縫合針尾的圓心位置，并進行精確控制，在短時間內(nèi)在針尾中心進行打孔，滿足工藝要求。
[0013] （5）將針尾和鉆孔置于相機視圖范圍內(nèi)，保證光源聚焦于針尾部，采用顯微技術(shù)將針尾端部和鉆頭的視圖放大，并將針尾涂有黃色、鉆頭涂有紅色，提高了圖像檢測精度；采用雙相機檢測，通過兩條直線確定中心點的方式，動態(tài)調(diào)整鉆頭位置，自動找準(zhǔn)針尾中心，保證了鉆頭與針的同軸度，提高了加工精度。
[0014] （6）通過相機拍攝圖像，經(jīng)過高分辨率CCD傳感器、圖像
數(shù)模轉(zhuǎn)換卡將圖像傳送到計算機，處理圖像，通過邊緣處理，找出針尾圓心；由計算機將
信號傳給PLC，由PLC控制鉆頭機構(gòu)，鉆頭機構(gòu)的伺服電機實現(xiàn)鉆頭橫向和上下的調(diào)整，實現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)和縱向進給運動，完成鉆頭自動檢測針尾圓心，鉆頭跟蹤鉆孔。
[0015] （7）計算機圖像處理軟件及圖像增強處理是通過PCI
接口，將數(shù)字圖像送入計算機，利用圖像處理軟件對圖像進行濾波處理和增強處理，提高圖像與背景的
對比度，對圖像處理后的圖像進行邊緣提取，利用Hough變換建立橢圓方程，求取針尾中心點，通過二維圖像處理準(zhǔn)確確定鉆孔位置。
[0016] （8）縫合針鉆孔機構(gòu)由夾緊機構(gòu)將縫合針夾緊，夾緊機構(gòu)通過絲杠螺母機構(gòu)連同伺服電機被安裝在橫向活動支架上，一號伺服電機8通過鉆頭實現(xiàn)對縫合針的鉆孔加工，二號伺服電機通過絲杠螺母傳動實現(xiàn)鉆孔加工的縱向進給，三號伺服電機通過絲杠螺母傳動實現(xiàn)縫合針的橫向調(diào)整，四號伺服電機通過絲杠螺母傳動實現(xiàn)縫合針的上下精度調(diào)整。
附圖說明
[0017] 圖1?為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2?為本發(fā)明鉆孔機構(gòu)主視結(jié)構(gòu)圖；
圖3?為本發(fā)明鉆孔機構(gòu)俯視結(jié)構(gòu)圖；
圖4為自動檢測針尾二維圖像的圓心示意圖；
圖5?為計算機與PLC通信參數(shù)設(shè)置程序示意圖；
圖6?為鉆頭偏差調(diào)整
計算機程序示意圖。
[0018] 圖中：1縱向進給電機支座，2縱向進給電機，3一號聯(lián)軸器，4一號絲杠支座，5一號絲杠，6一號絲杠螺母，7鉆孔電機支座，8鉆孔電機，9鉆頭，10待加工縫合針，11夾具，12上下調(diào)整電機，13三號聯(lián)軸器，14上下調(diào)整電機支座，15三號絲杠支座，16三號絲杠，17三號絲杠螺母，18豎直支座，19水平支座，20橫向調(diào)整電機，21橫向調(diào)整電機支座，22二號聯(lián)軸器，23二號絲杠支座，24二號絲杠，25二號絲杠螺母，26橫向活動支架，27?PLC，28鉆孔機構(gòu)，29計算機，30?CCD傳感器，31相機。
具體實施方式
[0019] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細說明。
[0020] 如圖1所示，它包括PLC27、鉆孔機構(gòu)28、計算機29、CCD傳感器30、相機31和夾具11；夾具11夾持待鉆孔的縫合針，在夾具的X軸和Y軸上分別定位安裝相機31，用于拍攝夾持著的縫合針針尾及鉆頭；相機31將拍攝的畫面通過CCD傳感器30傳輸?shù)接嬎銠C29中，計算機29裝有圖像處理程序模塊，用來處理相機傳來的圖像信息，通過算法分析確定針尾圓心位置和鉆頭位置，并通過與PLC27通信發(fā)出讓鉆孔機構(gòu)28調(diào)整指令。
[0021] 其中，相機31均自帶顯微鏡頭和照明光源。
[0022] 如圖2、圖3所示，所述的鉆孔機構(gòu)28包括四臺伺服電機，即鉆孔電機8、縱向進給電機2、橫向調(diào)整電機20和上下調(diào)整電機12；縱向進給電機支座1、兩個一號絲杠支座4安裝在水平支座19上，縱向進給電機2安裝在縱向進給電機支座1上，縱向進給電機2右端通過一號聯(lián)軸器3和一號絲杠5相連，一號絲杠5由兩個一號絲杠支座4中的滾動軸承支撐，一號絲杠螺母6安裝在一號絲杠5上和一號絲杠一起螺旋傳動；一號絲杠螺母6上安裝有鉆孔電機支座7，鉆孔電機8安裝在鉆孔電機支座7上，鉆孔電機8右端安裝有鉆頭9，鉆頭9右端有待加工縫合針10，待加工縫合針10和鉆頭9對齊，待加工縫合針10固定在夾具11中，夾具11安裝在二號絲杠螺母25上；橫向調(diào)整電機支座21、兩個二號絲杠支座23安裝在橫向活動支架26上，橫向活動支架26安裝在三號絲杠螺母17上，橫向調(diào)整電機20安裝在橫向調(diào)整電機支座21上，橫向調(diào)整電機20通過二號聯(lián)軸器22和二號絲杠24相連，二號絲杠24由兩個二號絲杠支座23中的滾動軸承支撐，二號絲杠螺母25安裝在二號絲杠24上和二號絲杠一起螺旋傳動；上下調(diào)整電機支座14、兩個三號絲杠支座15安裝在豎直支座18上，豎直支座18固定在水平支座19上，上下調(diào)整電機12安裝在上下調(diào)整電機支座14上，上下調(diào)整電機12通過三號聯(lián)軸器13和三號絲杠16相連，三號絲杠16由兩個三號絲杠支座15中的滾動軸承支撐，三號絲杠螺母17安裝在三號絲杠16上和三號絲杠16一起螺旋傳動。
[0023] 上述鉆孔機構(gòu)的鉆孔加工、縱向進給、橫向和上下調(diào)整都是通過PLC控制伺服電機實現(xiàn)的，鉆孔電機8實現(xiàn)對縫合針的鉆孔加工，縱向進給電機2實現(xiàn)鉆孔的縱向進給，橫向調(diào)整電機20實現(xiàn)鉆孔精度的橫向調(diào)整，上下調(diào)整電機12實現(xiàn)鉆孔精度的上下調(diào)整；具體過程如下：事先將夾具涂成黃色，鉆頭涂成紅色，便于分辨；調(diào)試時，將相機聚焦校準(zhǔn)到針尾中心位置，拍攝圖像；將待加工縫合針10夾緊在夾具11中，開始工作時PLC控制機構(gòu)各部分處在初始位置，此時，機器視覺定位開始工作，對鉆頭和縫合針端部的位置進行拍照和圖像處理分析，PLC對鉆頭9和待加工縫合針10的端部位置數(shù)據(jù)進行分析對比，若鉆頭9和待加工縫合針10尾部中心的同軸度誤差在誤差范圍內(nèi)，則橫向和上下調(diào)整不工作，PLC控制鉆孔電機8轉(zhuǎn)動，同時縱向進給電機2正轉(zhuǎn)，通過一號聯(lián)軸器3帶動一號絲杠5轉(zhuǎn)動，一號絲杠5和一號絲杠螺母6螺旋傳動，鉆孔電機8連同鉆頭9在一號絲杠螺母6的帶動下實現(xiàn)縱向進給，在PLC控制下按
指定進給量實現(xiàn)對縫合針端部鉆孔加工，加工至規(guī)定深度時，PLC控制縱向進給電機2反轉(zhuǎn)，一號絲杠螺母6帶動鉆孔電機返回到初始位置，準(zhǔn)備進行下次的鉆孔加工；若經(jīng)過PLC分析對比，鉆頭9和待加工縫合針10的同軸度精度不在誤差范圍內(nèi)，則橫向和上下調(diào)整開始工作，這分為三種情況：（1）若鉆頭9和待加工縫合針10橫向誤差不在同軸度誤差范圍內(nèi)，上下誤差在同軸度誤差范圍內(nèi)，則橫向精度調(diào)整工作，上下精度調(diào)整不工作，PLC控制橫向調(diào)整電機20正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而控制二號絲杠24和二號絲杠螺母25實現(xiàn)螺旋傳動，通過二號絲杠螺母25帶動夾具11連同待加工縫合針10實現(xiàn)橫向移動，使縫合針10實現(xiàn)橫向位置的調(diào)整，機器視覺定位同時進行實時檢測，PLC根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對橫向調(diào)整進行實時控制，最終使鉆頭9和待加工縫合針10的橫向誤差在同軸度誤差范圍內(nèi)，調(diào)整完成后，PLC控制橫向調(diào)整電機20停止轉(zhuǎn)動，同時控制鉆孔電機8和縱向進給電機2實現(xiàn)縫合針10的鉆孔加工，控制過程和前面一樣；（2）若鉆頭9和待加工縫合針10橫向誤差在同軸度誤差范圍內(nèi)，上下誤差不在同軸度誤差范圍內(nèi)，則橫向精度調(diào)整不工作，上下精度調(diào)整工作，PLC控制上下調(diào)整電機12正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而控制三號絲杠16和三號絲杠螺母17實現(xiàn)螺旋傳動，通過橫向活動支架26帶動夾具11連同待加工縫合針10實現(xiàn)上下移動，對縫合針10的位置實現(xiàn)上下調(diào)整，機器視覺定位同時進行實時檢測，PLC根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對上下調(diào)整進行實時控制，最終使鉆頭9和待加工縫合針10的上下誤差控制在同軸度誤差范圍內(nèi)，調(diào)整完成后，PLC控制上下調(diào)整電機12停止轉(zhuǎn)動，同時控制鉆孔電機8和縱向進給電機2工作，實現(xiàn)縫合針10的鉆孔加工，控制過程和前面一樣；（3）若鉆頭9和待加工縫合針10橫向誤差和上下誤差均不在同軸度誤差范圍內(nèi)，則橫向精度調(diào)整和上下精度調(diào)整同時工作，PLC控制橫向調(diào)整電機20和上下調(diào)整電機
12正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而控制二號絲杠24和二號絲杠螺母25、三號絲杠16和三號絲杠螺母17實現(xiàn)螺旋傳動，從而控制夾緊機構(gòu)11連同待加工縫合針10實現(xiàn)縱向、上下移動，對縫合針10的位置實現(xiàn)縱向、上下調(diào)整，機器視覺定位同時進行實時檢測，PLC根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對橫向和上下調(diào)整進行實時控制，最終使鉆頭9和待加工縫合針10的縱向、上下誤差控制在同軸度誤差范圍內(nèi)，調(diào)整完成后，PLC控制橫向調(diào)整電機20、上下調(diào)整電機12停止轉(zhuǎn)動，同時控制鉆孔電機8和縱向進給電機2工作，實現(xiàn)縫合針10的鉆孔加工；其結(jié)果如圖4所示。
[0024] 計算機程序采用labview做為主控，具體采用VC++算法程序生成dll文件，對Labview進行調(diào)用；開始時進行相機初始化，通信初始化，GPIO初始化，然后對與PLC通信進行參數(shù)設(shè)置，如圖5所示；最后判斷是否進入測試程序，給出匹配信號，如果匹配那么通過GPIO給出
開關(guān)信號，開始加工，如果總和偏差大于指定偏差，則將X軸偏差和Y軸偏差通過通信送到PLC，進行修正，如圖6所示。
