本發(fā)明涉及鉆孔裝置，具體涉及鉆頭自動(dòng)檢測(cè)并跟蹤縫合針尾中心的鉆孔裝置。

背景技術(shù)：

在對(duì)醫(yī)用縫合針針尾部進(jìn)行鉆孔過(guò)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(shí)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。

現(xiàn)有的醫(yī)用帶線縫合針針尾微孔的加工，一般是通過(guò)手工調(diào)試，大致將鉆頭對(duì)準(zhǔn)針尾軸心，并保持鉆頭與夾具位置相對(duì)固定進(jìn)行批量生產(chǎn)，而每次加工時(shí)，夾具夾取帶線縫合針時(shí)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(shí)檢測(cè)并進(jìn)行修正。也有的設(shè)備采用激光打孔，通過(guò)三角測(cè)距、紅外測(cè)距、超聲波測(cè)距等方法，但這些方法具有測(cè)量誤差大、硬件成本高、系統(tǒng)振動(dòng)影響大等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提供一種鉆頭自動(dòng)檢測(cè)并跟蹤縫合針尾中心的鉆孔裝置，運(yùn)用機(jī)器視覺的技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)針尾圓心的自動(dòng)檢測(cè)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(dòng)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。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：它包括PLC、鉆孔機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、CCD傳感器、相機(jī)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(jī)，用于拍攝夾持著的縫合針針尾及鉆頭；相機(jī)將拍攝的畫面通過(guò)CCD傳感器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)裝有圖像處理程序模塊，用來(lái)處理相機(jī)傳來(lái)的圖像信息，通過(guò)算法分析確定針尾圓心位置和鉆頭位置，并通過(guò)與PLC通信發(fā)出讓鉆孔機(jī)構(gòu)調(diào)整指令。

其中，相機(jī)均自帶顯微鏡頭和照明光源。

其中，所述的鉆孔機(jī)構(gòu)包括四臺(tái)伺服電機(jī)，即鉆孔電機(jī)、縱向進(jìn)給電機(jī)、橫向調(diào)整電機(jī)和上下調(diào)整電機(jī)；縱向進(jìn)給電機(jī)支座、兩個(gè)一號(hào)絲杠支座安裝在水平支座上，縱向進(jìn)給電機(jī)安裝在縱向進(jìn)給電機(jī)支座上，縱向進(jìn)給電機(jī)右端通過(guò)一號(hào)聯(lián)軸器和一號(hào)絲杠相連，一號(hào)絲杠由兩個(gè)一號(hào)絲杠支座中的滾動(dòng)軸承支撐，一號(hào)絲杠螺母安裝在一號(hào)絲杠上和一號(hào)絲杠一起螺旋傳動(dòng)；一號(hào)絲杠螺母上安裝有鉆孔電機(jī)支座，鉆孔電機(jī)安裝在鉆孔電機(jī)支座上，鉆孔電機(jī)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(duì)齊，待加工縫合針固定在夾具中，夾具安裝在二號(hào)絲杠螺母上；橫向調(diào)整電機(jī)支座、兩個(gè)二號(hào)絲杠支座安裝在橫向活動(dòng)支架上，橫向活動(dòng)支架安裝在三號(hào)絲杠螺母上，橫向調(diào)整電機(jī)安裝在橫向調(diào)整電機(jī)支座上，橫向調(diào)整電機(jī)通過(guò)二號(hào)聯(lián)軸器和二號(hào)絲杠相連，二號(hào)絲杠由兩個(gè)二號(hào)絲杠支座中的滾動(dòng)軸承支撐，二號(hào)絲杠螺母安裝在二號(hào)絲杠上和二號(hào)絲杠一起螺旋傳動(dòng)；上下調(diào)整電機(jī)支座、兩個(gè)三號(hào)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(jī)安裝在上下調(diào)整電機(jī)支座上，上下調(diào)整電機(jī)通過(guò)三號(hào)聯(lián)軸器和三號(hào)絲杠相連，三號(hào)絲杠由兩個(gè)三號(hào)絲杠支座中的滾動(dòng)軸承支撐，三號(hào)絲杠螺母安裝在三號(hào)絲杠上和三號(hào)絲杠一起螺旋傳動(dòng)。

工作原理是：調(diào)試時(shí)，將相機(jī)聚焦校準(zhǔn)到中心位置；計(jì)算機(jī)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(gè)端點(diǎn)，計(jì)算機(jī)通過(guò)與PLC通信發(fā)出讓鉆孔機(jī)構(gòu)調(diào)整指令，將鉆頭動(dòng)態(tài)調(diào)整到針尾中心點(diǎn)最佳位置。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）本發(fā)明能夠自動(dòng)準(zhǔn)確檢測(cè)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(cè)精度；采用雙相機(jī)檢測(cè)，采用高分辨率同軸CCD傳感器，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別，圖像軟件的分析，能夠自動(dòng)檢測(cè)針尾中心及鉆頭位置。

（2）本發(fā)明具有高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)鉆孔機(jī)構(gòu)中四臺(tái)伺服電機(jī)分別實(shí)現(xiàn)鉆孔加工、縱向進(jìn)給、橫向和上下精度調(diào)整，適時(shí)地自動(dòng)調(diào)整鉆頭位置進(jìn)行鉆孔，并動(dòng)態(tài)調(diào)整鉆頭位置，在短時(shí)間內(nèi)找準(zhǔn)位置，提高了加工精度。

（3）針尾圖像的邊緣檢測(cè)采用了智能邊緣提取的方法，能夠快速準(zhǔn)確地提取檢測(cè)點(diǎn)，采用雙相機(jī)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(shí)別、計(jì)算機(jī)圖像處理程序模塊的濾波處理及圖像增強(qiáng)處理，提高了圓心識(shí)別的速度和準(zhǔn)確性。

（4）本發(fā)明通過(guò)高分辨率的CCD傳感器、雙相機(jī)、具有圖像識(shí)別和分析能力的計(jì)算機(jī)、運(yùn)行控制能力強(qiáng)的PLC、高精度運(yùn)動(dòng)控制的鉆孔機(jī)構(gòu)，能夠迅速檢測(cè)縫合針尾的圓心位置，并進(jìn)行精確控制，在短時(shí)間內(nèi)在針尾中心進(jìn)行打孔，滿足工藝要求。

（5）將針尾和鉆孔置于相機(jī)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(cè)精度；采用雙相機(jī)檢測(cè)，通過(guò)兩條直線確定中心點(diǎn)的方式，動(dòng)態(tài)調(diào)整鉆頭位置，自動(dòng)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。

（6）通過(guò)相機(jī)拍攝圖像，經(jīng)過(guò)高分辨率CCD傳感器、圖像數(shù)模轉(zhuǎn)換卡將圖像傳送到計(jì)算機(jī)，處理圖像，通過(guò)邊緣處理，找出針尾圓心；由計(jì)算機(jī)將信號(hào)傳給PLC，由PLC控制鉆頭機(jī)構(gòu)，鉆頭機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)鉆頭橫向和上下的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)和縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成鉆頭自動(dòng)檢測(cè)針尾圓心，鉆頭跟蹤鉆孔。

（7）計(jì)算機(jī)圖像處理軟件及圖像增強(qiáng)處理是通過(guò)PCI接口，將數(shù)字圖像送入計(jì)算機(jī)，利用圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理和增強(qiáng)處理，提高圖像與背景的對(duì)比度，對(duì)圖像處理后的圖像進(jìn)行邊緣提取，利用Hough變換建立橢圓方程，求取針尾中心點(diǎn)，通過(guò)二維圖像處理準(zhǔn)確確定鉆孔位置。

（8）縫合針鉆孔機(jī)構(gòu)由夾緊機(jī)構(gòu)將縫合針夾緊，夾緊機(jī)構(gòu)通過(guò)絲杠螺母機(jī)構(gòu)連同伺服電機(jī)被安裝在橫向活動(dòng)支架上，一號(hào)伺服電機(jī)8通過(guò)鉆頭實(shí)現(xiàn)對(duì)縫合針的鉆孔加工，二號(hào)伺服電機(jī)通過(guò)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)實(shí)現(xiàn)鉆孔加工的縱向進(jìn)給，三號(hào)伺服電機(jī)通過(guò)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)實(shí)現(xiàn)縫合針的橫向調(diào)整，四號(hào)伺服電機(jī)通過(guò)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)實(shí)現(xiàn)縫合針的上下精度調(diào)整。

附圖說(shuō)明

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(jī)構(gòu)主視結(jié)構(gòu)圖；

圖3 為本發(fā)明鉆孔機(jī)構(gòu)俯視結(jié)構(gòu)圖；

圖4為自動(dòng)檢測(cè)針尾二維圖像的圓心示意圖；

圖5 為計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)程序示意圖。

圖中：1縱向進(jìn)給電機(jī)支座，2縱向進(jìn)給電機(jī)，3一號(hào)聯(lián)軸器，4一號(hào)絲杠支座，5一號(hào)絲杠，6一號(hào)絲杠螺母，7鉆孔電機(jī)支座，8鉆孔電機(jī)，9鉆頭，10待加工縫合針，11夾具，12上下調(diào)整電機(jī)，13三號(hào)聯(lián)軸器，14上下調(diào)整電機(jī)支座，15三號(hào)絲杠支座，16三號(hào)絲杠，17三號(hào)絲杠螺母，18豎直支座，19水平支座，20橫向調(diào)整電機(jī)，21橫向調(diào)整電機(jī)支座，22二號(hào)聯(lián)軸器，23二號(hào)絲杠支座，24二號(hào)絲杠，25二號(hào)絲杠螺母，26橫向活動(dòng)支架，27 PLC，28鉆孔機(jī)構(gòu)，29計(jì)算機(jī)，30 CCD傳感器，31相機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，它包括PLC27、鉆孔機(jī)構(gòu)28、計(jì)算機(jī)29、CCD傳感器30、相機(jī)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(jī)31，用于拍攝夾持著的縫合針針尾及鉆頭；相機(jī)31將拍攝的畫面通過(guò)CCD傳感器30傳輸?shù)接?jì)算機(jī)29中，計(jì)算機(jī)29裝有圖像處理程序模塊，用來(lái)處理相機(jī)傳來(lái)的圖像信息，通過(guò)算法分析確定針尾圓心位置和鉆頭位置，并通過(guò)與PLC27通信發(fā)出讓鉆孔機(jī)構(gòu)28調(diào)整指令。

其中，相機(jī)31均自帶顯微鏡頭和照明光源。

如圖2、圖3所示，所述的鉆孔機(jī)構(gòu)28包括四臺(tái)伺服電機(jī)，即鉆孔電機(jī)8、縱向進(jìn)給電機(jī)2、橫向調(diào)整電機(jī)20和上下調(diào)整電機(jī)12；縱向進(jìn)給電機(jī)支座1、兩個(gè)一號(hào)絲杠支座4安裝在水平支座19上，縱向進(jìn)給電機(jī)2安裝在縱向進(jìn)給電機(jī)支座1上，縱向進(jìn)給電機(jī)2右端通過(guò)一號(hào)聯(lián)軸器3和一號(hào)絲杠5相連，一號(hào)絲杠5由兩個(gè)一號(hào)絲杠支座4中的滾動(dòng)軸承支撐，一號(hào)絲杠螺母6安裝在一號(hào)絲杠5上和一號(hào)絲杠一起螺旋傳動(dòng)；一號(hào)絲杠螺母6上安裝有鉆孔電機(jī)支座7，鉆孔電機(jī)8安裝在鉆孔電機(jī)支座7上，鉆孔電機(jī)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(duì)齊，待加工縫合針10固定在夾具11中，夾具11安裝在二號(hào)絲杠螺母25上；橫向調(diào)整電機(jī)支座21、兩個(gè)二號(hào)絲杠支座23安裝在橫向活動(dòng)支架26上，橫向活動(dòng)支架26安裝在三號(hào)絲杠螺母17上，橫向調(diào)整電機(jī)20安裝在橫向調(diào)整電機(jī)支座21上，橫向調(diào)整電機(jī)20通過(guò)二號(hào)聯(lián)軸器22和二號(hào)絲杠24相連，二號(hào)絲杠24由兩個(gè)二號(hào)絲杠支座23中的滾動(dòng)軸承支撐，二號(hào)絲杠螺母25安裝在二號(hào)絲杠24上和二號(hào)絲杠一起螺旋傳動(dòng)；上下調(diào)整電機(jī)支座14、兩個(gè)三號(hào)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(jī)12安裝在上下調(diào)整電機(jī)支座14上，上下調(diào)整電機(jī)12通過(guò)三號(hào)聯(lián)軸器13和三號(hào)絲杠16相連，三號(hào)絲杠16由兩個(gè)三號(hào)絲杠支座15中的滾動(dòng)軸承支撐，三號(hào)絲杠螺母17安裝在三號(hào)絲杠16上和三號(hào)絲杠16一起螺旋傳動(dòng)。

上述鉆孔機(jī)構(gòu)的鉆孔加工、縱向進(jìn)給、橫向和上下調(diào)整都是通過(guò)PLC控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)的，鉆孔電機(jī)8實(shí)現(xiàn)對(duì)縫合針的鉆孔加工，縱向進(jìn)給電機(jī)2實(shí)現(xiàn)鉆孔的縱向進(jìn)給，橫向調(diào)整電機(jī)20實(shí)現(xiàn)鉆孔精度的橫向調(diào)整，上下調(diào)整電機(jī)12實(shí)現(xiàn)鉆孔精度的上下調(diào)整；具體過(guò)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(shí)，將相機(jī)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(shí)PLC控制機(jī)構(gòu)各部分處在初始位置，此時(shí)，機(jī)器視覺定位開始工作，對(duì)鉆頭和縫合針端部的位置進(jìn)行拍照和圖像處理分析，PLC對(duì)鉆頭9和待加工縫合針10的端部位置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)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(jī)8轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)縱向進(jìn)給電機(jī)2正轉(zhuǎn)，通過(guò)一號(hào)聯(lián)軸器3帶動(dòng)一號(hào)絲杠5轉(zhuǎn)動(dòng)，一號(hào)絲杠5和一號(hào)絲杠螺母6螺旋傳動(dòng)，鉆孔電機(jī)8連同鉆頭9在一號(hào)絲杠螺母6的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)縱向進(jìn)給，在PLC控制下按指定進(jìn)給量實(shí)現(xiàn)對(duì)縫合針端部鉆孔加工，加工至規(guī)定深度時(shí)，PLC控制縱向進(jìn)給電機(jī)2反轉(zhuǎn)，一號(hào)絲杠螺母6帶動(dòng)鉆孔電機(jī)返回到初始位置，準(zhǔn)備進(jìn)行下次的鉆孔加工；若經(jīng)過(guò)PLC分析對(duì)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(jī)20正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而控制二號(hào)絲杠24和二號(hào)絲杠螺母25實(shí)現(xiàn)螺旋傳動(dòng)，通過(guò)二號(hào)絲杠螺母25帶動(dòng)夾具11連同待加工縫合針10實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)，使縫合針10實(shí)現(xiàn)橫向位置的調(diào)整，機(jī)器視覺定位同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，PLC根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橫向調(diào)整進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)20停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)控制鉆孔電機(jī)8和縱向進(jìn)給電機(jī)2實(shí)現(xiàn)縫合針10的鉆孔加工，控制過(guò)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(jī)12正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而控制三號(hào)絲杠16和三號(hào)絲杠螺母17實(shí)現(xiàn)螺旋傳動(dòng)，通過(guò)橫向活動(dòng)支架26帶動(dòng)夾具11連同待加工縫合針10實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，對(duì)縫合針10的位置實(shí)現(xiàn)上下調(diào)整，機(jī)器視覺定位同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，PLC根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)上下調(diào)整進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)12停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)控制鉆孔電機(jī)8和縱向進(jìn)給電機(jī)2工作，實(shí)現(xiàn)縫合針10的鉆孔加工，控制過(guò)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(shí)工作，PLC控制橫向調(diào)整電機(jī)20和上下調(diào)整電機(jī)12正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而控制二號(hào)絲杠24和二號(hào)絲杠螺母25、三號(hào)絲杠16和三號(hào)絲杠螺母17實(shí)現(xiàn)螺旋傳動(dòng)，從而控制夾緊機(jī)構(gòu)11連同待加工縫合針10實(shí)現(xiàn)縱向、上下移動(dòng)，對(duì)縫合針10的位置實(shí)現(xiàn)縱向、上下調(diào)整，機(jī)器視覺定位同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，PLC根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)橫向和上下調(diào)整進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)20、上下調(diào)整電機(jī)12停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)控制鉆孔電機(jī)8和縱向進(jìn)給電機(jī)2工作，實(shí)現(xiàn)縫合針10的鉆孔加工；其結(jié)果如圖4所示。

計(jì)算機(jī)程序采用labview做為主控，具體采用VC++算法程序生成dll文件，對(duì)Labview進(jìn)行調(diào)用；開始時(shí)進(jìn)行相機(jī)初始化，通信初始化，GPIO初始化，然后對(duì)與PLC通信進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如圖5所示；最后判斷是否進(jìn)入測(cè)試程序，給出匹配信號(hào)，如果匹配那么通過(guò)GPIO給出開關(guān)信號(hào)，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(guò)通信送到PLC，進(jìn)行修正，如圖6所示。