基于视觉定位的智能贺卡贴钻机的研究与开发*

贾林玲，耿海珍

（江门职业技术学院，广东江门 529000）

0 引言

贺卡设计越来越多元化，很多装饰手段被用在贺卡的设计上。其中用立体胶钻黏贴在贺卡上，作为点缀或者组成各种图案，使贺卡变得更加精致美观。然而，目前贺卡上胶钻的黏贴主要通过人手黏贴完成，效率低、不良品率高，而且工人流动性大、管理困难。为了解决人工贴钻带来的一系列问题，本文提出一种基于视觉定位的全自动贴钻机，替代传统的人工黏贴胶钻。把机器视觉技术、运动控制技术与点胶工艺相结合，实现在贺卡点胶、胶钻定位、捡钻、贴钻的全自动生产过程。

1 贴钻机设计方案

1.1 机械系统

机械机构设计采用动梁式结构，具有三轴运动功能，如图1～3所示，分为X、Y移动平台和贴钻头组成。X轴主要由1 根线性模组驱动贴钻头左右运动；Y 轴是由2 根线性模组组成安装在机架平板上，可以带动X 轴前后运动。支撑座安装在X 轴的滑块上，用于安装贴钻头。贴钻头又分成了吸嘴机构和点胶机构，分别由2 个步进电机通过摆杆带动上、下运动，吸嘴机上的2个吸嘴分别安装在2个20的步进电机上，电机旋转可以调整被吸起胶钻的角度，加工出多彩多样的贺卡。背光源固定于X、Y平台的左侧，贺卡上料装置安装于平台右侧，原理是通过定位块对卡片进行定位，利用真空把卡片吸住，防止卡片在加工的过程中发生移位[1]。

图1 前视图

图2 俯视图

图3 贴钻头结构图

1.2 点胶成型系统

点胶成型系统由点胶机构、点胶控制器组成，如图4所示。

图4 点胶控制器结构示意图

（1）点胶机构

点胶机构由出胶针头、储胶套筒组成。出胶针头用于出胶，不同胶水使用不同针口大小的针头以控制挤出胶水的流量大小；储胶套筒负责储存胶水。

（2）胶水控制器

胶水控制器由调压阀、回吸调节开关及数字定时器组成。压力阀由整机的点胶气压统一控制；回吸调节开关在点胶过程中，由回吸调节开关控制出胶气压，把胶水经针头挤出；当挤完一个胶点后，回吸调节开关控制回吸胶水能有效防止漏胶现象；数字定时器用于精确控制胶水挤出时间，提高点胶精确性。

1.3 控制系统

控制系统由视觉识别系统、运动控制系统组成。

（1）视觉识别系统

图像预处理主要目的是对采集的图像通过处理，有选择地突出图像中感兴趣的区域，而衰减其次要的信息[2]。通过摄像头拍摄胶钻，创新使用了背光源，减少了外界光线及胶钻颜色对图像的影响，然后通过胶钻边缘特征进行识别定位，即可以先平滑滤波消除噪声，再锐化得到边缘细节[3]。图5～6所示为模板。为了匹配图像，首先要确定几组相匹配的点对，本文借助灰度互相关匹配判据来确定这样的点对，数字图像可看作是一个二维灰度分布函数，而灰度相关匹配则是在某个待匹配图像上选择一个模板窗口，并从目标图像中寻找与其最相似的对应窗口[4]。图7～8所示为识别结果。

图5 圆形胶钻模板

图6 马眼形胶钻模板

图7 圆形胶钻识别

图8 马眼型胶钻识别

（2）运动控制系统

运动控制部分由硬件设备与软件系统组成。硬件设备由带编码器的步进电机、步进电机驱动器、光电开关、真空泵、电磁阀等组成。软件部分则分为上、下位机。上位机与下位机是通过CAN总线进行连接。上位机通过CAN总线对下位机发送运动指令，下位机接收视觉识别得到的位置信息，发出脉冲位置控制信号，控制X、Y平台移动，贴钻头上下运动以及吸嘴的旋转运动，完成点胶、吸钻、贴钻的动作。CAN 总线的高性能和高可靠性保证了上下位机通讯的实时性与可靠性[5]。控制系统结构原理如图9所示。

图9 控制系统结构原理图

2 主要技术指标

2.1 机械部分技术指标

机械部分技术指标如表1所示。

表1 机械部分的技术指标

2.2 点胶控制器技术参数

点胶控制系统的技术指标如表2所示。

表2 点胶控制系统的技术指标

2.3 视觉系统及控制系统技术参数

控制系统主要技术参数如表3所示。

表3 控制系统主要技术参数

3 结束语

本文针对目前贺卡制作过程中人工贴胶钻石环节的缺点，设计了一种基于视觉定位的智能贺卡贴钻机。分别对该设备的机械传动系统，运动控制系统及图像定位系统进行研究设计。所设计的智能贴钻机经过调试，快速完成贺卡贴钻工序，节省人工、效率高，解决了企业招工难题。通过基于视觉定位的智能贺卡贴钻机，可以通过机器视觉识别不同形状和不同大小的胶钻，克服市面上现在点钻机只能黏贴圆形胶钻的不足。达到了预期目标，现已在合作单位进行应用，1个工人可以管理3台，生产出来的贺卡稳定性和一致性高，可以大幅度节省企业的用工成本和由于质量问题返工引起的成本，取得了良好的效果。