钻头自动检测并跟踪缝合针尾中心的钻孔装置的制作方法

本实用新型涉及钻孔装置，具体涉及钻头自动检测并跟踪缝合针尾中心的钻孔装置。

背景技术：

在对医用缝合针针尾部进行钻孔过程中，为了保证孔打在尾部中心，在打孔前需要预先找准针尾部圆的中心，这是保证在打孔时钻头与针保持同轴度的关键，也是保证孔的尺寸要求和保证产品精度的关键。

现有的医用带线缝合针针尾微孔的加工，一般是通过手工调试，大致将钻头对准针尾轴心，并保持钻头与夹具位置相对固定进行批量生产，而每次加工时，夹具夹取带线缝合针时位置都是不一致的，钻头有可能偏离针尾圆心，造成成品率低、精确度不高，不能及时检测并进行修正。也有的设备采用激光打孔，通过三角测距、红外测距、超声波测距等方法，但这些方法具有测量误差大、硬件成本高、系统振动影响大等缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的是：提供一种钻头自动检测并跟踪缝合针尾中心的钻孔装置，运用机器视觉的技术，通过计算机对图像的处理实现对针尾圆心的自动检测与跟踪，使钻孔钻头和缝合针尾部保持较高的同轴度，保证缝合针钻孔位置准确，自动化程度高，提高打孔质量，减低次品率，成本低，效率高，速度快。

本实用新型的技术解决方案是：它包括PLC、钻孔机构、计算机、CCD传感器、相机和夹具；夹具夹持待钻孔的缝合针，在夹具的X轴和Y轴上分别定位安装相机，用于拍摄夹持着的缝合针针尾及钻头；相机将拍摄的画面通过CCD传感器传输到计算机中，计算机装有图像处理程序模块，用来处理相机传来的图像信息，通过算法分析确定针尾圆心位置和钻头位置，并通过与PLC通信发出让钻孔机构调整指令。

其中，相机均自带显微镜头和照明光源。

其中，所述的钻孔机构包括四台伺服电机，即钻孔电机、纵向进给电机、横向调整电机和上下调整电机；纵向进给电机支座、两个一号丝杠支座安装在水平支座上，纵向进给电机安装在纵向进给电机支座上，纵向进给电机右端通过一号联轴器和一号丝杠相连，一号丝杠由两个一号丝杠支座中的滚动轴承支撑，一号丝杠螺母安装在一号丝杠上和一号丝杠一起螺旋传动；一号丝杠螺母上安装有钻孔电机支座，钻孔电机安装在钻孔电机支座上，钻孔电机右端安装有钻头，钻头右端有待加工缝合针，待加工缝合针和钻头对齐，待加工缝合针固定在夹具中，夹具安装在二号丝杠螺母上；横向调整电机支座、两个二号丝杠支座安装在横向活动支架上，横向活动支架安装在三号丝杠螺母上，横向调整电机安装在横向调整电机支座上，横向调整电机通过二号联轴器和二号丝杠相连，二号丝杠由两个二号丝杠支座中的滚动轴承支撑，二号丝杠螺母安装在二号丝杠上和二号丝杠一起螺旋传动；上下调整电机支座、两个三号丝杠支座安装在竖直支座上，竖直支座固定在水平支座上，上下调整电机安装在上下调整电机支座上，上下调整电机通过三号联轴器和三号丝杠相连，三号丝杠由两个三号丝杠支座中的滚动轴承支撑，三号丝杠螺母安装在三号丝杠上和三号丝杠一起螺旋传动。

工作原理是：调试时，将相机聚焦校准到中心位置；计算机采用RGB模型，利用边缘提取法提取针端面边缘与钻头边缘，再利用Hough变换将针端面的边缘建立椭圆方程，求椭圆内最大距离的两个端点，计算机通过与PLC通信发出让钻孔机构调整指令，将钻头动态调整到针尾中心点最佳位置。

本实用新型具有以下优点：

（1）本实用新型能够自动准确检测缝合针尾中心，采用显微技术将针尾端部和钻头的视图放大，提高了图像检测精度；采用双相机检测，采用高分辨率同轴CCD传感器，通过计算机图像识别，图像软件的分析，能够自动检测针尾中心及钻头位置。

（2）本实用新型具有高精度运动控制系统，通过钻孔机构中四台伺服电机分别实现钻孔加工、纵向进给、横向和上下精度调整，适时地自动调整钻头位置进行钻孔，并动态调整钻头位置，在短时间内找准位置，提高了加工精度。

（3）针尾图像的边缘检测采用了智能边缘提取的方法，能够快速准确地提取检测点，采用双相机采样，能够获得二维平面的圆心位置；采用了传感器的准确识别、计算机图像处理程序模块的滤波处理及图像增强处理，提高了圆心识别的速度和准确性。

（4）本实用新型通过高分辨率的CCD传感器、双相机、具有图像识别和分析能力的计算机、运行控制能力强的PLC、高精度运动控制的钻孔机构，能够迅速检测缝合针尾的圆心位置，并进行精确控制，在短时间内在针尾中心进行打孔，满足工艺要求。

（5）将针尾和钻孔置于相机视图范围内，保证光源聚焦于针尾部，采用显微技术将针尾端部和钻头的视图放大，并将针尾涂有黄色、钻头涂有红色，提高了图像检测精度；采用双相机检测，通过两条直线确定中心点的方式，动态调整钻头位置，自动找准针尾中心，保证了钻头与针的同轴度，提高了加工精度。

（6）通过相机拍摄图像，经过高分辨率CCD传感器、图像数模转换卡将图像传送到计算机，处理图像，通过边缘处理，找出针尾圆心；由计算机将信号传给PLC，由PLC控制钻头机构，钻头机构的伺服电机实现钻头横向和上下的调整，实现钻头的旋转和纵向进给运动，完成钻头自动检测针尾圆心，钻头跟踪钻孔。

（7）计算机图像处理软件及图像增强处理是通过PCI接口，将数字图像送入计算机，利用图像处理软件对图像进行滤波处理和增强处理，提高图像与背景的对比度，对图像处理后的图像进行边缘提取，利用Hough变换建立椭圆方程，求取针尾中心点，通过二维图像处理准确确定钻孔位置。

（8）缝合针钻孔机构由夹紧机构将缝合针夹紧，夹紧机构通过丝杠螺母机构连同伺服电机被安装在横向活动支架上，一号伺服电机8通过钻头实现对缝合针的钻孔加工，二号伺服电机通过丝杠螺母传动实现钻孔加工的纵向进给，三号伺服电机通过丝杠螺母传动实现缝合针的横向调整，四号伺服电机通过丝杠螺母传动实现缝合针的上下精度调整。

附图说明

图1 为本实用新型的结构示意图；

图2 为本实用新型钻孔机构主视结构图；

图3 为本实用新型钻孔机构俯视结构图；

图4为自动检测针尾二维图像的圆心示意图；

图5 为计算机与PLC通信参数设置程序示意图；

图6 为钻头偏差调整计算机程序示意图。

图中：1纵向进给电机支座，2纵向进给电机，3一号联轴器，4一号丝杠支座，5一号丝杠，6一号丝杠螺母，7钻孔电机支座，8钻孔电机，9钻头，10待加工缝合针，11夹具，12上下调整电机，13三号联轴器，14上下调整电机支座，15三号丝杠支座，16三号丝杠，17三号丝杠螺母，18竖直支座，19水平支座，20横向调整电机，21横向调整电机支座，22二号联轴器，23二号丝杠支座，24二号丝杠，25二号丝杠螺母，26横向活动支架，27 PLC，28钻孔机构，29计算机，30 CCD传感器，31相机。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作详细说明。

如图1所示，它包括PLC27、钻孔机构28、计算机29、CCD传感器30、相机31和夹具11；夹具11夹持待钻孔的缝合针，在夹具的X轴和Y轴上分别定位安装相机31，用于拍摄夹持着的缝合针针尾及钻头；相机31将拍摄的画面通过CCD传感器30传输到计算机29中，计算机29装有图像处理程序模块，用来处理相机传来的图像信息，通过算法分析确定针尾圆心位置和钻头位置，并通过与PLC27通信发出让钻孔机构28调整指令。

其中，相机31均自带显微镜头和照明光源。

如图2、图3所示，所述的钻孔机构28包括四台伺服电机，即钻孔电机8、纵向进给电机2、横向调整电机20和上下调整电机12；纵向进给电机支座1、两个一号丝杠支座4安装在水平支座19上，纵向进给电机2安装在纵向进给电机支座1上，纵向进给电机2右端通过一号联轴器3和一号丝杠5相连，一号丝杠5由两个一号丝杠支座4中的滚动轴承支撑，一号丝杠螺母6安装在一号丝杠5上和一号丝杠一起螺旋传动；一号丝杠螺母6上安装有钻孔电机支座7，钻孔电机8安装在钻孔电机支座7上，钻孔电机8右端安装有钻头9，钻头9右端有待加工缝合针10，待加工缝合针10和钻头9对齐，待加工缝合针10固定在夹具11中，夹具11安装在二号丝杠螺母25上；横向调整电机支座21、两个二号丝杠支座23安装在横向活动支架26上，横向活动支架26安装在三号丝杠螺母17上，横向调整电机20安装在横向调整电机支座21上，横向调整电机20通过二号联轴器22和二号丝杠24相连，二号丝杠24由两个二号丝杠支座23中的滚动轴承支撑，二号丝杠螺母25安装在二号丝杠24上和二号丝杠一起螺旋传动；上下调整电机支座14、两个三号丝杠支座15安装在竖直支座18上，竖直支座18固定在水平支座19上，上下调整电机12安装在上下调整电机支座14上，上下调整电机12通过三号联轴器13和三号丝杠16相连，三号丝杠16由两个三号丝杠支座15中的滚动轴承支撑，三号丝杠螺母17安装在三号丝杠16上和三号丝杠16一起螺旋传动。

上述钻孔机构的钻孔加工、纵向进给、横向和上下调整都是通过PLC控制伺服电机实现的，钻孔电机8实现对缝合针的钻孔加工，纵向进给电机2实现钻孔的纵向进给，横向调整电机20实现钻孔精度的横向调整，上下调整电机12实现钻孔精度的上下调整；具体过程如下：事先将夹具涂成黄色，钻头涂成红色，便于分辨；调试时，将相机聚焦校准到针尾中心位置，拍摄图像；将待加工缝合针10夹紧在夹具11中，开始工作时PLC控制机构各部分处在初始位置，此时，机器视觉定位开始工作，对钻头和缝合针端部的位置进行拍照和图像处理分析，PLC对钻头9和待加工缝合针10的端部位置数据进行分析对比，若钻头9和待加工缝合针10尾部中心的同轴度误差在误差范围内，则横向和上下调整不工作，PLC控制钻孔电机8转动，同时纵向进给电机2正转，通过一号联轴器3带动一号丝杠5转动，一号丝杠5和一号丝杠螺母6螺旋传动，钻孔电机8连同钻头9在一号丝杠螺母6的带动下实现纵向进给，在PLC控制下按指定进给量实现对缝合针端部钻孔加工，加工至规定深度时，PLC控制纵向进给电机2反转，一号丝杠螺母6带动钻孔电机返回到初始位置，准备进行下次的钻孔加工；若经过PLC分析对比，钻头9和待加工缝合针10的同轴度精度不在误差范围内，则横向和上下调整开始工作，这分为三种情况：（1）若钻头9和待加工缝合针10横向误差不在同轴度误差范围内，上下误差在同轴度误差范围内，则横向精度调整工作，上下精度调整不工作，PLC控制横向调整电机20正转或反转，从而控制二号丝杠24和二号丝杠螺母25实现螺旋传动，通过二号丝杠螺母25带动夹具11连同待加工缝合针10实现横向移动，使缝合针10实现横向位置的调整，机器视觉定位同时进行实时检测，PLC根据检测数据对横向调整进行实时控制，最终使钻头9和待加工缝合针10的横向误差在同轴度误差范围内，调整完成后，PLC控制横向调整电机20停止转动，同时控制钻孔电机8和纵向进给电机2实现缝合针10的钻孔加工，控制过程和前面一样；（2）若钻头9和待加工缝合针10横向误差在同轴度误差范围内，上下误差不在同轴度误差范围内，则横向精度调整不工作，上下精度调整工作，PLC控制上下调整电机12正转或反转，从而控制三号丝杠16和三号丝杠螺母17实现螺旋传动，通过横向活动支架26带动夹具11连同待加工缝合针10实现上下移动，对缝合针10的位置实现上下调整，机器视觉定位同时进行实时检测，PLC根据检测数据对上下调整进行实时控制，最终使钻头9和待加工缝合针10的上下误差控制在同轴度误差范围内，调整完成后，PLC控制上下调整电机12停止转动，同时控制钻孔电机8和纵向进给电机2工作，实现缝合针10的钻孔加工，控制过程和前面一样；（3）若钻头9和待加工缝合针10横向误差和上下误差均不在同轴度误差范围内，则横向精度调整和上下精度调整同时工作，PLC控制横向调整电机20和上下调整电机12正转或反转，从而控制二号丝杠24和二号丝杠螺母25、三号丝杠16和三号丝杠螺母17实现螺旋传动，从而控制夹紧机构11连同待加工缝合针10实现纵向、上下移动，对缝合针10的位置实现纵向、上下调整，机器视觉定位同时进行实时检测，PLC根据检测数据对横向和上下调整进行实时控制，最终使钻头9和待加工缝合针10的纵向、上下误差控制在同轴度误差范围内，调整完成后，PLC控制横向调整电机20、上下调整电机12停止转动，同时控制钻孔电机8和纵向进给电机2工作，实现缝合针10的钻孔加工；其结果如图4所示。

计算机程序采用labview做为主控，具体采用VC++算法程序生成dll文件，对Labview进行调用；开始时进行相机初始化，通信初始化，GPIO初始化，然后对与PLC通信进行参数设置，如图5所示；最后判断是否进入测试程序，给出匹配信号，如果匹配那么通过GPIO给出开关信号，开始加工，如果总和偏差大于指定偏差，则将X轴偏差和Y轴偏差通过通信送到PLC，进行修正，如图6所示。