本發(fā)明涉及一種圓環(huán)零件識別裝置和方法，屬于工件自動視覺識別技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
在機械加工、裝配、分揀以及倉儲等自動化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，工件的自動定位識別技術(shù)都具有重要的作用。本發(fā)明側(cè)重于識別，這里先說明一下自動化識別技術(shù)，其在生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，應(yīng)當(dāng)具備自動識別的一般技術(shù)知識，應(yīng)當(dāng)理解提取有效特征是解決自動識別問題的關(guān)鍵，對于不同的工件，應(yīng)當(dāng)考慮提取有效調(diào)整的方法，以提高提取有效特征的效力。圓環(huán)是一種常用的工業(yè)用零件，被大量應(yīng)用于車輛、設(shè)備、電氣、工具等領(lǐng)域。其材質(zhì)可以是各種金屬、塑料、高分子材料等，視覺識別對材料本身的要求并不大，只對材料的光學(xué)特征要求相對較高，但在不同的應(yīng)用中，匹配材料自身的特征選擇合適的光譜和背景可以有效解決這一問題，在工件的自動識別中，該問題對識別不會造成顯著的影響。單件或者數(shù)量較少時，其識別并無實際意義，圓環(huán)類零件通常都是大批量的，因而，自動識別具有現(xiàn)實的意義。在某些應(yīng)用中，出于裝配的要求，圓環(huán)上還有一個縫隙。在傳統(tǒng)的此類零件的生產(chǎn)和裝配過程中，都是人工操作。需要人工進行判斷或者測量縫隙在圓型零件上的位置。然后才能進入下一步工序。在人工成本大幅增加、生產(chǎn)裝配精度要求提高以及生產(chǎn)效率需要提高的情況下，自動化生產(chǎn)、裝配正逐步代替人工操作。因此，需要有一種自動化設(shè)備，能夠自動識別圓環(huán)零件并精確定位縫隙位置。然而在生產(chǎn)裝配過程中，工藝條件差異較大，如尺寸規(guī)格的差異。這里所說的尺寸規(guī)格包括多種直徑以及多種高度的零件。這種情況也需要在自動生產(chǎn)和裝配過程中得到解決。在一些應(yīng)用中，采用超聲定位所述縫隙的方法，利用超聲在縫隙處發(fā)生干涉或者回聲變化的特征取得對風(fēng)系的定位，然后這種定位方式對不同的尺寸規(guī)格的零件需要首先定位圓環(huán)體結(jié)構(gòu)部，整體效率較差。在一些實現(xiàn)中，采用光學(xué)正投影工件的方法，在工作臺上配置較大面積光感應(yīng)器件，光在工件實體部分被遮擋，而在縫隙部分光能正常通過，從而準(zhǔn)確定位工件縫隙。雖然這種方法算法比較簡單，計算量也比較小，然而，在工作臺上配置大面積的光學(xué)感應(yīng)器件在絕大多數(shù)工況下缺乏實現(xiàn)可行性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
因而，本發(fā)明基于視覺識別，提出一種能夠有效提高生產(chǎn)裝配效率和精度的帶縫隙圓環(huán)零件的識別方法，另一方面，提供實現(xiàn)該方法的一種識別裝置。依據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種圓環(huán)零件識別裝置，包括：照相機，位于零件定位裝置正上方；處理器模塊，連接所述照相機，以驅(qū)動照相機在預(yù)定的時機拍攝，并讀取拍攝的圖像，并處理該圖像，識別出圓環(huán)及圓環(huán)上縫隙的位置；觸發(fā)電路，連接所述處理器模塊，觸發(fā)而產(chǎn)生所述預(yù)定的時機；以及位于零件定位裝置上方的照明裝置及照明控制電路，其中所述照明控制電路直接連接所述處理器模塊而被直接驅(qū)動或者經(jīng)由所述照相機驅(qū)動。依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種圓環(huán)零件識別方法，其包括以下步驟：1）調(diào)整工作臺，使零件圓環(huán)零件被輸送過來后被水平定位，并使照相機位于并定位的工件的正上方；2）對被定位后的零件進行拍照，獲得零件照片；3）基于邊緣檢測的圖像識別方法識別出圓環(huán)及縫隙；4）確定當(dāng)前狀態(tài)下，縫隙在零件上的位置。應(yīng)知，零件的基本參數(shù)都是已知的，從以上技術(shù)方案可以看出，匹配不同零件在輸送過來時，縫隙的位置不確定的第一層次的技術(shù)問題，采用拍照和基于圖像識別的方法進行識別，確定縫隙在零件上的位置，取代人力，利于實現(xiàn)自動化，有效地提高裝配效率，同時，基于圖像識別的方法能夠準(zhǔn)確的確定縫隙的位置，保證裝配精度。而照明則保證拍攝效果的一致性，減少后續(xù)處理的計算量，并減少干擾因素，進而提高識別效果。另一方面，基于實現(xiàn)的一般考慮，照相機用于正投影拍攝照片，處理器模塊用于所拍攝照片的處理，以一種相對簡單的配置實現(xiàn)識別方法所需的硬件配置。上述圓環(huán)零件識別裝置，還設(shè)有用于所述照明控制電路與照相機拍攝同步的電路單元。上述圓環(huán)零件識別裝置，所述處理器模塊配有與上位機通信的接口。上述圓環(huán)零件識別裝置，所述處理器模塊有多個輸入端子，用于匹配工況的外部驅(qū)動信號電路的連接。上述圓環(huán)零件識別裝置，還包括連接于所述處理器模塊的觸發(fā)電路，用于觸發(fā)而產(chǎn)生所述預(yù)定的時機。上述圓環(huán)零件識別方法，至少在拍照時進行補光。上述圓環(huán)零件識別方法，初始化時，建立以匹配圓環(huán)零件中心的定位夾具中心為原點的坐標(biāo)系，從而在識別時以坐標(biāo)標(biāo)定所述縫隙。上述圓環(huán)零件識別方法，所述坐標(biāo)系為極坐標(biāo)系。上述圓環(huán)零件識別方法，所述圖像識別方法首先進行濾波，然后基于亮度變化進行二值化，再通過連通域查找縫隙的位置或再進行邊緣檢測，通過邊緣坐標(biāo)關(guān)系查找縫隙的位置。附圖說明圖1為常亮狀態(tài)下的一種圓環(huán)零件識別方法的流程圖。圖2為同步照明狀態(tài)下的一種圓環(huán)零件識別方法的流程圖。圖3為照相機與圓環(huán)零件的位置關(guān)系圖。圖4為縫隙位置坐標(biāo)示意圖。圖5為一種圓環(huán)零件識別設(shè)備結(jié)構(gòu)原理框圖。圖6為一種圓環(huán)零件識別設(shè)備結(jié)構(gòu)原理框圖。圖7為示意圓環(huán)零件被識別時的狀態(tài)圖，途中圓環(huán)零件帶有灰度，用于識別效果表達，不會影響圖的清楚。圖8為視覺識別效果圖。具體實施方式圓環(huán)是一種常用的工業(yè)用零件，可用于車輛、設(shè)備、電氣、工具等領(lǐng)域。其材質(zhì)可以是各種金屬、塑料、高分子材料等。在某些應(yīng)用中，出于裝配的要求，圓環(huán)上有一個縫隙。在自動化生產(chǎn)線中，需要對零件和縫隙進行精確定位，然后進入下一步工序（如焊接、裝配等）。對于這些零件，圓環(huán)圓心的位置坐標(biāo)為已知數(shù)據(jù)。圓環(huán)零件的直徑和高度均是已知數(shù)據(jù)。但是圓環(huán)的直徑和高度不是固定值，而是在某個范圍內(nèi)，如幾毫米到幾十厘米。也就是說每個零件都有其自己的高度和直徑。但是縫隙的位置是未知的。應(yīng)當(dāng)理解，如圖3所示的照相機1與圓環(huán)零件2所示的結(jié)構(gòu)中，工作臺/治具臺應(yīng)與零件在光學(xué)上具有比較高的區(qū)分度，本領(lǐng)域的技術(shù)人員據(jù)此容易理解，在光學(xué)識別中，所說的區(qū)分度應(yīng)為減小識別難度的基本配置。進而，為了減小識別的難度，對圓環(huán)應(yīng)正投影拍攝，避免所拍攝出來的圓環(huán)成橢圓形。那么在此要求下，圖像采集設(shè)備，也就是圖3中所示的照相機1配置在零件定位裝置的正上方，或者說照相機鏡頭與圓環(huán)零件應(yīng)同軸?；谕S的保證，在于工作臺上配置的圓環(huán)夾具的設(shè)置，在機械對軸/環(huán)類工件的同軸定位所用定位夾具屬于比較常用的部件，并且本文側(cè)重于識別，對于定位在此不再贅述。定位工件與圖像采集設(shè)備是識別方法的保障性條件，偏心的拍攝勢必會因為透視效果而產(chǎn)生橢圓形圖像，不利于后續(xù)的處理。關(guān)于所述照相機1，在此處如前所述，用于拍攝圓環(huán)的頂面照片，或者說俯視圖，為了降低后續(xù)處理的難度，最好采用黑白相機，自然也可以采用彩色相機。照相機受控于外部指令而拍攝，獲得初始的環(huán)形零件的俯視圖像，這里應(yīng)當(dāng)理解，圓環(huán)零件的環(huán)面處于水平位置，或者說軸線豎直狀態(tài)。在一些應(yīng)用中，自然光能夠滿足拍攝的需要，且自然光對拍攝負(fù)面效果影響不大時，可以直接使用照相機進行拍攝。自然光具有不穩(wěn)定性和時差性，且容易為外界因素所干擾，為此，最好配置用于補光的設(shè)備，補光的效果應(yīng)當(dāng)消除外部光源對拍攝效果的影響。匹配相應(yīng)的圖像識別方法，應(yīng)盡可能的減少干擾因素，減小識別難度和計算量，提高計算效率。因而如圖7所示，配置照明裝置4，該照明裝置可以采用功率相對比較小的工業(yè)補光燈，為了降低成本，還可以采用LED燈具，匹配照相機，還可以采用照相機用的曝光燈具。光源應(yīng)為單色光或者白光，因而熒光燈在一些應(yīng)用中也可以使用。照明采用兩種方式，一種是常亮狀態(tài)，不必設(shè)置對照明設(shè)備匹配照相機的控制電路，只需要電源電路即可，結(jié)構(gòu)相對比較簡單，成本較低，但同樣輻照條件下能耗相對較高。在該條件下，采用如熒光燈具相對比較合適，其開關(guān)次數(shù)往往會受到限制，適用于該應(yīng)用條件。而在另一些應(yīng)用中，尤其是需要批量識別工件時，需要采用開關(guān)壽命比較高的照明燈具，以降低能耗，同時，與照相同步曝光的方式因應(yīng)開關(guān)壽命比較長的光源。給出控制和處理設(shè)備，也就是如圖5和圖6所示的核心元件，處理器模塊，統(tǒng)籌所連接設(shè)備的控制和圖像處理。該處理器模塊應(yīng)當(dāng)包括邏輯處理運算控制的處理器、暫存數(shù)據(jù)的隨機存儲器、存儲引導(dǎo)程序和處理程序的只讀存儲器，以及一些必要的固件，并配置接口電路以連接相應(yīng)的設(shè)備，如照相機。在圖5所示的結(jié)構(gòu)中，照明設(shè)備直接為處理器模塊所控制，也可以不經(jīng)由處理器模塊，單獨一個開關(guān)電路，在圖6所示的結(jié)構(gòu)中，類似于把照相機與照明設(shè)備集成，減少中間環(huán)節(jié)，更有利于同步控制。在一些應(yīng)用中，為處理器模塊配置通信接口，用于和外部設(shè)備，尤其是上位機通信，與上位機通信便于與自動生產(chǎn)線的集中控制部分相連接，便于集中控制。通信模塊選擇RS232、RS485等標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)串行接口?？梢越邮胀獠康奶幚砻?，如開始拍照、識別和定位等，也可以把識別出來的信息輸送給外部設(shè)備，如下一工序的設(shè)備上。在一些應(yīng)用中，處理器模塊預(yù)留一些I/O端子，方便擴展，比如某些開關(guān)的接入。配置連接于所述處理器模塊的觸發(fā)電路，表明工件已到位，可以進行照相，給出照明拍攝的時機。觸發(fā)電路可以如上述預(yù)留的I/O端子連接到定位工裝上的傳感器，如位置傳感器，表明工件已到位，也可以接收上位機的控制。主要用于觸發(fā)處理器和相機開始拍照，識別和定位。如圖1和圖2所示，開機初始化，加載程序，初始化端口，圓環(huán)形零件平放在工作臺或者工裝臺上，其軸線垂直于工作臺或者工裝臺，方便定位。照相機1置于圓環(huán)零件2正上方，最好匹配相應(yīng)工裝，不必每次都進行調(diào)整，對于同批次的同一類零件，一次調(diào)整可以滿足大多數(shù)的需要，且微量的位置變化對圖像處理不會產(chǎn)生顯著的影響，同一型號零件相對比較容易處理，采用一對擋銷既可以完成零件的準(zhǔn)確定位，也可以采用呈一定角度的兩塊擋板，不過應(yīng)盡可能的降低定位工裝所帶來的對圖像處理計算量的影響，使相應(yīng)工裝的厚度小于零件的厚度，顏色對比相對強烈。照明裝置4也置于圓環(huán)零件2上方，其軸線與圓環(huán)的軸線重合。這里應(yīng)當(dāng)理解，照明裝置未必采用一盞燈，而是燈陣列，這里的軸線應(yīng)理解為陣列的中心線。如圖7所示，對此有清楚地表示。如圖3所示，照相機1距離工作臺或者工裝臺的距離為D，圓環(huán)零件2高度為H，則照相機1距離圓環(huán)零件2頂面的垂直距離為h=D-H。這種情況下，只要知道圓環(huán)零件2的高度或者零件的直徑，就可以計算出其它參數(shù)。識別裝置開機后進入等待狀態(tài)，等待觸發(fā)接口的觸發(fā)信號或者通訊接口的檢測命令。當(dāng)有觸發(fā)信號或者檢測命令時，識別裝置開始拍照，然后進行圖像處理，識別出圓環(huán)和圓心，并且計算出縫隙的位置?？p隙的位置按照坐標(biāo)方式計算出，可以精確地進行定位，其格式可以是直角坐標(biāo)，也可以是極坐標(biāo)，極坐標(biāo)則具有更好的效果，表現(xiàn)為計算量相對較小，且參考可以直接標(biāo)定位角度參數(shù)。如圖4所示，A1（x1,y1）和A2（x2,y2）是縫隙的兩個端點，這兩個端點可以是圓環(huán)的內(nèi)邊緣點，也可以是圓環(huán)的外邊緣點，對計算均不會產(chǎn)生影響。A(x,y)是縫隙的A1和A2的中間點。A1，A2和A的極坐標(biāo)表達為A1（r,θ1）,A2(r,θ2)和A（r,θ）。其中，r為圓環(huán)半徑。根據(jù)需要，裝置可以輸出A1和A2的坐標(biāo)，也可以輸出A的坐標(biāo)。坐標(biāo)格式可以是直角坐標(biāo)，也可以是極坐標(biāo)。圖像識別技術(shù)相對比較成熟，尤其是對于圓環(huán)類零件這種-相對比較簡單的對象，普通的識別方法一般都能滿足要求?；A(chǔ)的基于邊緣檢測的圖像識別方法相對比較簡單，處理速度比較快，應(yīng)優(yōu)選使用。圖像處理部分主要分為四步，即圖像平滑、二值化、邊緣檢測和縫隙查找。處理算法最好首先進行圖象平滑即濾波，以降低圖像中噪點對后續(xù)處理的影響。，尤其是在簽署的內(nèi)容中，刻意強化了對比度的條件下。那么之后的二值化相對就比較容易。濾波一般采用NxN的窗口數(shù)據(jù)利用高斯濾波、中值濾波、中間值濾波，也可以采用孤立點消除的方法。二值化是把圖像像素點分為黑和白兩種顏色。其方法主要是通過閾值來判斷。實際應(yīng)用中可以采用全局閾值或者局部閾值。二值化之后的圖像可以直接采用連通域判斷的方法找出縫隙的位置，也可以進行邊緣檢測，然后檢測縫隙的位置。邊緣檢測可以采用一階微分、Kirsch算子邊緣檢測等方法。然后在邊緣檢測后的圖像中查找并確定縫隙的位置?？梢愿鶕?jù)邊緣點的坐標(biāo)關(guān)系來判斷縫隙的位置。以上方法屬于常規(guī)的圖像處理方法，這里不再做詳細(xì)的描述。為了提高識別效果，對圖像進行二值化，其效果如圖8所示，能夠清楚地界定出圓環(huán)零件的輪廓。照明方式可以分為常亮式和同步式。所謂常亮式，就是開機后、準(zhǔn)備檢測前，把照明打開，即使拍照或者檢測完畢，照明也不關(guān)閉，照明始終保持打開。所謂同步式，就是只有在拍照時或者照相機的圖像傳感器在積分（或者感光）時，照明才打開，其它時間照明均關(guān)閉。這種方式可以節(jié)省電能，并能延長照明模塊的壽命。一個更具體的實施例：檢測裝置開機后進入等待狀態(tài)，等待觸發(fā)接口的觸發(fā)信號或者通訊接口的檢測命令。當(dāng)有觸發(fā)信號或者檢測命令時，檢測裝置開始拍照，然后進行圖像處理，識別出圓環(huán)和圓心，并且計算出縫隙5的位置?？p隙5的位置按照坐標(biāo)方式計算出，其格式可以是直角坐標(biāo)，也可以是極坐標(biāo)。如圖所示，A1（x1,y1）和A2（x2,y2）是縫隙的兩個端點，A(x,y)是縫隙的A1和A2的中間點。A1，A2和A的極坐標(biāo)表達為A1（r,θ1）,A2(r,θ2)和A（r,θ）。其中，r為圓環(huán)半徑。根據(jù)需要，裝置可以輸出A1和A2的坐標(biāo)，也可以輸出A的坐標(biāo)。坐標(biāo)格式可以是直角坐標(biāo)，也可以是極坐標(biāo)。上述的圖像處理算法主要包括濾波、二值化、邊緣檢測、縫隙查找等常規(guī)算法。