基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统及方法技术领域
本发明涉及微孔内污物自动清洁领域，尤其涉及一种基于机器视觉导引的微孔内
污物自动清除系统及方法。
背景技术
目前化纤行业普遍采用喷丝板作为出丝元件。若喷丝板上的微孔即喷丝孔发生堵
塞或孔壁粘连有异物，则会产生飘丝、断丝等质量问题，因此喷丝孔的光洁程度对于最终产
品质量至关重要。针对上述问题，传统方法是在喷丝板使用一段时间后，对其首先进行超声
波清洗，再采用自动化或非自动化方式进行显微光学检测，判断超声波清洗完毕后的微孔
是否堵塞或孔壁是否还有残余附着物等问题。若发现微孔堵塞或孔壁存在附着物，通常会
使用国内或国外专用设备公司生产的自动检测设备，采用压缩空气对准微孔进行喷气清洁
处理。然而对于曲率半径较大的异形孔或油性附着物，喷气处理方法一般无法彻底清洁孔
壁附着物，此时仍需依靠熟练检测人员使用通针对微孔污物进行清洁处理。由于喷丝板微
孔直径小于1mm，检测人员肉眼难以发现问题孔并将通针插入该孔中，同时清洁处理过程
中，金属通针针尖上下或旋转刮擦孔壁时，很容易刮伤孔壁表面，造成喷丝板使用寿命大大
缩短。其实上述问题不止存在于化纤行业，微电子行业中的细小焊孔内的污物清理存在同
样的问题。
发明内容
本发明的目的在于通过一种基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统及方
法，来解决以上背景技术部分提到的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统，其包括检孔用显微摄像头、
通针夹具、清洁通针、检针用显微摄像头、监控系统以及运动机构；所述检孔用显微摄像头
与监控系统、运动机构连接，用于在监控系统控制下，获得待清洁微孔的显微观测图像，并
将所述显微观测图像输出给监控系统；所述通针夹具夹持所述清洁通针，与所述运动机构
连接；所述检针用显微摄像头包括两组正交设置的摄像头，在所述监控系统控制下，获得所
述清洁通针的图像，并输出给监控系统；所述监控系统用于对所述显微观测图像进行处理，
获得微孔轮廓、微孔中心位置Ch及微孔的孔壁上附着污物的位置，对所述清洁通针的图像
进行处理，获得所述清洁通针针尖的位置偏差，并根据所述微孔中心位置Ch、清洁通针针尖
的位置偏差获得所述清洁通针进入微孔的位置坐标(Xc,Yc)，根据所述微孔轮廓、微孔的孔
壁上附着污物的位置获得所述清洁通针的清洁轨迹Tr，根据所述清洁通针进入微孔的位置
坐标(Xc,Yc)输出控制指令给运动机构；所述运动机构与监控系统连接，用于根据收到的所
述控制指令，将通针夹具和清洁通针移动至所述清洁通针进入微孔的位置坐标(Xc,Yc)所指
位置，将所述清洁通针下探至微孔内，并在监控系统控制下，控制清洁通针沿所述清洁轨迹
Tr移动至污物位置，再沿所述微孔轮廓运动，去除微孔内的污物。
特别地，所述基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统还包括空气喷嘴；所
述空气喷嘴与运动机构连接，用于在运动机构驱动下移动至所述微孔中心位置Ch，采用压
缩空气对准该微孔进行喷气清洁处理，去除微孔内壁中从表面剥离且未被清洁通针带出的
污物。
特别地，所述基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统还包括压力传感器；
所述压力传感器与运动机构连接，用于在清洁通针去除微孔内的污物时，实时测量清洁通
针与微孔孔壁的接触力，输出给监控系统，监控系统根据微孔轮廓及所述接触力控制清洁
通针沿微孔轮廓运动。
特别地，所述基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统还包括背景光源和黑
色背景板；所述背景光源采用LED阵列光源；所述黑色背景板包括两个正交放置的背光板，
所述两个正交放置的背光板与检针用显微摄像头中两组正交设置的摄像头相配合。
特别地，所述检孔用显微摄像头具体用于在运动机构驱动下，在待清洁微孔的上
方下移若干次，对应获得若干组待清洁微孔的显微观测图像，输出给监控系统。
特别地，对所述显微观测图像进行处理，获得微孔轮廓、微孔中心位置Ch及微孔的
孔壁上附着污物的位置，具体包括：通过Canny算子提取微孔轮廓；根据所述微孔轮廓与标
准微孔模板，采用广义Hough变换算法获得微孔中心位置Ch；再根据微孔轮廓和标准微孔模
板采用上下文形状描述算子分别构建微孔轮廓和标准微孔模板的形状特征矩阵H和S，采用
欧几里德距离比较H与S中距离值超过给定阀值T的子矩阵，确定孔壁污物在微孔轮廓上的
位置即微孔的孔壁上附着污物的位置。
特别地，所述对所述清洁通针的图像进行处理，获得所述清洁通针针尖的位置偏
差，具体包括：所述清洁通针的图像为相互正交的两个视角的清洁通针图像，采用Canny算
法提取清洁通针轮廓边缘，通过动态目标跟踪获取清洁通针针尖在平面坐标系的实时位
置，计算清洁通针针尖与标准位置的距离偏差即清洁通针针尖的位置偏差。
本发明还公开了一种基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除方法，其包括如下
步骤：
S101、监控系统向运动机构发送电机指令和参数，运动结构驱动检孔用显微摄像
头到达指定拍照点；
S102、检孔用显微摄像头到达指定拍照点后向监控系统反馈信息，监控系统控制
运动机构动作，使检孔用显微摄像头在待清洁微孔的上方下移若干次，对应获得若干组待
清洁微孔的显微观测图像，输出给监控系统；所述监控系统对所述显微观测图像进行处理，
获得微孔轮廓、微孔中心位置Ch及微孔的孔壁上附着污物的位置，根据所述微孔轮廓、微孔
的孔壁上附着污物的位置获得所述清洁通针的清洁轨迹Tr；
S103、检针用显微摄像头通过两组正交设置的摄像头获得清洁通针的图像，并输
出给监控系统；监控系统对所述清洁通针的图像进行处理，获得所述清洁通针针尖的位置
偏差，并根据所述微孔中心位置Ch、清洁通针针尖的位置偏差获得所述清洁通针进入微孔
的位置坐标(Xc,Yc)；
S104、监控系统根据所述清洁通针进入微孔的位置坐标(Xc,Yc)输出控制指令给运
动机构；运动机构根据收到的所述控制指令，将通针夹具和清洁通针移动至所述清洁通针
进入微孔的位置坐标(Xc,Yc)所指位置，将所述清洁通针下探至微孔内，并在监控系统控制
下，控制清洁通针沿所述清洁轨迹Tr移动至污物位置，再沿所述微孔轮廓往复运动，去除微
孔内的污物。
特别地，所述基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除方法还包括：
S105、监控系统向运动机构发送指令将空气清洁喷嘴移动至所述微孔中心位置
Ch，采用压缩空气对准该微孔进行喷气清洁处理，去除微孔内壁中从表面剥离且未被清洁
通针带出的污物，单个微孔内污物去除完毕；
S106、监控系统向运动机构发送电机运行指令和参数，让检孔用显微摄像头到达
下一微孔位置，重复执行步骤S102至S105，直至去除所有微孔内污物。
特别地，所述步骤S102中对所述显微观测图像进行处理，获得微孔轮廓、微孔中心
位置Ch及微孔的孔壁上附着污物的位置，具体包括：通过Canny算子提取微孔轮廓；根据所
述微孔轮廓与标准微孔模板，采用广义Hough变换算法获得微孔中心位置Ch；再根据微孔轮
廓和标准微孔模板采用上下文形状描述算子分别构建微孔轮廓和标准微孔模板的形状特
征矩阵H和S，采用欧几里德距离比较H与S中距离值超过给定阀值T的子矩阵，确定孔壁污物
在微孔轮廓上的位置即微孔的孔壁上附着污物的位置；
所述步骤S103中对所述清洁通针的图像进行处理，获得所述清洁通针针尖的位置
偏差，具体包括：所述清洁通针的图像为相互正交的两个视角的清洁通针图像，采用Canny
算法提取清洁通针轮廓边缘，通过动态目标跟踪获取清洁通针针尖在平面坐标系的实时位
置，计算清洁通针针尖与标准位置的距离偏差即清洁通针针尖的位置偏差。
本发明提出的基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统及方法利用机器视
觉技术定位微孔以及孔内附着物位置，引导清洁通针通过接触式方式实现微孔内污物自动
去除，实现了微孔污物清理的自动化，效率高，解决了以往用喷气方式无法彻底清洁油性污
物，需要人工逐孔进行清理而造成效率低下的问题。本发明采用机器视觉对微孔内附着污
物的位置进行精确定位，使得清洁通针只在污物位置处执行清理动作，解决了人工清理时
无法精确定位污物位置，难以将孔内污物从微孔壁上分离的问题，提高了微孔污物的清理
效率和质量；本发明实现了微孔污物清理的自动化，解决了人工清理微孔时容易划伤孔壁
和孔口表面的问题，延长了喷丝板的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统结构
图；
图2为本发明实施例提供的清洁通针的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具
体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描
述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有
技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用
的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在于限制本发明。
请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的基于机器视觉导引的微孔内污物自动
清除系统结构图。
本实施例中基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统具体包括检孔用显微
摄像头101、通针夹具102、清洁通针103、检针用显微摄像头104、监控系统105以及运动机构
106。在本实施例中所述基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统还包括背景光源107
和黑色背景板108；所述背景光源107采用LED阵列光源，采用背景照明方式。所述黑色背景
板108包括两个正交放置的背光板，所述两个正交放置的背光板与检针用显微摄像头104中
两组正交设置的摄像头相配合。
具体的，所述检孔用显微摄像头101与监控系统105、运动机构106连接，用于在监
控系统105控制下，获得待清洁微孔的显微观测图像，并将所述显微观测图像输出给监控系
统105。为了消除摄像机景深影响，在运动机构106驱动下，检孔用显微摄像头101在待清洁
微孔的上方下移若干次，对应获得若干组待清洁微孔的显微观测图像，输出给监控系统
105。在本实施例中检孔用显微摄像头101在待清洁微孔的上方下移3次，相应获得3组待清
洁微孔的显微观测图像。
所述通针夹具102夹持所述清洁通针103，与所述运动机构106连接。如图2所示，清
洁通针103通过螺纹与通针夹具102连接，具有单独升降装置，采用接触的方式将污物与孔
壁分离。
所述检针用显微摄像头104包括两组正交设置的摄像头，在所述监控系统105控制
下，获得所述清洁通针103的图像，并输出给监控系统105。在本实施例中两组正交设置的摄
像头中每组采用一个摄像头，但不局限于此，可根据需要灵活设置摄像头数量。
所述监控系统105用于对所述显微观测图像进行处理，获得微孔轮廓、微孔中心位
置Ch及微孔的孔壁上附着污物的位置，对所述清洁通针103的图像进行处理，获得所述清洁
通针103针尖的位置偏差，并根据所述微孔中心位置Ch、清洁通针103针尖的位置偏差获得
所述清洁通针103进入微孔的位置坐标(Xc,Yc)，根据所述微孔轮廓、微孔的孔壁上附着污物
的位置获得所述清洁通针103的清洁轨迹Tr，根据所述清洁通针103进入微孔的位置坐标
(Xc,Yc)输出控制指令给运动机构106；所述运动机构106与监控系统105连接，用于根据收到
的所述控制指令，将通针夹具102和清洁通针103移动至所述清洁通针103进入微孔的位置
坐标(Xc,Yc)所指位置，将所述清洁通针103下探至微孔内，并在监控系统105控制下，控制清
洁通针103沿所述清洁轨迹Tr移动至污物位置，再沿所述微孔轮廓运动，去除微孔内的污
物。在本实施例中基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统还包括压力传感器109；所
述压力传感器109与运动机构106连接，用于在清洁通针103去除微孔内的污物时，实时测量
清洁通针103与微孔孔壁的接触力，输出给监控系统105，监控系统105根据微孔轮廓及所述
接触力控制清洁通针103沿微孔轮廓运动。
在本实施例中，所述监控系统105对所述显微观测图像进行处理，获得微孔轮廓、
微孔中心位置Ch及微孔的孔壁上附着污物的位置，具体包括：通过Canny算子提取微孔轮
廓；根据所述微孔轮廓与标准微孔模板，采用广义Hough变换算法获得微孔中心位置Ch，其
中，所述标准微孔模板是按照图纸加工、尺寸检测合格、无污物粘连的微孔，将其作为标准
模板，将污物检测过程中拍摄的微孔图片与标准模板进行对比，从而检测污物；再根据微孔
轮廓和标准微孔模板采用上下文形状描述算子分别构建微孔轮廓和标准微孔模板的形状
特征矩阵H和S，采用欧几里德距离比较H与S中距离值超过给定阀值T的子矩阵，确定孔壁污
物在微孔轮廓上的位置即微孔的孔壁上附着污物的位置。
在本实施例中，所述监控系统105对所述清洁通针103的图像进行处理，获得所述
清洁通针103针尖的位置偏差，具体包括：所述清洁通针103的图像为相互正交的两个视角
的清洁通针103图像，采用Canny算法提取清洁通针103轮廓边缘，通过动态目标跟踪获取清
洁通针103针尖在平面坐标系的实时位置，计算清洁通针103针尖与标准位置的距离偏差即
清洁通针103针尖的位置偏差。
在本实施例中所述基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除系统还包括空气喷
嘴110。所述空气喷嘴110与运动机构106连接，用于在运动机构106驱动下移动至所述微孔
中心位置Ch，采用压缩空气对准该微孔进行喷气清洁处理，去除微孔内壁中从表面剥离且
未被清洁通针103带出的污物。
基于上述系统，本实施例还公开了一种基于机器视觉导引的微孔内污物自动清除
方法，该方法具体包括如下步骤：
S101、监控系统向运动机构发送电机指令和参数，运动结构驱动检孔用显微摄像
头到达指定拍照点。
S102、检孔用显微摄像头到达指定拍照点后向监控系统反馈信息，监控系统控制
运动机构动作，使检孔用显微摄像头在待清洁微孔的上方下移若干次，对应获得若干组待
清洁微孔的显微观测图像，输出给监控系统；所述监控系统对所述显微观测图像进行处理，
获得微孔轮廓、微孔中心位置Ch及微孔的孔壁上附着污物的位置，根据所述微孔轮廓、微孔
的孔壁上附着污物的位置获得所述清洁通针的清洁轨迹Tr。其中，对所述显微观测图像进
行处理，获得微孔轮廓、微孔中心位置Ch及微孔的孔壁上附着污物的位置，具体包括：通过
Canny算子提取微孔轮廓；根据所述微孔轮廓与标准微孔模板，采用广义Hough变换算法获
得微孔中心位置Ch；再根据微孔轮廓和标准微孔模板采用上下文形状描述算子分别构建微
孔轮廓和标准微孔模板的形状特征矩阵H和S，采用欧几里德距离比较H与S中距离值超过给
定阀值T的子矩阵，确定孔壁污物在微孔轮廓上的位置即微孔的孔壁上附着污物的位置。
S103、检针用显微摄像头通过两组正交设置的摄像头获得清洁通针的图像，并输
出给监控系统；监控系统对所述清洁通针的图像进行处理，获得所述清洁通针针尖的位置
偏差，并根据所述微孔中心位置Ch、清洁通针针尖的位置偏差获得所述清洁通针进入微孔
的位置坐标(Xc,Yc)。在本实施例中两组正交设置的摄像头中每组采用一个摄像头，但不局
限于此，可根据需要灵活设置摄像头数量。具体的，监控系统向运动机构发送控制指令，控
制清洁通针运动至微孔上方设定位置，此时，反馈信息给监控系统，监控系统立即启动两组
正交设置的摄像头，获得相互正交的两个视角的清洁通针图像，采用Canny算法提取清洁通
针轮廓边缘，通过动态目标跟踪获取清洁通针针尖在平面坐标系的实时位置，计算清洁通
针针尖与标准位置的距离偏差即清洁通针针尖的位置偏差，进行实时矫正，根据所述微孔
中心位置Ch、清洁通针针尖的位置偏差获得所述清洁通针进入微孔的位置坐标(Xc,Yc)。
S104、监控系统根据清洁通针进入微孔的位置坐标(Xc,Yc)输出控制指令给运动机
构；运动机构根据收到的所述控制指令，将通针夹具和清洁通针移动至所述清洁通针进入
微孔的位置坐标(Xc,Yc)所指位置，将所述清洁通针下探至微孔内，并在监控系统控制下，控
制清洁通针沿所述清洁轨迹Tr移动至污物位置，再沿所述微孔轮廓往复运动，去除微孔内
的污物。同时，在清洁通针去除微孔内的污物时，压力传感器实时测量清洁通针与微孔孔壁
的接触力，输出给监控系统，监控系统根据微孔轮廓及所述接触力控制清洁通针沿微孔轮
廓运动。
S105、监控系统向运动机构发送指令将空气清洁喷嘴移动至所述微孔中心位置
Ch，采用压缩空气对准该微孔进行喷气清洁处理，去除微孔内壁中从表面剥离且未被清洁
通针带出的污物，单个微孔内污物去除完毕。
S106、监控系统向运动机构发送电机运行指令和参数，让检孔用显微摄像头到达
下一微孔位置，重复执行步骤S102至S105，直至去除所有微孔内污物。
本发明的技术方案利用机器视觉技术定位微孔以及孔内附着物位置，引导清洁通
针通过接触式方式实现微孔内污物自动去除，实现了微孔污物清理的自动化，效率高，解决
了以往用喷气方式无法彻底清洁油性污物，需要人工逐孔进行清理而造成效率低下的问
题。本发明采用机器视觉对微孔内附着污物的位置进行精确定位，使得清洁通针只在污物
位置处执行清理动作，解决了人工清理时无法精确定位污物位置，难以将孔内污物从微孔
壁上分离的问题，提高了微孔污物的清理效率和质量；本发明实现了微孔污物清理的自动
化，解决了人工清理微孔时容易划伤孔壁和孔口表面的问题，延长了喷丝板的使用寿命。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以
通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质
中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁
碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access
Memory，RAM)等。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的
原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术
人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入
本发明的保护范围之内。