基于機(jī)器視覺(jué)的LED燈具自動(dòng)裝配線

摘 要：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口紅利的剪刀差越來(lái)越擴(kuò)大，工業(yè)制造領(lǐng)域人工成本的不斷上升，更多、更廣泛地使用機(jī)器人是我國(guó)工業(yè)的突破方向，同時(shí)對(duì)機(jī)器人的智能化要求會(huì)越來(lái)越高。

關(guān)鍵詞：LED；裝配系統(tǒng)；視覺(jué)檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP391.4

近年來(lái)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)技術(shù)日臻成熟?；跈C(jī)器視覺(jué)的裝配、測(cè)量技術(shù)被不斷地運(yùn)用于電子、機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中。與傳統(tǒng)機(jī)器人或程序控制機(jī)械手裝配相比較，基于機(jī)器視覺(jué)的生產(chǎn)加工系統(tǒng)檢測(cè)、控制、裝配更加準(zhǔn)確、精確，自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)更加柔性。由視覺(jué)控制機(jī)器人將進(jìn)一步向智能化、移動(dòng)化方向發(fā)展。

筆者單位2012年研發(fā)了等效75瓦白熾燈的新款SlimStyle LED節(jié)能燈泡。為提高新型燈具的裝配效率與質(zhì)量，我們研發(fā)了自動(dòng)裝配線。

待裝配產(chǎn)品為發(fā)光板、控制電路、外殼、燈頭部分，分別進(jìn)行自動(dòng)裝配后再組合。自動(dòng)裝配線集：LED零件整備、部件裝配、整燈封裝、產(chǎn)品激光噴碼、外觀品質(zhì)檢測(cè)、產(chǎn)品通電試驗(yàn)、合格品置放、裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)于一體。

圖1 新型LED燈具自動(dòng)裝配布局圖

1 本裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的問(wèn)題主要有下列四個(gè)方面

（1）裝配艙空間有限，各種機(jī)械設(shè)備分布比較緊湊，如何制定合理的控制策略來(lái)控制運(yùn)動(dòng)路線與時(shí)序，合理設(shè)計(jì)視覺(jué)系統(tǒng)架構(gòu)，協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制模塊獲取正確的空間坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)有限空間內(nèi)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的互不干涉，確保證自動(dòng)裝配線設(shè)備的安全；

（2）零（組）件形狀各異，尺寸跨度大，裝配工藝要求各異，定位特征分布多樣，如何設(shè)計(jì)合理的圖像處理方法和硬件控制策略實(shí)現(xiàn)多零（組）件正確識(shí)別、動(dòng)態(tài)測(cè)量定位，如實(shí)還原零件和工序中間目標(biāo)真實(shí)形貌，提取真實(shí)邊界為機(jī)器人提供正確的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；

（3）裝配過(guò)程中涉及多重定位坐標(biāo)及基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，必須確定合理的轉(zhuǎn)換策略，使前序零（組）件裝配基準(zhǔn)和后續(xù)零件裝配基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一；基準(zhǔn)變換后，如何保證新基準(zhǔn)的穩(wěn)定性，使后續(xù)零件能夠在正確的空間坐標(biāo)下進(jìn)行裝配；

（4）如何制定合理的識(shí)別和裝配策略，使后續(xù)零件在分別識(shí)別特征邊界后能夠?qū)崿F(xiàn)正確定位和安裝，使下一步裝配能夠順利進(jìn)行；各裝配零件特征邊界在裝配時(shí)和裝配后還有可能出現(xiàn)遮擋或陰影，如何制定合適的檢測(cè)策略來(lái)提高測(cè)量、裝配、測(cè)試精度與效率。

2 LED燈具自動(dòng)裝配系統(tǒng)的控制策略

基于上述問(wèn)題，本課題確定的如下主要對(duì)策：

（1）根據(jù)裝配任務(wù)，制定了零（組）件裝配策略，自動(dòng)裝配線采用模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品逐級(jí)分艙預(yù)裝，使得每個(gè)工序任務(wù)盡可能簡(jiǎn)化甚至單一。又針對(duì)性地選用合適的圖像處理定位方式，降低零件邊緣的誤識(shí)別率。

圖2 裝配艙內(nèi)景及載具

（2）研究了零（組）件識(shí)別定位方式。系統(tǒng)的定位精度由高精度載具、傳送鏈高精度定位塊來(lái)保證，并在載具上的高精度特殊標(biāo)識(shí)來(lái)配合機(jī)器視覺(jué)識(shí)別，針對(duì)上述定位措施，設(shè)計(jì)調(diào)試各工序工位的圖像處理，提取目標(biāo)器件特征邊緣點(diǎn)，再基于優(yōu)化的最小二乘法直線和圓擬合原理，逐步剔除零件邊緣中的干擾點(diǎn)、缺陷點(diǎn)，提高了裝配工件的識(shí)別定位精度。

（3）固定的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，解決了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)視場(chǎng)狹小，但零件尺寸跨度較大的矛盾。釆用“先看-后動(dòng)”的視覺(jué)控制和自校正策略實(shí)現(xiàn)待裝件及載具的測(cè)量、對(duì)準(zhǔn)操作。分析了裝配系統(tǒng)硬件模型，根據(jù)各模塊的功能和位置關(guān)系，確定各分系統(tǒng)中的坐標(biāo)系組成。基于針孔攝像機(jī)模型對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)空間分辨率進(jìn)行了線性標(biāo)定，標(biāo)定板采用復(fù)合OpenCV標(biāo)定模板，實(shí)現(xiàn)了裝配系統(tǒng)的自動(dòng)標(biāo)定，提高零部件裝配的成功率。

（4）機(jī)器視覺(jué)選擇HALCON作為處理核心，HALCON包含了一套交互式的程序設(shè)計(jì)接口HDevelop，可在其中以HALCON程序代碼直接編寫(xiě)、修改、執(zhí)行程序，并且可以查看計(jì)算過(guò)程中的所有變量，HDevelop同時(shí)和數(shù)百個(gè)范例程序連結(jié)。HALCON不限制取像設(shè)備，可以利用HALOCN開(kāi)放性的架構(gòu)，自行編寫(xiě)DLL文件和系統(tǒng)連接。并實(shí)現(xiàn)高度模塊化，具有一定可移植性。

3 根據(jù)以上原則，本系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計(jì)時(shí)主要方法

（1）系統(tǒng)采用了大行程、高精度運(yùn)動(dòng)模塊——載具，絕對(duì)定位精度為1μm，重復(fù)定位精度為2μm，旋轉(zhuǎn)封裝平臺(tái)的回轉(zhuǎn)精度為0.0025o，保證高精度裝配動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，機(jī)器視覺(jué)模塊相機(jī)鏡頭畸變率在0.1%以下，在現(xiàn)實(shí)作業(yè)中可以忽略鏡頭光學(xué)畸變引起的圖像誤差。

（2）采用了機(jī)械式夾鉗和真空吸附式夾鉗組合方式實(shí)現(xiàn)零（組）件夾取和裝配，即保證零件裝配的柔性，防止零件誤差引起的零（組）件和夾鉗損壞，選擇較高的夾鉗主架的剛度，保證零（組）件裝配運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

（3）機(jī)器人采用了力學(xué)參數(shù)反饋的裝配控制策略，在裝配過(guò)程中對(duì)夾持裝配力和力矩實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)探測(cè)到裝配力超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)即進(jìn)行中斷作業(yè)保護(hù)，同時(shí)報(bào)警，保證機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全。

（4）本課題裝配線對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡及動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用SMEMA通信協(xié)議，克服了空間、時(shí)間局限性引起的運(yùn)動(dòng)模塊之間干涉，保證系統(tǒng)硬件設(shè)備的安全性。

4 自動(dòng)裝配系統(tǒng)工作描述

在項(xiàng)目中將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)引入LED照明產(chǎn)品的自動(dòng)精密裝配領(lǐng)域，利用電腦、工業(yè)攝像機(jī)、顯卡、光源等組成機(jī)器視覺(jué)模塊獲取目標(biāo)零件及周圍環(huán)境的信息，經(jīng)過(guò)圖像處理。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)零件的識(shí)別和定位，系統(tǒng)的準(zhǔn)備階段是將所有基礎(chǔ)件、元器件、各裝配工序前后等圖形在實(shí)際作業(yè)環(huán)境下輸入系統(tǒng)，在裝配作業(yè)階段，系統(tǒng)根據(jù)工位、工序調(diào)取系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)資訊供識(shí)別和定位，從而控制機(jī)器人完成對(duì)零（組）件的攝取、目標(biāo)位尋的、定位、姿態(tài)調(diào)整和裝配等過(guò)程。

以承擔(dān)激光封裝工序的3號(hào)艙為例，裝配空間位于工作艙中央，2臺(tái)機(jī)器人固定垂掛在工作艙頂部，流水線傳送鏈及載具、8工位旋轉(zhuǎn)裝配平臺(tái)、700mm物料托盤(pán)等位于機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)范圍。在PLC和機(jī)器視覺(jué)的雙重保證下，仿生于工人傳統(tǒng)的裝配方式，采用了組（零）件攝取——目標(biāo)確定——位姿調(diào)整——定位裝配的高效裝配步驟，首先由機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至傳送鏈上方，用真空吸盤(pán)抓取待組裝組件，然后根據(jù)本工序的工藝庫(kù)獲取位置、標(biāo)準(zhǔn)等信息，經(jīng)后臺(tái)圖像處理后獲得圖像位姿信息，反饋給機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)后進(jìn)行協(xié)調(diào)動(dòng)作對(duì)準(zhǔn)，整個(gè)裝配作業(yè)中貫穿了位置控制、力控制、力矩控制和時(shí)間控制模塊，保證裝配過(guò)程的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和高效。

5 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)主要構(gòu)成

由工控機(jī)，光源，頻閃電源控制器，CCD數(shù)字相機(jī)，工業(yè)鏡頭等組成。攝像機(jī)采用SVS ECO655網(wǎng)卡相機(jī)，分辨率2448 x 2050，圖像傳輸速度達(dá)到 10幀/s 。

根據(jù)視野要求，產(chǎn)品與鏡頭的距離，相機(jī)芯片尺寸大小，選擇合適的鏡頭。鏡頭焦距計(jì)算出約為18mm，搭配2/3″芯片的相機(jī)，在滿足裝配零件的視野內(nèi)，工作距離約為200mm。安裝好相機(jī)，鏡頭后，在機(jī)器視覺(jué)軟件的配合下，微調(diào)相機(jī)位置，鏡頭延展環(huán)，工件，光源（包含曝光時(shí)間），機(jī)械手抓取被測(cè)工件位置等多方面的空間位置，直至圖像對(duì)比度達(dá)到最優(yōu)效果。

圖3 攝像機(jī)調(diào)整后的圖像效果

圖4 視覺(jué)軟件圖像處理結(jié)果

圖中綠色標(biāo)記表示邊緣檢測(cè)出的像素點(diǎn)。這些點(diǎn)可以擬合成圓形并計(jì)算出圓心。黃色的標(biāo)記點(diǎn)也是檢出的邊緣像素點(diǎn)，用以計(jì)算裝配工件的方位和角度。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)后處理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給機(jī)器人處理器，從而實(shí)現(xiàn)“先看一后動(dòng)”裝配策略。

各工序的作業(yè)流程是首先相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)提取目標(biāo)的特征，如：形狀特點(diǎn)、幾何尺寸、相互位置、角度等。

其次按照預(yù)設(shè)的條件或容許度輸出結(jié)果。對(duì)于本特定的裝配系統(tǒng)，就是將需裝配的元器件、組合件和裝配實(shí)圖的特征通過(guò)學(xué)習(xí)模塊輸入系統(tǒng)，記錄于數(shù)據(jù)庫(kù)。為機(jī)器視覺(jué)識(shí)別提供標(biāo)準(zhǔn)與基礎(chǔ)。

最后，運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)、客觀、非接觸、自我補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，發(fā)揮機(jī)器視覺(jué)的精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的可靠性。在生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)量、檢查和辨識(shí)，如：產(chǎn)品裝配完整性，裝配尺寸高精度。在某種程度的智能在特定的環(huán)境下完成特定的高速、精密裝配任務(wù)。用機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人動(dòng)作（時(shí)間、軌跡）的控制，來(lái)提升機(jī)器人的智能化，在工程應(yīng)用方面具有引導(dǎo)意義。

通過(guò)上述各項(xiàng)措施，新型LED燈泡裝配線的機(jī)器視頻系統(tǒng)、總線系統(tǒng)與與多臺(tái)四軸機(jī)器人、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、鏈?zhǔn)絺魉蜋C(jī)構(gòu)、裝備夾持平臺(tái)有效而無(wú)干涉地協(xié)調(diào)運(yùn)行，通過(guò)時(shí)間節(jié)拍的優(yōu)化，使得生產(chǎn)效率、設(shè)備綜合效率、操作工人數(shù)、產(chǎn)品一次通過(guò)率達(dá)到了新的高度。為行業(yè)探索機(jī)器人和視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，推進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化高效、優(yōu)質(zhì)途徑。

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作者簡(jiǎn)介：褚樂(lè)添（1988-），男，上海人，本科，研究方向：ERP（企業(yè)智能計(jì)劃調(diào)度）與現(xiàn)代物流；朱蘭娟，女，上海人，博士，副教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)與智能信息管理、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)。

作者單位：上海交通大學(xué)自動(dòng)化系，上海 200030