基于Halcon的電聲器件焊點(diǎn)定位系統(tǒng)

張 馳，李遠(yuǎn)波，王梅梅，陳 龍

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518052）

基于Halcon的電聲器件焊點(diǎn)定位系統(tǒng)

張 馳1，李遠(yuǎn)波1，王梅梅2，陳 龍1

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518052）

為了解決在電聲器件的自動(dòng)化焊接過(guò)程中所存在的焊點(diǎn)定位精度不高，焊線偏離焊頭等問(wèn)題，介紹了一種基于視覺(jué)軟件HALCON的焊點(diǎn)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含硬件設(shè)計(jì)、圖像處理與運(yùn)動(dòng)控制三部分，首先將采集到的圖像進(jìn)行處理以提取圖像焊點(diǎn)坐標(biāo)，然后通過(guò)坐標(biāo)標(biāo)定將所得到的焊點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系中，最后配合運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行焊點(diǎn)定位。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電聲器件漆包線引線點(diǎn)焊的精確定位。相對(duì)人工焊接方式，采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)后自動(dòng)焊接效率高，焊接質(zhì)量良好，其重復(fù)定位精度可以達(dá)到0.016 mm。

Halcon；圖像處理；坐標(biāo)系標(biāo)定；焊點(diǎn)定位

0 前言

電聲電子元器件的漆包線直徑一般在幾十到幾百微米之間，最初全部依靠人工焊接，焊接效率低，而且工人的熟練程度不同導(dǎo)致焊接的一致性較差[1]；后來(lái)伴隨著工廠自動(dòng)化改造的熱潮，很多生產(chǎn)線開(kāi)始采用運(yùn)動(dòng)控制方式進(jìn)行自動(dòng)化焊接。焊接效率大幅提高，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于治具的磨損以及焊盤(pán)上漆包線引腳的固定位置存在偏差（焊線是柔性的，很難保證固定的方向一致），導(dǎo)致器件焊點(diǎn)的定位精度難以保證，經(jīng)常出現(xiàn)焊線偏離焊頭的現(xiàn)象。為了改善上述弊端，本研究提出了一種機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制相結(jié)合的方法以實(shí)現(xiàn)焊接的精準(zhǔn)定位。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

電聲器件實(shí)物如圖1所示。首先通過(guò)圖像分割技術(shù)得到焊盤(pán)位置，然后使用輪廓提取技術(shù)獲得焊線輪廓，并使其與基準(zhǔn)線（與焊頭在同一水平線上）相交得到焊點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，最后通過(guò)坐標(biāo)系標(biāo)定，將其轉(zhuǎn)換到實(shí)際的空間坐標(biāo)系中。

圖1 微型喇叭

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于機(jī)器視覺(jué)軟件Halcon的焊點(diǎn)定位系統(tǒng)由機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源、光源控制器、PC機(jī)以及光源支架；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括PLC控制器、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌以及器件的工裝治具[2]?；贖alcon的自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)設(shè)備如圖2所示。

圖2 設(shè)備整體實(shí)物

視覺(jué)系統(tǒng)硬件配置如下，相機(jī)：德國(guó)映美精DMK 23G445的CCD相機(jī)（Gige接口的單色工業(yè)相機(jī)），分辨率為130萬(wàn)像素，靶面尺寸1/3英寸，30幀/s；鏡頭：日本Moritex公司生產(chǎn)的非遠(yuǎn)心近攝鏡頭ML-N系列的ML03-181，光學(xué)放大倍率0.3倍，工作距離270 mm，景深5.43 mm，分辨率14.6 μm；光源：紅色同軸光，發(fā)光面50×50；PC機(jī)：處理器Intel（R）Core（TM）i3-4150，安裝內(nèi)存4.00 GB，板載網(wǎng)卡最大網(wǎng)絡(luò)速度1 000 Mbps。

1.3 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖3所示。第一步，調(diào)整光源，直到得到最佳的圖像效果，然后使用CCD相機(jī)采集被測(cè)物體的圖像；第二步，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)千兆網(wǎng)端口將采集到的圖像信息傳輸?shù)絇C機(jī)，并使用圖像采集軟件分析和處理采集到的圖像，最終獲得焊點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)；第三步，將焊點(diǎn)的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系中；第四步，通過(guò)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，將待焊器件移動(dòng)到焊頭下方；第五步，點(diǎn)焊機(jī)控制焊頭對(duì)待焊器件進(jìn)行點(diǎn)焊。

2 圖像處理模塊

2.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理可使圖像更加清晰。突出目標(biāo)區(qū)域的具體要素（形狀、顏色等），并消除不需要的要素（干擾源）。預(yù)處理的方式多種多樣，常見(jiàn)的有均值濾波、中值濾波和銳化濾波。

圖3 總體架構(gòu)及工作流程

均值濾波器是使用濾波器模板確定鄰域內(nèi)像素的平均灰度值來(lái)代替圖像中每個(gè)像素的值，這種處理降低了圖像灰度的“尖銳”變化；中值濾波器是用像素鄰域內(nèi)灰度的中值代替該像素的值，它對(duì)處理脈沖噪聲（例如椒鹽噪聲）非常有效；銳化濾波器的主要目的是突出灰度的過(guò)渡部分，均值處理與積分類(lèi)似，而銳化處理由空間微分來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖像微分可以增強(qiáng)邊緣和其他突變（如噪聲），從而削弱灰度變化緩慢的區(qū)域[3]。

系統(tǒng)采用掩膜大小為3×3的均值濾波器來(lái)做預(yù)處理，其濾波效果如圖4所示。

圖4 濾波效果對(duì)比

2.2 圖像分割

在基于Halcon的焊點(diǎn)定位系統(tǒng)中，分割是為了將ROI區(qū)域從圖像中分離出來(lái)，提高目標(biāo)定位的精準(zhǔn)度，減少處理信息的數(shù)據(jù)量。另外可以通過(guò)Halcon中自帶算子create_ncc_mode將分割出來(lái)的ROI區(qū)域設(shè)置為模板，當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)算子find_ ncc_mode自動(dòng)查找模板區(qū)域。

除此之外，圖像分割還有另外一個(gè)重要應(yīng)用是通過(guò)閾值提取輪廓。求取輪廓的方法多種多樣，常見(jiàn)的有Sobel、Canny、Otsu、Laplace、Robert算子等，本研究采用基于梯度的方法來(lái)得到輪廓信息。要得到圖像的梯度，要求在圖像的每個(gè)像素位置得到偏導(dǎo)數(shù)?f/?x和?f/?y，因?yàn)橄袼氐幕叶戎凳菙?shù)字量，所以要求關(guān)于一個(gè)像素點(diǎn)的鄰域上偏導(dǎo)數(shù)數(shù)值近似。

使用羅伯特交叉梯度算子（Robert[1965]）提取輪廓之后的結(jié)果如圖5所示。

圖5 輪廓提取

2.3 形態(tài)學(xué)處理

在基于halcon的焊點(diǎn)定位系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)預(yù)處理和分割處理之后得到的是分離的輪廓，每一個(gè)獨(dú)立的輪廓都是一個(gè)連通域，形態(tài)學(xué)的處理就是對(duì)這些連通域進(jìn)行處理。像素之間的關(guān)系有三種：4鄰接、8鄰接、混合鄰接。

首先，需要通過(guò)混合鄰接的方式將孤立的輪廓線拼接起來(lái)；其次，通過(guò)特征篩選，將對(duì)拼接之后的輪廓線篩選出目標(biāo)輪廓。在halcon中可以使用select_ shape_xld提取目標(biāo)輪廓，主要使用的特征參數(shù)有circularity，orientation，contlength等，提取結(jié)果如圖6所示。

圖6 得到焊線輪廓

2.4 亞像素提取焊點(diǎn)

為了保證焊點(diǎn)與焊頭在同一個(gè)維度上，首先要根據(jù)焊頭所在的位置做一條基準(zhǔn)線，該基準(zhǔn)線要保證貫穿待焊器件的兩個(gè)焊盤(pán)；然后通過(guò)特征提取得到焊絲兩邊的輪廓，最后使基準(zhǔn)線與其相交，兩個(gè)交點(diǎn)的中點(diǎn)即所求的焊點(diǎn)位置。

3 坐標(biāo)標(biāo)定

通過(guò)圖像處理之后，得到的焊點(diǎn)坐標(biāo)仍是圖像坐標(biāo)，必須經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的坐標(biāo)標(biāo)定將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系中[4]。

在如圖7所示的標(biāo)定模型中，共涉及到3個(gè)坐標(biāo)系——運(yùn)行平臺(tái)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系和焊頭坐標(biāo)系。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系以絲杠導(dǎo)軌復(fù)位時(shí)的零點(diǎn)為原點(diǎn)，以其運(yùn)行方向?yàn)檎?；圖像坐標(biāo)系以圖像的左上角為原點(diǎn)，x方向垂直于導(dǎo)軌的運(yùn)行方向，y方向與導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)方向一致；焊頭的坐標(biāo)系是一維的，以焊頭的中心為原點(diǎn)，x方向與導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖7 標(biāo)定模型

因?yàn)橄鄼C(jī)和焊頭的相對(duì)位置固定不變，所以可以通過(guò)求出圖像y方向的中心和焊頭中心之間的相對(duì)脈沖距離，然后求出焊點(diǎn)和圖像y方向中心的相對(duì)距離，繼而轉(zhuǎn)換得到焊點(diǎn)和焊頭之間的相對(duì)距離[5]。具體方法如下：

（1）運(yùn)動(dòng)平臺(tái)復(fù)位，將鞍點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到焊頭下方，記錄此時(shí)的脈沖P，如圖8中的標(biāo)示。

圖8 鞍點(diǎn)標(biāo)定

（2）將鞍點(diǎn)移動(dòng)到相機(jī)下方，保證在同一視野內(nèi)移動(dòng)兩次，記錄對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)m、m'和圖像坐標(biāo)（xp，yp）、（xp'，yp'），利用點(diǎn)斜式獲得基準(zhǔn)線方程，并求出基準(zhǔn)線與圖像邊緣的交點(diǎn)I1、I2，繼而求出I1I2連線的中點(diǎn)坐標(biāo)O（xO，yO），如圖8所示。

（3）求出脈沖/像素的比值

（4）求出點(diǎn)O（xO，yO）到焊頭中心的脈沖距離MO（見(jiàn)圖7），T1是被測(cè)物運(yùn)動(dòng)到采集位置的絕對(duì)脈沖

（5）求出焊點(diǎn)1、焊點(diǎn)2距離圖像與基準(zhǔn)線交點(diǎn)的中點(diǎn)的脈沖距離

（6）得到焊點(diǎn)1、焊點(diǎn)2運(yùn)動(dòng)到焊頭下方的絕對(duì)脈沖距離

4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)論

實(shí)驗(yàn)使用的精密電阻焊電源是廣東工業(yè)大學(xué)自制的精密點(diǎn)焊電源[6]。電源電壓采用恒電壓模式，最大輸出電壓4.00 V，電壓調(diào)節(jié)精度0.01 V，焊接時(shí)間0～99 ms，時(shí)間調(diào)節(jié)精度1 ms，加壓機(jī)構(gòu)采用彈簧隨動(dòng)式氣動(dòng)加壓機(jī)構(gòu)，電極壓力最大可以設(shè)置為90 oz（24.5 N），無(wú)級(jí)可調(diào)：焊接電壓1.25 V，焊接時(shí)間14 ms，焊接壓力30 oz，保壓時(shí)間200 ms。

焊線直徑為60 μm，焊頭大小0.4 mm×0.6 mm。經(jīng)過(guò)測(cè)算，脈沖/像素=2.411 3 Pulse/Pixel，點(diǎn)O（xO，yO）的像素坐標(biāo)為639.5，脈沖坐標(biāo)為5 102，焊頭中點(diǎn)的脈沖坐標(biāo)為46 550，絲杠導(dǎo)軌的脈沖當(dāng)量為4 μm。

動(dòng)態(tài)重復(fù)性分析見(jiàn)表1。焊點(diǎn)1的脈沖坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差為0.483 046，則依據(jù)六西格瑪原理，焊點(diǎn)1的動(dòng)態(tài)重復(fù)性為2.898 275（單位：Pluse），因?yàn)榻z杠導(dǎo)軌的脈沖當(dāng)量為4 μm，所以動(dòng)態(tài)測(cè)量可達(dá)到的精度為11.593 1 μm；同理，焊點(diǎn)2的脈沖坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差為0.632456，則其動(dòng)態(tài)重復(fù)性為3.794733（單位：Pluse），所以動(dòng)態(tài)測(cè)量可以達(dá)到的精度為15.178 93 μm。

表1 動(dòng)態(tài)重復(fù)性分析

表2 靜態(tài)重復(fù)性分析

靜態(tài)重復(fù)性分析如表2所示，焊點(diǎn)1的脈沖坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.567 646，則其靜態(tài)重復(fù)性為3.405 877（單位：Pluse），所以靜態(tài)測(cè)量精度為13.623 51 μm；焊點(diǎn)2的脈沖坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差為0.471 405，則其靜態(tài)重復(fù)性為2.828 427（單位：Pluse），所以靜態(tài)測(cè)量可達(dá)到的精度為11.313 71 μm。

以上測(cè)量數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)完全滿足精準(zhǔn)的焊點(diǎn)定位要求，焊接效果如圖9所示，焊接接頭美觀，外觀質(zhì)量較優(yōu)。

圖9 焊接效果

[1]賈小麗.基于LabVIEW的微型電感器生產(chǎn)裝備視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2008：1-6.

[2]余文勇，石繪.機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[3]RafaelC，Gonzales，RichardE.Woods.Digital Image Processing，Third Edition[M].America：Publishing House of Electronics Industry，88-99.

[4]白雁兵，高艷.機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)標(biāo)定與計(jì)算方法[J].電子工藝技術(shù)，2007，28（6）：354-357.

[5]李云峰，李長(zhǎng)峰，曲東升.基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的全自動(dòng)微點(diǎn)焊機(jī)器人的研究[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2010（5）：26－28. [6] 李少哲，李遠(yuǎn)波，周磊磊，等.漆包線與銅箔的單面點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)[J].電焊機(jī)，2015，45（4）：26-31.

Welding joint positioning system for electroacoustic device based on Halcon

ZHANG Chi1，LI Yuanbo1，WANG Meimei2，CHEN Long1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；2.Han's Laser Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518052，China）

In order to solve the problems that exist in the process of automatic welding in electroacoustic device，such as low solder joint positioning accuracy，deviation of welding line from its welding head and so on，this paper introduces a HALCON-based welding joint positioning system.And the system includes three parts：hardware design module，image processing module and motion control module.First，visual system processes the collected images，and then transfers solder joint coordinates to motion platform coordinate system through the coordinate calibration，finally finds position with motion controller.Through several tests，it turns out that the precise positioning of solder joints in electroacoustic device enameled wires can be achieved by taking advantage of machine vision techniques.Compared with manual welding，automatic welding is of high efficiency，and can yield high quality welds by using machine vision techniques.Moreover，its repositioning precision can reach as good as 0.016 mm.

Halcon；image processing；coordinate calibration；welding joint positioning

TG409

A

1001－2303（2017）03－0049-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.09

獻(xiàn)

張馳，李遠(yuǎn)波，王梅梅，等.基于Halcon的電聲器件焊點(diǎn)定位系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：49-53.

2016-06-27；

2017-02-22

廣東省微納加工技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（GDMNML2013-05）；非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（201605030007）

張馳（1989—），男，河南鄭州人，在讀碩士，主要從事微連接與精密焊接的研究。