基于機器視覺的小家電鎖付裝配系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用*

鄭卓韜，林秋宇，陳新輝，紀秀林，林典欽

（1.汕頭輕工裝備研究院，廣東汕頭 515063；2.汕頭大學工學院，廣東汕頭 515063）

0 引言

在小家電行業(yè)的產(chǎn)品制造過程中，螺絲鎖付是極其重要的一道工序，目前以人工手動螺絲鎖付為主，具有鎖付效率低、人工成本高、裝配精度低等缺點[1]。目前國內(nèi)使用的自動鎖付裝配系統(tǒng)螺紋孔定位絕大多數(shù)采用人工錄入螺紋孔坐標信息的方式，依賴于產(chǎn)品夾具定位精度[2]。大多數(shù)系統(tǒng)生產(chǎn)柔性化程度低，僅適用于形狀規(guī)則單一的產(chǎn)品，而無法實現(xiàn)形狀復(fù)雜不規(guī)則的產(chǎn)品螺紋孔的精確定位[3]。

機器視覺技術(shù)具有檢測效率高、定位精度高和速度快等特點，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車零部件、電子產(chǎn)品等多個行業(yè)的自動裝配[4]。大連理工大學的朱萃等[5]將機器視覺技術(shù)應(yīng)用于微小型組件的精密裝配，實現(xiàn)了表面質(zhì)量差、形狀不規(guī)則的微小型組件的自動裝配。山東大學的韓冰[6]將機器視覺技術(shù)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器應(yīng)用于活塞裝配質(zhì)量檢測，實現(xiàn)了發(fā)動機產(chǎn)品的快速檢測。隨著小家電產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，機器視覺技術(shù)已逐漸應(yīng)用于小家電產(chǎn)品螺絲孔的精密定位中，有效地提高了小家電產(chǎn)品質(zhì)量。

為了提高螺絲鎖付精度和效率，在深入研究小家電產(chǎn)品螺絲鎖付裝配流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合機器視覺技術(shù)，開發(fā)了一種面向小家電的機器視覺自動鎖付裝配設(shè)備，可適用于多種不同形狀的小家電產(chǎn)品螺紋孔的精密定位，并且能夠高效率、高精度地實現(xiàn)小家電產(chǎn)品的螺絲自動裝配。

1 總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的基于機器視覺的自動化螺紋鎖付裝配系統(tǒng)在實現(xiàn)小家電產(chǎn)品螺絲的精密自動過程裝配中的工藝流程如下。

首先，獲取小家電產(chǎn)品的整體圖像并識別出小家電產(chǎn)品螺紋孔的粗略位置；之后工業(yè)相機自動移動至小家電產(chǎn)品螺紋孔的大概位置并進行拍照，識別出螺絲孔的精確位置，同時利用測距傳感器測量產(chǎn)品螺絲孔周邊的高度，并將位置和高度數(shù)據(jù)保存至產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫中；根據(jù)產(chǎn)品螺絲孔的精確定位數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)，移動螺絲鎖付裝置至距離螺紋孔位10 mm 高的位置進行螺絲自動裝配；裝配完成后，接通小家電產(chǎn)品的電源，將相機移動至充電指示燈處拍照，利用圖像處理技術(shù)檢測小家電產(chǎn)品的充電性能。

機器視覺自動鎖付裝配設(shè)備的自動化螺紋鎖付裝配系統(tǒng)包括三軸定位平臺機械機構(gòu)、高精度伺服控制系統(tǒng)和機器視覺定位系統(tǒng)。其中，三軸定位平臺機械結(jié)構(gòu)用于鎖付機構(gòu)走位和螺絲鎖付執(zhí)行兩部分功能，具有較高的重復(fù)定位精度。高精度控制系統(tǒng)采用PC+運動控制卡的控制方案，PC 作為控制系統(tǒng)的中心部分，運動控制卡負責整個控制細節(jié)[7]，用于根據(jù)視覺系統(tǒng)的反饋信息實現(xiàn)螺絲的高精度自動鎖付。同時設(shè)置有測距傳感器測量產(chǎn)品高度，用于防止鎖付高度過高時螺絲鎖付過程飛出；機器視覺定位系統(tǒng)用于準確識別螺絲孔的位置以及檢測充電指示燈是否正常，并將信息反饋至PC。

2 螺絲鎖付系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

螺絲鎖付系統(tǒng)包括螺絲自動上料結(jié)構(gòu)、三軸精密定位平臺和螺絲鎖付執(zhí)行機構(gòu)3 部分，系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。螺絲自動上料機構(gòu)由排料裝置和上料裝置，排料裝置用于將螺絲有序排列，上料裝置采用吹氣的方式將排列整齊的螺絲送至鎖付執(zhí)行機構(gòu)，并設(shè)計有螺紋分離輸送管道，用于防止螺絲上料時卡死。三軸精密定位平臺采用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠螺母副的方式實現(xiàn)精密定位，其上還設(shè)計有通用夾具，夾具上還設(shè)計有回旋夾緊氣缸，用于實現(xiàn)小家電產(chǎn)品的機械定位。螺絲鎖付執(zhí)行機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動的方式，其上安裝有電動螺絲批，由氣缸驅(qū)動螺絲批下降至螺絲孔上方進行鎖付。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

3 螺絲鎖付機器視覺系統(tǒng)硬件設(shè)計

機器視覺系統(tǒng)通常有硬件與軟件組成，硬件一般包括工業(yè)攝像機、鏡頭、圖像采集卡和PC 等[8]。相機、鏡頭和光源的選型直接關(guān)系到機器視覺系統(tǒng)采集得到的圖像質(zhì)量，也直接影響到圖像處理算法的復(fù)雜度[9]。螺絲鎖付機器視覺系統(tǒng)的硬件的合理選型是實現(xiàn)小家電產(chǎn)品螺絲孔精確定位必不可少的條件。由于小家電產(chǎn)品尺寸較大，實現(xiàn)產(chǎn)品的全局拍照對機器視覺系統(tǒng)硬件要求較高，為確保識別精度和降低硬件成本，機器視覺系統(tǒng)采用小范圍局部拍照的形式獲取產(chǎn)品圖像，最后將小視野的圖像拼接成全局圖像。

機器視覺系統(tǒng)采用500 萬像素黑白CMOS 工業(yè)相機，配合焦距為12 mm 的光學鏡頭，物距約為220 mm，相機拍照視野約為140 mm×106 mm，像素精度約為0.04 mm。為減少陰影干擾和確保光照均勻，采用與相機同軸安裝的環(huán)形光源，安裝高度約為155 mm，機器視覺系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 機器視覺系統(tǒng)方案

4 螺絲鎖付機器視覺系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文采用C++軟件編寫程序界面，設(shè)計的程序主界面如圖3 所示。軟件包括視覺系統(tǒng)標定、產(chǎn)品學習、產(chǎn)品管理、精定位識別、歷史記錄查詢、手動模式等功能。產(chǎn)品學習功能用于產(chǎn)品首次裝配時粗略定位產(chǎn)品螺絲孔位并保存至數(shù)據(jù)庫，產(chǎn)品管理用于選擇已完成產(chǎn)品學習保存數(shù)據(jù)的產(chǎn)品類型，精定位識別功能用于產(chǎn)品學習完成后觸發(fā)相機拍照并自動識別孔位顯示在軟件界面上，歷史記錄功能用于保存螺絲孔位錯誤識別的記錄，方便用戶查詢。手動模式用于控制系統(tǒng)各個部件單步動作，用于系統(tǒng)的調(diào)試。

圖3 軟件主界面

軟件使用時，首先進行小家電產(chǎn)品的學習，移動相機沿著預(yù)設(shè)路徑拍攝24 張局部照片，覆蓋至小家電產(chǎn)品的整個范圍，之后利用拼接算法將24 張照片拼接成全局照片，并編寫孔位識別算法識別出螺絲孔的位置，產(chǎn)品學習界面如圖4 所示。由于孔位識別算法是在拼接圖像上進行孔位識別，會存在一定的位置誤差，因此在拼接圖像上識別到的孔位為粗略定位，將粗略定位的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，作為視覺系統(tǒng)精確定位時的拍照位置。同時產(chǎn)品學習界面還需要完成產(chǎn)品充電類型和充電檢測方式的設(shè)置。

圖4 產(chǎn)品學習界面

完成產(chǎn)品學習后即可進入產(chǎn)品管理界面選擇產(chǎn)品進行檢測，產(chǎn)品首次檢測時需要完成產(chǎn)品螺絲孔的精確定位和高度測距，機械手帶動相機移動至螺絲孔的粗略位置進行拍照，利用精確孔位識別算法精確識別螺絲孔位并保存至數(shù)據(jù)庫，同時完成小家電產(chǎn)品的高度測距。

5 螺絲鎖付機器視覺系統(tǒng)算法設(shè)計

螺絲鎖付機器視覺系統(tǒng)算法包括視覺系統(tǒng)標定算法、全局圖像孔位識別算法和局部圖像孔位精確定位算法，其中，視覺系統(tǒng)標定算法用于像素坐標和物理坐標的轉(zhuǎn)換，全局圖像孔位識別算法用于識別拼接后的小家電產(chǎn)品全局圖像的粗略孔位，局部圖像孔位圖像算法用于精確識別小家電產(chǎn)品各個螺絲孔的位置。

5.1 視覺系統(tǒng)標定算法

為將像素坐標轉(zhuǎn)換為物理坐標，必須進行視覺系統(tǒng)的標定。本系統(tǒng)采用的標定方法如下：首先控制相機移動至小家電產(chǎn)品單一螺絲孔的上方，拍照識別出螺絲孔位，記錄當前像素坐標，接著沿著X軸移動1 000個脈沖的距離繼續(xù)識別當前螺絲孔位，記錄當前像素坐標，最后由像素坐標的差值除以1 000個脈沖數(shù)可得到X軸的運動精度。為提高標定精度，沿著X軸多次運動計算像素坐標的差值，取差值的平均值進行計算。Y軸用同樣的方法也可得到運動精度。

要實現(xiàn)小家電產(chǎn)品螺絲孔的視覺定位和自動鎖付，必須精確計算系統(tǒng)中測距傳感器、螺絲刀到孔位的距離補償值，本系統(tǒng)采用視覺定位的方式進行計算。首先，移動相機至小家電產(chǎn)品單一螺絲孔上方，識別出螺絲孔的坐標，根據(jù)相機物理坐標、孔位坐標和運動精度換算出當前孔位的物理坐標，之后移動測距傳感器至螺絲孔位，記錄測距傳感器當前物理坐標，最后移動螺絲刀至孔位上方，記錄螺絲刀當前物理坐標，利用坐標的差值計算出測距傳感器和螺絲刀的距離補償值。視覺標定算法的流程如圖5所示。

圖5 視覺系統(tǒng)標定算法流程

5.2 全局圖像孔位識別算法

產(chǎn)品學習時獲取多幅圖像拼接成一幅完整的全局圖像，用于螺絲孔的粗略定位。螺絲孔孔位粗略識別算法如下：首先，為排除光照不均勻的影響，采用動態(tài)閾值算法提取出孔位區(qū)域，之后將孔位區(qū)域填充完整。為進一步排除周圍環(huán)境的干擾，根據(jù)螺絲孔位的大小采用范圍篩選的方式將指定大小的螺絲孔篩選出來，同時根據(jù)區(qū)域圓度進一步排除非螺絲孔區(qū)域的干擾，最后求取出螺絲孔的行列坐標。

5.3 局部圖像孔位精確定位算法

完成產(chǎn)品螺絲孔的粗略定位后，即可進行產(chǎn)品螺絲孔的精確定位。精確定位時，相機移動至產(chǎn)品粗略定位的上方進行拍照獲取產(chǎn)品局部區(qū)域的圖像。局部圖像的孔位精確定位算法如下：首先建立中心為圖像中心的矩形區(qū)域，排除邊緣區(qū)域的干擾。其次，利用閾值處理選取出孔位區(qū)域，并利用開運算和閉運算排除孔位邊緣毛刺的干擾和填充區(qū)域內(nèi)部孔洞。精確定位的目的是每次僅識別出一個螺絲孔的精確定位，這樣可以進一步提高螺絲孔的識別精度。識別出孔位區(qū)域后，計算每個螺絲孔到圖像中心的像素距離，選取距離圖像中心最近的螺絲孔作為識別到的螺絲孔，并計算其行列坐標。根據(jù)螺絲孔的粗略定位坐標重復(fù)以上步驟，即可完成螺絲孔的精確定位。局部圖像孔位精確定位算法的流程如圖6所示。

圖6 局部圖像孔位精確定位算法

6 設(shè)備調(diào)試

根據(jù)設(shè)備設(shè)計方案，制作出機器視覺鎖付裝配系統(tǒng)并投入生產(chǎn)使用，設(shè)備實物如圖7 所示。試驗證明，機器視覺鎖付裝配系統(tǒng)滿足小家電產(chǎn)品自動裝配的功能要求，能夠精確地完成螺絲孔自動識別、定位、鎖付以及充電性能檢測，可適用于多種小家電產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的自動鎖付裝配系統(tǒng)相比，該設(shè)備能夠精確實現(xiàn)多種不同產(chǎn)品復(fù)雜螺絲孔的精確定位，無須人工錄入螺絲孔坐標信息，極大地提高了螺絲鎖付的生產(chǎn)效率。

圖7 機器視覺鎖付裝配系統(tǒng)實物

7 結(jié)束語

通過分析現(xiàn)有小家電產(chǎn)品人工螺絲鎖付工藝的局限性，制定了面向小家電產(chǎn)品的機器視覺鎖付裝配系統(tǒng)的總體方案，詳細設(shè)計了機器視覺鎖付裝配機的機械結(jié)構(gòu)、運動控制系統(tǒng)、機器系統(tǒng)軟硬件和識別算法，從而實現(xiàn)復(fù)雜形狀的小家電產(chǎn)品螺絲孔位自動識別、定位、鎖付和充電性能檢測。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表明，機器視覺鎖付裝配系統(tǒng)能夠精確識別螺絲孔位，螺絲鎖付最快速度可達38個∕min，螺孔對位精度可達0.1 mm。