基于機(jī)器視覺的靜子組件點(diǎn)焊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉濟(jì)銘，劉 沖，劉伊梅，李經(jīng)民，王 港

(1.大連理工大學(xué) 遼寧省微納米及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024;2.中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043)

0 引言

壓氣機(jī)靜子組件的制造精度會(huì)直接影響壓氣機(jī)的工作性能和壽命[1]。靜子組件的加工生產(chǎn)首先需要通過裝配點(diǎn)焊來實(shí)現(xiàn)零件間的連接固定，保證組件的生產(chǎn)精度，為后續(xù)工序的順利進(jìn)行提供保障[2]。目前，壓氣機(jī)靜子組件的點(diǎn)焊過程均由工人依靠人眼觀察焊縫和焊槍的位置并進(jìn)行手工作業(yè)，由于人的主觀作用，容易造成生產(chǎn)效率低、精度無法保證等問題。

近年來，以焊接機(jī)器人為代表的焊接自動(dòng)化技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)提高焊接生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件、穩(wěn)定和保證產(chǎn)品質(zhì)量起到了重要作用[3]。由于機(jī)器人本身在焊接過程中缺少對(duì)外部信息的傳感反饋和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功能[4]，因此無法自主獲得工件定位信息和焊縫位置信息，而視覺信息因方便直觀、易于處理等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為自動(dòng)化焊接領(lǐng)域非常實(shí)用且有前景的傳感手段[5]。通過將機(jī)器人技術(shù)與機(jī)器視覺技術(shù)相結(jié)合來進(jìn)行焊縫識(shí)別定位和焊接作業(yè)，可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度[6]。陳海永等[7]針對(duì)集裝箱薄鋼板對(duì)接焊，研究了基于結(jié)構(gòu)光視覺的圖像特征識(shí)別技術(shù),實(shí)現(xiàn)了焊接起點(diǎn)的識(shí)別與定位。劉明等[8]針對(duì)漆包線電阻點(diǎn)焊過程中人工焊接效率低且焊接效果一致性較差、焊點(diǎn)難以精確定位等問題，設(shè)計(jì)了一種基于視覺的定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了漆包線的自動(dòng)化焊接過程。

本研究采用搭載機(jī)器視覺系統(tǒng)的點(diǎn)焊機(jī)器人代替人工進(jìn)行點(diǎn)焊，重點(diǎn)研究視覺識(shí)別定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)靜子組件焊縫的精確識(shí)別與定位。通過視覺技術(shù)引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人完成特定點(diǎn)焊工作，降低對(duì)夾具位置精度的要求，提高點(diǎn)焊精度、效率和一致性。

1 靜子組件點(diǎn)焊系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本研究的靜子組件點(diǎn)焊系統(tǒng)主要由點(diǎn)焊機(jī)器人、機(jī)器人控制系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 靜子組件點(diǎn)焊系統(tǒng)示意圖

在該系統(tǒng)中，焊接件為已完成定位和夾緊的靜子組件，通過焊裝夾具來保證靜子組件各零件間的定位精度。機(jī)器人負(fù)責(zé)完成靜子組件內(nèi)、外環(huán)的自動(dòng)點(diǎn)焊工作，由于需要有較高的自由度，因此選用6軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人，型號(hào)為KUKA KR10 R1420，額定負(fù)載為10 kg，臂展為1 420 mm。機(jī)器人控制系統(tǒng)選用KUKA標(biāo)準(zhǔn)控制柜，通過編程控制整個(gè)點(diǎn)焊系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)作。視覺系統(tǒng)拍攝靜子組件內(nèi)、外環(huán)焊縫圖像并進(jìn)行處理，通過高精度匹配算法對(duì)焊縫進(jìn)行識(shí)別和定位，通過計(jì)算焊縫偏移量得到靜子組件的準(zhǔn)確位置信息。

系統(tǒng)整體工作流程如下：首先設(shè)置一個(gè)靜子組件初始位置作為基準(zhǔn)，并通過手動(dòng)示教編程引導(dǎo)機(jī)器人記錄初始點(diǎn)焊路徑；然后利用視覺系統(tǒng)計(jì)算實(shí)際工作中靜子組件焊縫相對(duì)于基準(zhǔn)位置的偏移量；最后將偏移量數(shù)據(jù)傳輸給點(diǎn)焊機(jī)器人控制柜，對(duì)機(jī)器人初始點(diǎn)焊路徑進(jìn)行糾正，實(shí)現(xiàn)視覺引導(dǎo)的自動(dòng)化焊接操作。

2 視覺定位系統(tǒng)及方案設(shè)計(jì)

2.1 視覺系統(tǒng)硬件組成

視覺系統(tǒng)作為該點(diǎn)焊系統(tǒng)中用于獲取焊縫位置信息的重要組成部分，對(duì)點(diǎn)焊精度與穩(wěn)定性都起著至關(guān)重要的作用，因此對(duì)視覺系統(tǒng)的研究具有更為重要的意義和價(jià)值。靜子組件點(diǎn)焊系統(tǒng)的視覺系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，其硬件部分主要由視覺控制器、工業(yè)相機(jī)、鏡頭、照明光源、圖像采集卡和I/O接口等組成。

其中，工業(yè)相機(jī)選用海康威視MV-CE200-10GM面陣相機(jī)，采用黑白CMOS傳感器，配有GigE Vision傳輸接口，分辨率為5 472像素×3 648像素，具有良好的抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性；根據(jù)靜子組件的表面形狀特征以及工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，選用MV-LBES紅外面光源；視覺控制器選用VC3000系列，尺寸精簡(jiǎn)，擁有全面的數(shù)據(jù)接口，能夠滿足視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與控制要求。

2.2 攝像機(jī)手眼標(biāo)定

機(jī)器人的手眼系統(tǒng)由相機(jī)和機(jī)器人末端執(zhí)行器構(gòu)成。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中通常將相機(jī)安裝在機(jī)器人末端執(zhí)行器上，進(jìn)而實(shí)時(shí)觀測(cè)攝像機(jī)當(dāng)前視野內(nèi)的工件圖像，避免出現(xiàn)死角和圖像遮蓋現(xiàn)象[9]。攝像機(jī)手眼標(biāo)定是視覺識(shí)別引導(dǎo)機(jī)器人點(diǎn)焊的關(guān)鍵步驟，其主要用于確定攝像機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人基坐標(biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而計(jì)算得出目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)機(jī)器人基坐標(biāo)系的位置[10]，實(shí)現(xiàn)手眼的配合，完成目標(biāo)任務(wù)。

現(xiàn)有的手眼標(biāo)定方法主要分為傳統(tǒng)手眼標(biāo)定法和基于商用視覺庫(kù)的標(biāo)定法兩種[11]。傳統(tǒng)手眼標(biāo)定法主要通過多次變換機(jī)器人末端位姿來建立并求解方程，計(jì)算量和誤差較大；基于商用視覺庫(kù)的標(biāo)定法集成了現(xiàn)有的標(biāo)定算法，使用更加便捷高效，且操作較為簡(jiǎn)單。因此，本文采用基于VisionMaster視覺庫(kù)的九點(diǎn)標(biāo)定法。VisionMaster(以下簡(jiǎn)稱“VM”)是?？低曌灾餮邪l(fā)的視覺開發(fā)平臺(tái)，集成機(jī)器視覺多種算法組件，可快速組合算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件或被測(cè)物的查找、測(cè)量和缺陷檢測(cè)等[12]。

九點(diǎn)標(biāo)定是通過9個(gè)點(diǎn)的像素坐標(biāo)和機(jī)械手坐標(biāo)，求解相機(jī)坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。該標(biāo)定方式的主要原理為：假設(shè)一個(gè)點(diǎn)的像素坐標(biāo)為[x,y,1]，經(jīng)過變換后其對(duì)應(yīng)的機(jī)械手坐標(biāo)為[x′,y′,1]，則可通過矩陣方程將該變換表示為：

(1)

該方程式有6個(gè)變量，若想求出變換矩陣，則至少需要有6個(gè)方程，也就是3組點(diǎn)；當(dāng)點(diǎn)數(shù)大于3組時(shí)，通過最小二乘法擬合出最佳參數(shù)。

2.3 焊縫定位糾偏方案設(shè)計(jì)

視覺系統(tǒng)焊縫定位糾偏的整體工作流程如圖2所示。首先機(jī)器人帶動(dòng)相機(jī)運(yùn)動(dòng)至夾具上方示教位置進(jìn)行第一次拍照，通過對(duì)標(biāo)記點(diǎn)的識(shí)別來判斷夾具是否已到達(dá)指定位置；若到達(dá)指定位置，則機(jī)器人帶動(dòng)相機(jī)運(yùn)動(dòng)至內(nèi)、外環(huán)焊縫前方示教位置進(jìn)行第二次拍照，通過調(diào)用VM平臺(tái)算子計(jì)算焊縫位置的偏移量，若該偏移量未超出閾值，則將該數(shù)據(jù)傳送給機(jī)器人，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行后續(xù)點(diǎn)焊工作。

圖2 視覺系統(tǒng)焊縫定位糾偏工作流程

2.4 焊縫高精度特征匹配

高精度特征匹配是焊縫識(shí)別定位過程的重要步驟之一。由于靜子組件內(nèi)、外環(huán)焊縫圖像的邊緣便于進(jìn)行識(shí)別定位，因此本文采用基于焊縫輪廓邊緣特征的高精度特征匹配方法進(jìn)行定位糾偏。該算法在VM平臺(tái)下的實(shí)現(xiàn)過程如下：首先編輯模板，選擇所需模板區(qū)域，配置好參數(shù)后進(jìn)行模型訓(xùn)練；然后選取感興趣區(qū)域提取實(shí)際焊縫圖像的輪廓邊緣特征信息；最后對(duì)輪廓信息與模板進(jìn)行相關(guān)性比較，圖像與模板的相關(guān)性結(jié)果越大則代表越相似。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證該視覺定位系統(tǒng)焊縫識(shí)別定位的精度和穩(wěn)定性，進(jìn)行了視覺焊縫識(shí)別定位實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。

圖3 機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了獲取清晰的圖像，首先對(duì)相機(jī)的焦距和光圈進(jìn)行調(diào)整，以取得最佳的圖像效果；然后加載標(biāo)定文件，通過示教器控制機(jī)器人末端執(zhí)行器移至夾具正上方和內(nèi)、外環(huán)焊縫前方進(jìn)行拍照；最后通過視覺軟件系統(tǒng)對(duì)焊縫圖像進(jìn)行處理和定位糾偏?；赩M算法開發(fā)平臺(tái)的焊縫定位糾偏實(shí)現(xiàn)步驟與內(nèi)容如表1所示。

表1 基于VM平臺(tái)的焊縫定位糾偏實(shí)現(xiàn)步驟與內(nèi)容

焊縫定位糾偏具體過程如下：①選擇識(shí)別區(qū)域，建立焊縫圖像模板，如圖4(a)所示；②通過高精度匹配算法識(shí)別焊縫位置，并進(jìn)行標(biāo)定轉(zhuǎn)換和變量計(jì)算，得到焊縫位置當(dāng)前值與基準(zhǔn)值的偏差量，如圖4(b)所示；③判斷該偏差量是否超出閾值，若符合要求則將數(shù)據(jù)格式化后發(fā)送給機(jī)器人；④機(jī)器人接收到來自相機(jī)的焊縫定位偏差后，校正初始示教位置并進(jìn)行點(diǎn)焊操作。

圖4 焊縫圖像模板匹配

由于夾具與焊縫在裝夾完成后其位置關(guān)系相對(duì)固定，因此實(shí)驗(yàn)中改變夾具的位置，記錄夾具在x軸方向的實(shí)際位移Δx，并計(jì)算視覺系統(tǒng)與之對(duì)應(yīng)檢測(cè)到的焊縫定位偏移量Δx′，比較Δx與Δx′的誤差值大小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，誤差值變化情況如圖5所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

圖5 誤差值變化情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在焊縫實(shí)際位移量小于±1 mm的情況下，視覺系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的定位糾偏。在遠(yuǎn)離初始焊縫位置(大于±2 mm)的地方，由于靜子組件內(nèi)、外環(huán)為弧面，相機(jī)到焊縫的拍攝距離發(fā)生變化，而機(jī)器人手眼標(biāo)定的過程始終以初始焊縫的位置為基準(zhǔn)，所以標(biāo)定不再適用，進(jìn)而導(dǎo)致視覺定位偏移量與焊縫實(shí)際位移的誤差值較大。但在實(shí)際工作過程中，由于夾具定位的限制，焊縫距離初始位置的位移量小于±1 mm，因此能夠滿足較高的精度要求。最后，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M點(diǎn)焊工作過程，沿x軸方向移動(dòng)夾具,觀察系統(tǒng)對(duì)該偏差的識(shí)別和糾正，實(shí)驗(yàn)過程如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在靜子組件發(fā)生較小位置變化的情況下，該點(diǎn)焊系統(tǒng)依然能夠準(zhǔn)確引導(dǎo)焊槍定位到焊點(diǎn)處，說明視覺系統(tǒng)能夠?qū)σ欢ǚ秶鷥?nèi)靜子組件的位置變化進(jìn)行糾偏校正，提高了點(diǎn)焊系統(tǒng)的精度與穩(wěn)定性。

圖6 點(diǎn)焊模擬實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化點(diǎn)焊系統(tǒng),重點(diǎn)對(duì)其視覺系統(tǒng)進(jìn)行了分析和研究，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了視覺系統(tǒng)能夠有效定位識(shí)別焊縫并進(jìn)行糾偏計(jì)算，在一定范圍內(nèi)具有較高的精度。該方法能夠?qū)c(diǎn)焊機(jī)器人初始點(diǎn)焊路徑進(jìn)行糾正，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行精確的焊接作業(yè)，有效替代人工焊接，提高了生產(chǎn)效率和精度，對(duì)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊過程自動(dòng)化具有一定參考價(jià)值。