摘 要：隨著中國經(jīng)濟發(fā)展與人口紅利的剪刀差越來越擴大，工業(yè)制造領(lǐng)域人工成本的不斷上升，更多、更廣泛地使用機器人是我國工業(yè)的突破方向，同時對機器人的智能化要求會越來越高。

關(guān)鍵詞：LED；裝配系統(tǒng)；視覺檢測

中圖分類號：TP391.4

近年來，機器視覺系統(tǒng)技術(shù)日臻成熟?；跈C器視覺的裝配、測量技術(shù)被不斷地運用于電子、機械產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中。與傳統(tǒng)機器人或程序控制機械手裝配相比較，基于機器視覺的生產(chǎn)加工系統(tǒng)檢測、控制、裝配更加準確、精確，自動生產(chǎn)系統(tǒng)更加柔性。由視覺控制機器人將進一步向智能化、移動化方向發(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，分別進行自動裝配后再組合。自動裝配線集：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、產(chǎn)品通電試驗、合格品置放、裝配質(zhì)量評價于一體。

圖1 新型LED燈具自動裝配布局圖

1 本裝配系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮的問題主要有下列四個方面

（1）裝配艙空間有限，各種機械設(shè)備分布比較緊湊，如何制定合理的控制策略來控制運動路線與時序，合理設(shè)計視覺系統(tǒng)架構(gòu)，協(xié)調(diào)運動控制模塊獲取正確的空間坐標信息，實現(xiàn)有限空間內(nèi)各運動機構(gòu)的互不干涉，確保證自動裝配線設(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)計合理的圖像處理方法和硬件控制策略實現(xiàn)多零（組）件正確識別、動態(tài)測量定位，如實還原零件和工序中間目標真實形貌，提取真實邊界為機器人提供正確的運動參數(shù)；

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

（4）如何制定合理的識別和裝配策略，使后續(xù)零件在分別識別特征邊界后能夠?qū)崿F(xiàn)正確定位和安裝，使下一步裝配能夠順利進行；各裝配零件特征邊界在裝配時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策略來提高測量、裝配、測試精度與效率。

2 LED燈具自動裝配系統(tǒng)的控制策略

基于上述問題，本課題確定的如下主要對策：

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

圖2 裝配艙內(nèi)景及載具

（2）研究了零（組）件識別定位方式。系統(tǒng)的定位精度由高精度載具、傳送鏈高精度定位塊來保證，并在載具上的高精度特殊標識來配合機器視覺識別，針對上述定位措施，設(shè)計調(diào)試各工序工位的圖像處理，提取目標器件特征邊緣點，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、缺陷點，提高了裝配工件的識別定位精度。

（3）固定的機器視覺系統(tǒng)，解決了機器視覺系統(tǒng)視場狹小，但零件尺寸跨度較大的矛盾。釆用“先看-后動”的視覺控制和自校正策略實現(xiàn)待裝件及載具的測量、對準操作。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)中的坐標系組成?；卺樋讛z像機模型對視覺系統(tǒng)空間分辨率進行了線性標定，標定板采用復(fù)合OpenCV標定模板，實現(xiàn)了裝配系統(tǒng)的自動標定，提高零部件裝配的成功率。

（4）機器視覺選擇HALCON作為處理核心，HALCON包含了一套交互式的程序設(shè)計接口HDevelop，可在其中以HALCON程序代碼直接編寫、修改、執(zhí)行程序，并且可以查看計算過程中的所有變量，HDevelop同時和數(shù)百個范例程序連結(jié)。HALCON不限制取像設(shè)備，可以利用HALOCN開放性的架構(gòu)，自行編寫DLL文件和系統(tǒng)連接。并實現(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)計時主要方法

（1）系統(tǒng)采用了大行程、高精度運動模塊——載具，絕對定位精度為1μm，重復(fù)定位精度為2μm，旋轉(zhuǎn)封裝平臺的回轉(zhuǎn)精度為0.0025o，保證高精度裝配動作的實現(xiàn)，機器視覺模塊相機鏡頭畸變率在0.1%以下，在現(xiàn)實作業(yè)中可以忽略鏡頭光學畸變引起的圖像誤差。

（2）采用了機械式夾鉗和真空吸附式夾鉗組合方式實現(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）件裝配運動過程中的穩(wěn)定性。

（3）機器人采用了力學參數(shù)反饋的裝配控制策略，在裝配過程中對夾持裝配力和力矩實時監(jiān)控，當探測到裝配力超過設(shè)定閾值時即進行中斷作業(yè)保護，同時報警，保證機器人執(zhí)行機構(gòu)的安全。

（4）本課題裝配線對系統(tǒng)運動軌跡及動作時序進行了優(yōu)化設(shè)計，采用SMEMA通信協(xié)議，克服了空間、時間局限性引起的運動模塊之間干涉，保證系統(tǒng)硬件設(shè)備的安全性。

4 自動裝配系統(tǒng)工作描述

在項目中將機器視覺技術(shù)引入LED照明產(chǎn)品的自動精密裝配領(lǐng)域，利用電腦、工業(yè)攝像機、顯卡、光源等組成機器視覺模塊獲取目標零件及周圍環(huán)境的信息，經(jīng)過圖像處理。實現(xiàn)目標零件的識別和定位，系統(tǒng)的準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)標準資訊供識別和定位，從而控制機器人完成對零（組）件的攝取、目標位尋的、定位、姿態(tài)調(diào)整和裝配等過程。

以承擔激光封裝工序的3號艙為例，裝配空間位于工作艙中央，2臺機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、700mm物料托盤等位于機器人手臂的運動范圍。在PLC和機器視覺的雙重保證下，仿生于工人傳統(tǒng)的裝配方式，采用了組（零）件攝取——目標確定——位姿調(diào)整——定位裝配的高效裝配步驟，首先由機械手運動至傳送鏈上方，用真空吸盤抓取待組裝組件，然后根據(jù)本工序的工藝庫獲取位置、標準等信息，經(jīng)后臺圖像處理后獲得圖像位姿信息，反饋給機器人和運動平臺后進行協(xié)調(diào)動作對準，整個裝配作業(yè)中貫穿了位置控制、力控制、力矩控制和時間控制模塊，保證裝配過程的準確、穩(wěn)定和高效。

5 視覺檢測系統(tǒng)主要構(gòu)成

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

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

圖3 攝像機調(diào)整后的圖像效果

圖4 視覺軟件圖像處理結(jié)果

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

各工序的作業(yè)流程是首先相機將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，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；圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來提取目標的特征，如：形狀特點、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、組合件和裝配實圖的特征通過學習模塊輸入系統(tǒng)，記錄于數(shù)據(jù)庫。為機器視覺識別提供標準與基礎(chǔ)。

最后，運用機器視覺的自動、客觀、非接觸、自我補償?shù)奶攸c，發(fā)揮機器視覺的精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。在生產(chǎn)過程中的測量、檢查和辨識，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)。用機器視覺實現(xiàn)對機器人動作（時間、軌跡）的控制，來提升機器人的智能化，在工程應(yīng)用方面具有引導(dǎo)意義。

通過上述各項措施，新型LED燈泡裝配線的機器視頻系統(tǒng)、總線系統(tǒng)與與多臺四軸機器人、執(zhí)行機構(gòu)、鏈式傳送機構(gòu)、裝備夾持平臺有效而無干涉地協(xié)調(diào)運行，通過時間節(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)品一次通過率達到了新的高度。為行業(yè)探索機器人和視覺識別技術(shù)，推進生產(chǎn)設(shè)備自動化高效、優(yōu)質(zhì)途徑。

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作者簡介：褚樂添（1988-），男，上海人，本科，研究方向：ERP（企業(yè)智能計劃調(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、數(shù)據(jù)庫與智能信息管理、網(wǎng)絡(luò)存儲。

作者單位：上海交通大學自動化系，上海 200030