王東升，楊 金 ，鄧 斌，周水清 ，萬(wàn)喜新

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究，石家莊 050051；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究，長(zhǎng)沙 410111)

電子專用設(shè)備研究

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在激光封焊機(jī)中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王東升1，楊 金2，鄧 斌2，周水清2，萬(wàn)喜新2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究，石家莊 050051；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究，長(zhǎng)沙 410111)

在激光封焊機(jī)上引入機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，將圖像坐標(biāo)系統(tǒng)與機(jī)械坐標(biāo)系統(tǒng)建立對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，通過(guò)圖像處理實(shí)現(xiàn)工件表面的焊接接口（焊縫）識(shí)別后，轉(zhuǎn)化成能夠引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，引導(dǎo)激光頭沿焊接軌跡的自動(dòng)對(duì)位和焊接。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在激光封焊機(jī)上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的批量性焊接，大大提高設(shè)備效率與產(chǎn)能。

激光封焊；機(jī)器視覺(jué)；圖像處理；焊縫識(shí)別；批量性焊接

激光封焊機(jī)是一種精密的針對(duì)微組裝技術(shù)的專用氣密性封裝焊接設(shè)備。設(shè)備采用數(shù)控系統(tǒng)（CNC）實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，可根據(jù)工件的接縫形狀，使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控編程G代碼對(duì)焊縫軌跡進(jìn)行編寫(xiě)，由生成工作臺(tái)多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行激光焊接加工。由于焊接工件的差異性，在工作臺(tái)上制作具有共同焊接基準(zhǔn)的通用夾具比較困難，而每次置于工件臺(tái)的位置并不完全重復(fù)，因此每次焊接工件前均要進(jìn)行手動(dòng)基準(zhǔn)對(duì)位和偏轉(zhuǎn)角度補(bǔ)償，使獲得激光加工點(diǎn)與實(shí)際焊縫完全重合。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上激光封焊機(jī)均采用手動(dòng)對(duì)位或機(jī)械對(duì)位方式，存在對(duì)位操作繁瑣，焊接效率低等問(wèn)題，是制約用戶批量生產(chǎn)的一個(gè)瓶頸。

本文在手動(dòng)對(duì)位原理的基礎(chǔ)上，探索一種基于機(jī)器視覺(jué)尋找位置起點(diǎn)和補(bǔ)償偏轉(zhuǎn)角度的方法，采用圖像處理計(jì)算原理和基本的幾何算法，引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)工件產(chǎn)品的自動(dòng)焊接和批量性智能焊接。

1 應(yīng)用原理介紹

1.1 CNC補(bǔ)償原理

為了消除補(bǔ)償修正對(duì)工件初始位置的限制，通常引入CNC系統(tǒng)平面偏置概念和旋轉(zhuǎn)函數(shù)功能，即選擇一旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)以某角度旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，或加工軌跡以某點(diǎn)為中心進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。只要找出工件在相對(duì)于機(jī)械坐標(biāo)系的偏轉(zhuǎn)角度，然后以焊接起點(diǎn)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加工程序，可實(shí)現(xiàn)軌跡的對(duì)位和擬合（見(jiàn)圖1、圖2所示）。

圖1 NC坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能

圖2 以焊接起點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)后軌跡

1.2 視覺(jué)識(shí)別和引導(dǎo)原理

在目標(biāo)加工區(qū)域范圍內(nèi)，將圖像坐標(biāo)系統(tǒng)與機(jī)械坐標(biāo)系統(tǒng)建立對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，通過(guò)圖像處理實(shí)現(xiàn)工件表面的焊接接口（焊縫）識(shí)別后，轉(zhuǎn)化成能夠引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，引導(dǎo)激光頭沿焊接軌跡的自動(dòng)對(duì)位和焊接。目的是采用視覺(jué)識(shí)別定位的方法替代原來(lái)手動(dòng)補(bǔ)償軌跡偏差的方法。圖像處理與計(jì)算功能要求：（1）識(shí)別定位到目標(biāo)焊接起點(diǎn)；（2）自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償工件焊縫位置與激光加工軌跡的角度偏差。視覺(jué)引導(dǎo)定位原理圖如圖3所示。

圖3 視覺(jué)系統(tǒng)引導(dǎo)定位原理

1.3 邊緣檢測(cè)和直線擬合

圖像的邊緣是圖像的最基本特征，邊緣點(diǎn)是指圖像中周圍像素灰度有階躍變化或屋頂變化的哪些像素點(diǎn)，即灰度值導(dǎo)數(shù)較大或極大的地方。常用的邊緣檢測(cè)算子有：梯度算子、高斯-拉普拉斯算子和Canny邊緣檢測(cè)算子。本系統(tǒng)中采用Canny邊緣檢測(cè)算子進(jìn)行圖像邊緣特征提取，是一種抗噪聲干擾和精確定位中最佳折衷方案。

由于邊緣檢測(cè)獲得的邊緣點(diǎn)一般不連續(xù)，必須通過(guò)邊緣連接將它們轉(zhuǎn)換為有意義的邊緣。一般的做法是經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)的圖像進(jìn)一步使用連接技術(shù)，從而將邊緣像素組合成完成的邊緣?；舴颍℉ough）變換是一個(gè)非常重要的檢測(cè)間斷點(diǎn)邊界形狀的方法，本次焊縫直線邊界是采用此方法進(jìn)行檢測(cè)和擬合的。

2 視覺(jué)系統(tǒng)硬件組成

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要由CCD相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)、照明光源等構(gòu)成。在設(shè)備上，視覺(jué)系統(tǒng)的CCD相機(jī)相對(duì)于激光頭旁軸安裝，位置固定。在焊接過(guò)程中，要求光斑與焊縫的偏差不超過(guò)光斑的1/4，我們選用最小光斑直徑為0.3 mm，即偏差不超過(guò)0.3/4=0.075 mm。在實(shí)際過(guò)程中由于還存在縫隙的加工誤差、平臺(tái)定位誤差等，一般要求激光縫焊機(jī)焊接的蓋板和殼體的定位精度為±25 μm，即要求CCD的最小像素精度50 μm；根據(jù)用戶工件常用大小，一般要求CCD的視場(chǎng)為120 mm×90 mm。

視覺(jué)系統(tǒng)主要選型參數(shù)：

（1）相機(jī)。通過(guò)圖像分辨率及視場(chǎng)大小，可推導(dǎo)出CCD的分辨率為：

橫向：120 mm/50 μm=2400

縱向：90 mm/50 μm=1800

因此可采用標(biāo)準(zhǔn)500 W像素CCD，分辨率為2448×2048。在滿足視場(chǎng)要求的情況下，定位精度也能滿足要求，且適合120 mm×90 mm尺寸以下的加工工件。

（2）鏡頭。采用16 mm焦距鏡頭，可滿足視場(chǎng)大小且物距大于250 mm；

（3）光源。進(jìn)行多次打光實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)藍(lán)光漫射光源對(duì)表面縫隙紋路效果最佳；

（4）標(biāo)定板。12×12點(diǎn)矩陣；單元間距10 mm；單元直徑：4 mm，線寬：0.1 mm，定位精度：5 μm。

3 圖像識(shí)別過(guò)程與算法

3.1 坐標(biāo)標(biāo)定和映射

本系統(tǒng)坐標(biāo)系包括兩個(gè)坐標(biāo)系：機(jī)械平臺(tái)的坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系。機(jī)械平臺(tái)坐標(biāo)由X、Y方向運(yùn)行的直線模組垂直相交而成，圖像坐標(biāo)系由像素點(diǎn)組成，在實(shí)際激光焊接過(guò)程中，工件數(shù)控程序代碼都在機(jī)械坐標(biāo)下表示。進(jìn)行焊縫識(shí)別引導(dǎo)焊接加工運(yùn)動(dòng)前，先要將標(biāo)定，標(biāo)定主要目的一是尋找相機(jī)和激光頭之間的對(duì)應(yīng)位置關(guān)系，二是將圖像坐標(biāo)系值轉(zhuǎn)換為實(shí)際焊接坐標(biāo)值，從而把一個(gè)圖像中的坐標(biāo)與實(shí)際加工位置對(duì)應(yīng)起來(lái)，建立起一個(gè)映射關(guān)系。將圖像坐標(biāo)值統(tǒng)一機(jī)械系統(tǒng)坐標(biāo)值，偏于識(shí)別結(jié)果的可讀性和實(shí)用性（如圖4所示）。

圖4 圖像坐標(biāo)在機(jī)械坐標(biāo)下的變換

（1）局部標(biāo)定：采用16點(diǎn)標(biāo)定方法，任一選取當(dāng)前機(jī)械坐標(biāo)位置對(duì)標(biāo)定板進(jìn)行拍照，記錄當(dāng)前標(biāo)定位置f標(biāo)(X0，Y0)。根據(jù)圖像視野的大小將16點(diǎn)均勻分布其中，比對(duì)二者坐標(biāo)，進(jìn)行公式變換，找出空間坐標(biāo)變化關(guān)系，將圖像坐標(biāo)直接用機(jī)械坐標(biāo)下毫米單位值表示。

式中：f相(xi，yi)為轉(zhuǎn)換后機(jī)械坐標(biāo)單位圖像位置點(diǎn)；

F(xi，yi)為圖像坐標(biāo)系位置點(diǎn)。

（2）全局映射：在機(jī)械坐標(biāo)范圍內(nèi)任一區(qū)域拍照?qǐng)D像中點(diǎn) f(x1，y1)中，圖像中坐標(biāo) f相(x0，y0)通過(guò)坐標(biāo)平移可得到，圖像中坐標(biāo)在機(jī)械坐標(biāo)中表示f相(x1，y1)，實(shí)現(xiàn)圖像坐標(biāo)在全范圍內(nèi)的映射關(guān)系。

式中：

f相(x1，y1)為相機(jī)在 f(x1，y1)位置時(shí)，圖像中某點(diǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)械坐標(biāo)的位置點(diǎn)；

f標(biāo)(x0，y0)為標(biāo)定時(shí)相機(jī)的坐標(biāo)位置點(diǎn)；

f相(x0，y0)為該點(diǎn)圖像坐標(biāo)系在標(biāo)定位置時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)械坐標(biāo)位置點(diǎn)；

f(x1，y1)為當(dāng)前拍照相機(jī)的位置。

除鎘反應(yīng)器沸騰層的穩(wěn)定性直接關(guān)系到砷鹽凈化除鎘運(yùn)行成功與否，某公司在引進(jìn)砷鹽凈化專利技術(shù)與專利設(shè)備進(jìn)行工業(yè)實(shí)踐過(guò)程中，融合本公司的實(shí)際情況與OUTOTEC公司的先進(jìn)控制理念，通過(guò)除鎘反應(yīng)器的沸騰層穩(wěn)定性研究得到以下結(jié)論：

3.2 焊縫識(shí)別和直線擬合

在相機(jī)圖像中，選取一張表面焊縫黑白分明，圖像主要特征清晰的圖片建立模板，作為工件焊縫識(shí)別的匹配圖像，然后在相應(yīng)的圖像區(qū)域中尋找焊縫直線邊，計(jì)算其定位參數(shù)，發(fā)送給CNC控制器完成定位和焊接。

工件原圖經(jīng)過(guò)平滑和銳化處理后，基于candy算子進(jìn)行工件圖像邊緣檢測(cè)后，選取特征區(qū)域范圍去除噪聲，然后進(jìn)行Hough直線變換，得到目標(biāo)焊縫特征直線（如圖5所示）。

圖5 焊縫識(shí)別和直線擬合

通過(guò)對(duì)焊縫邊緣提取，鎖定搜索范圍和方向，提取有效邊緣信息，進(jìn)行直線擬合，完成工件邊直線焊縫的識(shí)別。

3.3 焊接起點(diǎn)和偏轉(zhuǎn)角度

通過(guò)焊縫邊緣檢測(cè)和直線擬合，得到相鄰橫邊和豎邊的直線方程為：

橫邊的斜率為k1，其水平夾角θ=arctan(k1)，即為工件偏轉(zhuǎn)角度值。

3.4 數(shù)據(jù)傳遞（和自動(dòng)焊接）

視覺(jué)系統(tǒng)完成對(duì)焊縫位置進(jìn)行識(shí)別和定位，主要參數(shù)包括：識(shí)別結(jié)果，焊接起點(diǎn)坐標(biāo)值（x，y），偏轉(zhuǎn)角度值θ等，將其定位參數(shù)通過(guò)TCP/IP通訊協(xié)議發(fā)送CNC控制系統(tǒng)，結(jié)合預(yù)先編寫(xiě)好的G代碼程序，通過(guò)CNC控制器控制XY軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，完成焊接軌跡與實(shí)際焊縫位置的擬合，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)焊接。以8×8矩陣擺放工件為例，通過(guò)工控機(jī)依次完成每個(gè)工件的識(shí)別和計(jì)算，同時(shí)引導(dǎo)激光焊接加工過(guò)程，焊接質(zhì)量完全合格，效率大大提升。具體流程如圖6所示。

圖6 批量性自動(dòng)焊接過(guò)程示意圖

3.5 誤差消除

（1）恰當(dāng)?shù)恼彰髋c曝光，降低圖像誤差。由于不同批次工件或不同類型工件之間表面顏色、粗糙度、紋理和涂層等影響，在同樣的光照下獲得的圖像質(zhì)量有所差異。恰當(dāng)?shù)恼彰髋c曝光是獲得完美圖像的重要因素，應(yīng)選擇合適的光照角度，避免陰影，避免過(guò)度曝光和光照系統(tǒng)的光線變化，提高成像質(zhì)量，減小圖像誤差。

（2）求平均值計(jì)算偏轉(zhuǎn)角度誤差，降低加工帶來(lái)的誤差。分別將工件四條焊縫直線邊檢測(cè)出，然后進(jìn)行直線擬合，將各邊的角度值提取出來(lái)，分別設(shè)定為 θ1、θ2、θ3、θ4，求其算數(shù)平均值：

角度偏轉(zhuǎn)返回值

將其結(jié)果作為偏轉(zhuǎn)角度傳輸給CNC控制系統(tǒng)，可以消除一定的系統(tǒng)計(jì)算誤差。

4 結(jié)論及展望

（1）此種方法采用工件本身焊縫作為識(shí)別特征，無(wú)需另外增加制作Mark特征的工藝，沒(méi)有增加任何工藝成本，大大提高效率。本設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用于多家微組裝用戶單位，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量可靠。

（2）近些年來(lái)，由于微組裝器件封裝工藝處于平行封焊為主階段，產(chǎn)品逐步向激光焊接封裝過(guò)渡，產(chǎn)品系列產(chǎn)量不大，激光焊接工件應(yīng)用市場(chǎng)上激光封焊機(jī)目前還是手動(dòng)對(duì)位方式為主。隨著激光焊接封裝產(chǎn)品量越來(lái)越來(lái)大，批量性自動(dòng)焊接優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。基于機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)激光封焊機(jī)的批量性自動(dòng)焊接，在設(shè)備市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)中占領(lǐng)重要位置。

（3）在智能制造過(guò)程中，機(jī)器視覺(jué)主要用計(jì)算機(jī)模擬人的視覺(jué)功能，是衡量智能制造技術(shù)發(fā)展水平的重要部分，機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用可推廣至微電子行業(yè)等其他設(shè)備,極大提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 蔡建超.基于相關(guān)特性的數(shù)字圖像去噪方法研究[D].太原：山西大學(xué)，2012.

[2] 康牧.圖像處理中幾個(gè)關(guān)鍵算法的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[3] 王力，王勝華，都東.機(jī)器人焊接軌跡自動(dòng)跟蹤視覺(jué)技術(shù)研究[J].電焊機(jī)，2009，39(4)：27-32.

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Development and Application of Machine Vision System in Laser Welding Device

WANG Dongsheng1，YANG Jin2，DENG Bin2，ZHOU Shuiqing2，WAN Xixin2
(1.The 13thResearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China；2.The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

The introduction of machine vision system in laser machine,will establish the mapping image coordinate system and machine coordinate system,through image processing of welding interface of workpiece surface realization (weld)recognition,into the motion control system can guide the data to guide the laser head along the welding trajectory and welding automatic positioning.The application of machine vision system in laser sealing welding machine has realized the batch welding of products and greatly improved the efficiency and capacity of equipment.

Laser sealing welding；Machine vision；Image processing；Weld recognition；Batch welding

TG439.4

B

1004-4507(2017)05-0041-05

2017-07-24

王東生（1980-），男，河北省石家莊市人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，從事半導(dǎo)體封裝設(shè)備及工藝研究。

楊金（1984-），男，湖南省長(zhǎng)沙市人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備研發(fā)。