陳?ài)玛?李迎欣,葉 敏,魏臣雋,陳偉雄

(上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海 201109)

0 引言

在航天產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中,涉及到大量的微小螺釘連接裝配。傳統(tǒng)的人工裝配螺釘?shù)姆绞焦ぷ餍实汀⒐と说膭趧?dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)品裝配質(zhì)量不穩(wěn)定,難以滿足目前航天產(chǎn)品快速、高質(zhì)量、高可靠的生產(chǎn)需求[1]。因此,有必要采用適應(yīng)性強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)備代替人工進(jìn)行螺釘緊固。

從20世紀(jì)中后期起,國(guó)內(nèi)外學(xué)者就開(kāi)展了自動(dòng)化裝配理論的研究以及自動(dòng)化裝配設(shè)備的研制。國(guó)內(nèi)自動(dòng)化螺釘緊固設(shè)備[2-4]的研制已經(jīng)有一段歷史,取得了一定的成果,特別是在珠三角、長(zhǎng)三角一帶市場(chǎng)需求很旺盛。市場(chǎng)上比較成熟的自動(dòng)化螺釘緊固設(shè)備主要有直角坐標(biāo)機(jī)器人與SCARA(selective compliance assembly robot arm)機(jī)器人。前者性?xún)r(jià)比高,緊固效率高,后者通用性強(qiáng)。但現(xiàn)有的自動(dòng)螺釘緊固設(shè)備對(duì)夾具定位精度要求高,并且通常無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)螺紋孔狀態(tài),也無(wú)法校正螺紋孔位的偏差[5]。對(duì)于螺紋孔分布規(guī)律、螺釘種類(lèi)單一的工況,這些自動(dòng)螺釘緊固設(shè)備可以滿足穩(wěn)定、可靠的緊固要求。然而在復(fù)雜工況下,這些緊固設(shè)備就很難適應(yīng)不同規(guī)格的螺釘,無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確定位。

本文在SCARA 機(jī)器人基礎(chǔ)上,引入視覺(jué)定位技術(shù)對(duì)螺釘進(jìn)行定位補(bǔ)償,開(kāi)發(fā)通用性強(qiáng)、可用于航天產(chǎn)品的微小螺釘自動(dòng)緊固裝配系統(tǒng),并進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

1 螺釘自動(dòng)緊固裝配系統(tǒng)需求分析

選取相控陣天線作為典型產(chǎn)品展開(kāi)研究,相控陣天線冷板局部如圖1所示。冷板上緊密分布了用于裝配螺釘與同軸連接器的通孔,176顆M2小螺釘穿過(guò)冷板,擰入背面發(fā)射/接收(transmitter/receiver,T/R)組件的螺紋孔中,將組件與冷板壓緊,保證散熱性能。

圖1 相控陣天線冷板局部圖

螺釘自動(dòng)緊固裝配系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)冷板上數(shù)百顆小螺釘?shù)淖詣?dòng)緊固,在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)確保裝配可靠性。由于螺釘尺寸較小,且裝配時(shí)周?chē)o密排列著同軸連接器,因此系統(tǒng)要求具有較高的裝配定位精度,通常定位偏差應(yīng)小于0.05 mm。

2 螺釘自動(dòng)緊固裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺釘自動(dòng)緊固裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由SCARA 機(jī)器人、機(jī)械抓手、螺釘供料器和工作臺(tái)等幾部分組成。

圖2 螺釘自動(dòng)緊固裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)工作時(shí),將產(chǎn)品通過(guò)專(zhuān)用的夾持工裝固定在工作臺(tái)上,機(jī)器人攜帶機(jī)械抓手完成初定位,并通過(guò)視覺(jué)定位算法進(jìn)行定位補(bǔ)償。系統(tǒng)對(duì)螺紋孔精確定位后,供料器將螺釘輸送到機(jī)械抓手上的自動(dòng)螺絲槍內(nèi)進(jìn)行緊固。為了滿足通用性使用要求,SCARA 機(jī)器人的工作半徑應(yīng)在0.5 m以上;夾持工裝根據(jù)產(chǎn)品外形進(jìn)行設(shè)計(jì),主要起固定作用,其定位精度要求不高;螺釘供料器選用轉(zhuǎn)盤(pán)式排列,吹氣式上料,并通過(guò)氣管連接到機(jī)械抓手的夾嘴上。

機(jī)械抓手作為核心的執(zhí)行組件,主要由視覺(jué)組件、自動(dòng)螺絲槍與夾嘴等組成。

視覺(jué)組件用于螺紋孔中心位置的定位補(bǔ)償,主要包含一個(gè)高清定焦工業(yè)相機(jī)與一個(gè)有色光源。有色光源用以減小零件材質(zhì)、外部光照等因素影響,盡可能保證照片質(zhì)量一致性,便于視覺(jué)算法檢測(cè)螺紋底孔輪廓。

自動(dòng)螺絲槍根據(jù)螺釘及扭矩要求選取,內(nèi)置精密扭矩及角度傳感器。螺絲槍可分步實(shí)現(xiàn)螺釘緊固,緊固過(guò)程大致包括螺釘尋牙、全長(zhǎng)旋入、定力緊固三個(gè)階段。各個(gè)階段都通過(guò)傳感器記錄旋擰角度及力矩,實(shí)現(xiàn)螺釘緊固過(guò)程的實(shí)時(shí)控制與有效追溯。

夾嘴的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。夾嘴安裝在螺絲槍批頭前,主要由斜管、夾片、繃簧及固定座組成。其工作原理是氣管將螺釘經(jīng)過(guò)夾嘴的螺釘進(jìn)料口(斜管)送至夾嘴內(nèi)腔,螺釘落入到兩片夾片之間,經(jīng)夾片導(dǎo)正,垂直對(duì)準(zhǔn)螺紋孔;螺絲槍批頭下壓螺釘,夾片翻開(kāi),批頭將螺釘送到螺紋孔位鎖付,完成后批頭縮回,繃簧將翻開(kāi)的夾片恢復(fù)至原本狀態(tài)。

圖3 夾嘴結(jié)構(gòu)示意圖

3 視覺(jué)定位技術(shù)

螺紋孔中心位置定位是螺釘自動(dòng)緊固裝配的關(guān)鍵工序之一。利用視覺(jué)技術(shù)對(duì)螺紋孔進(jìn)行智能識(shí)別與定位,并對(duì)機(jī)械臂位置進(jìn)行糾偏補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)木芸煽垦b配?？紤]到螺紋孔外形一致性較高的特點(diǎn),為了提高識(shí)別效率,螺紋孔定位采用基于模板匹配的視覺(jué)定位算法。整個(gè)視覺(jué)定位算法流程包括圖像采集、邊緣檢測(cè)、模板匹配及中心定位等幾個(gè)主要部分。

定位精度作為視覺(jué)定位的關(guān)鍵指標(biāo)之一,直接影響到螺釘自動(dòng)緊固的可靠性。為了提高視覺(jué)定位精度,在確定合適的硬件設(shè)備后,軟件算法需進(jìn)行優(yōu)化。本文采用亞像素邊緣定位方法,提高螺紋孔邊緣定位精度。

亞像素邊緣定位[6]在單像素精確邊緣提取的基礎(chǔ)上進(jìn)行,是一種提高定位精度的有效手段。單像素邊緣提取涉及圖像濾波、圖像分割、邊緣檢測(cè)等視覺(jué)處理方法。

邊緣檢測(cè)采用Canny算法[7],該算法首先利用二維高斯函數(shù)進(jìn)行濾波。二維高斯函數(shù)G(x,y)的表達(dá)式為

式中:x,y為圖像的像素坐標(biāo);σ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

設(shè)f(x,y)為輸入圖像灰度函數(shù),則經(jīng)過(guò)高斯濾波后的圖像

式中:* 為卷積運(yùn)算符。在像素點(diǎn)(x,y)的2×2像素的鄰域內(nèi)計(jì)算其一階偏導(dǎo)數(shù)

像素點(diǎn)(x,y)的梯度幅度M和方向角θ可表示為

該算法再利用非極大抑制法對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行處理,即僅保留同方向鄰域內(nèi)梯度最大的像素點(diǎn),實(shí)現(xiàn)邊緣細(xì)化。最后,設(shè)定梯度閾值,提取邊緣信息,通過(guò)高低閾值過(guò)濾偽邊緣,提高邊緣檢測(cè)的可信度。

以單像素精確邊緣信息為基礎(chǔ),使用鄰域像素的灰度值作為邊緣判斷的補(bǔ)充信息,再利用插值、擬合、矩估計(jì)等方法,可實(shí)現(xiàn)更高精度的亞像素邊緣定位。擬合方法具體可分為兩類(lèi):第一類(lèi)是基于確定的函數(shù)表達(dá)式,利用最小二乘法進(jìn)行擬合;第二類(lèi)是基于邊緣函數(shù)在邊緣點(diǎn)附近的連續(xù)性,進(jìn)行離散的切比雪夫(Chebyshev)多項(xiàng)式擬合。

對(duì)于最小二乘法,根據(jù)圓的一般方程給出誤差函數(shù),求取誤差平方和并令其最小,擬合問(wèn)題轉(zhuǎn)化為包含三個(gè)未知量的多元函數(shù)極值問(wèn)題。誤差函數(shù)f(A,B,C)的表達(dá)式為

式中:min(·)為取最小值函數(shù);n為用于擬合的邊緣像素點(diǎn)數(shù);ei為實(shí)際邊緣像素點(diǎn)坐標(biāo)與擬合圓的距離偏差;xi,yi為實(shí)際邊緣像素點(diǎn)坐標(biāo);A,B,C為擬合圓的一般方程參數(shù)。

對(duì)于Chebyshev多項(xiàng)式擬合法,若僅取初始位置k鄰域的4個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行擬合,則像素點(diǎn)的位置區(qū)間

設(shè)f(x)為圖像x方向灰度函數(shù),利用Chebyshev多項(xiàng)式擬合邊緣曲線并求導(dǎo),在一階導(dǎo)數(shù)最大,即二階導(dǎo)數(shù)為零處的x值,就是當(dāng)前點(diǎn)x方向的亞像素位置Xk。Xk的表達(dá)式為

式中:P2(x),P3(x)分別為2,3 次Chebyshev多項(xiàng)式。

同理,可得到當(dāng)前點(diǎn)y方向的亞像素位置。

兩種方法相比,最小二乘法能夠一次計(jì)算出邊緣圖像邊界,定位快速,但是這種算法要求已知邊緣圖像中像素點(diǎn)的分布表達(dá)式。而Chebyshev多項(xiàng)式擬合法每次計(jì)算只能針對(duì)邊緣圖像的單個(gè)像素進(jìn)行,得到的是單個(gè)像素的亞像素邊緣位置,要完成邊緣的亞像素定位,需要對(duì)邊緣圖像上的所有像素逐一進(jìn)行計(jì)算。因此,Chebyshev 多項(xiàng)式擬合法定位相對(duì)較慢,但定位精度比較高,并且不需要預(yù)知邊緣圖像像素點(diǎn)的分布表達(dá)式。

為了盡可能提高亞像素邊緣定位精度,本文將上述兩種擬合方法相結(jié)合。首先采用Chebyshev 多項(xiàng)式擬合法對(duì)邊緣圖像上的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行亞像素定位,再將得到的結(jié)果代入螺紋孔的圓形輪廓函數(shù)中進(jìn)行最小二乘擬合,確定最終的亞像素邊緣。

基于上述原理開(kāi)發(fā)的程序,可實(shí)現(xiàn)高精度邊緣識(shí)別并進(jìn)行模板匹配,還可根據(jù)不同產(chǎn)品選擇不同配置,實(shí)現(xiàn)模板特征可編輯。為了提高適應(yīng)性,程序還保留了常用參數(shù)的調(diào)整接口,如曝光、調(diào)整縮放、公差參數(shù)、模板匹配度等。對(duì)螺紋孔進(jìn)行識(shí)別定位后,用十字光標(biāo)在操作界面中進(jìn)行標(biāo)識(shí),螺紋孔中心相對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)在程序后臺(tái)進(jìn)行記錄。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

在進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用前,螺釘自動(dòng)緊固裝配系統(tǒng)的視覺(jué)定位精度等核心指標(biāo)需進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。利用該系統(tǒng)對(duì)已進(jìn)行高精度定位、明確坐標(biāo)的螺紋孔進(jìn)行多次檢測(cè),記錄定位結(jié)果,并對(duì)定位偏差進(jìn)行分析?；谝曈X(jué)定位的螺紋孔定位精度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 基于視覺(jué)定位的螺紋孔定位精度測(cè)試結(jié)果

分析表1中數(shù)據(jù),綜合水平面內(nèi)兩個(gè)方向的定位偏差可知,視覺(jué)定位精度優(yōu)于0.02 mm。

以相控陣天線產(chǎn)品為例展開(kāi)實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)。共對(duì)10套產(chǎn)品進(jìn)行了緊固裝配(每套手工預(yù)緊4顆螺釘,其余172顆螺釘自動(dòng)緊固),通過(guò)系統(tǒng)扭矩與轉(zhuǎn)角的測(cè)試結(jié)果以及目視檢驗(yàn)結(jié)果判斷螺釘緊固合格情況,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 相控陣天線螺釘自動(dòng)緊固試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果可知,1 720 顆螺釘僅有8顆緊固不合格,其中2顆未進(jìn)入螺紋孔,6顆未緊固到位,實(shí)際緊固合格率為99.8%。而緊固不合格的8顆螺釘中,有6顆緊固失敗都是來(lái)料問(wèn)題(螺釘、螺紋孔加工缺陷)導(dǎo)致。另外,螺釘自動(dòng)緊固裝配系統(tǒng)的單顆螺釘緊固平均時(shí)間為8.99 s,有效提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

針對(duì)航天產(chǎn)品中大量微小螺釘可靠緊固的需求,本文基于SCARA 機(jī)器人開(kāi)發(fā)了螺釘自動(dòng)緊固裝配系統(tǒng),引入基于亞像素邊緣的視覺(jué)定位技術(shù),對(duì)螺釘裝配定位進(jìn)行精確補(bǔ)償。結(jié)合SCARA 機(jī)器人與視覺(jué)定位技術(shù),所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)具有靈活性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了航天產(chǎn)品微小螺釘?shù)母咝ё詣?dòng)緊固。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,系統(tǒng)的視覺(jué)定位精度優(yōu)于0.02 mm,螺釘緊固合格率高于99.8%。