機(jī)器人視覺技術(shù)在電路貼裝生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

劉振國，曹 翀，郭 瑞，曹云翔，金武飛

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

在電子產(chǎn)品大規(guī)模貼裝生產(chǎn)中，主流生產(chǎn)方式是采用貼片機(jī)，但是貼片機(jī)目前無法實(shí)現(xiàn)腔體類工件內(nèi)部的貼裝與檢測。隨著機(jī)器視覺技術(shù)日趨成熟，因其獲取的信息量大、更直接反應(yīng)工件的位置偏差狀況[1]，將其與機(jī)器人集成一體，這為上述問題提供了有效的解決途徑。因而在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化貼裝的過程中，如何將視覺技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)準(zhǔn)確、可靠集成，使圖像分析結(jié)果參與機(jī)器人的控制決策[2]是解決此問題的關(guān)鍵。從某種程度上講，二者融合是衡量設(shè)備智能化水準(zhǔn)的一個(gè)主要標(biāo)志。

1 貼裝機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成與功能

通常機(jī)器人與視覺系統(tǒng)搭建的智能工作站，根據(jù)視覺系統(tǒng)安裝的位置不同，主要可歸結(jié)為以下兩種[3,4]：

1）移動式：視覺系統(tǒng)直接安裝在機(jī)器人法蘭上，與執(zhí)行手爪設(shè)計(jì)為一體。該系統(tǒng)的典型特點(diǎn)是柔性更大，借助機(jī)器人的可達(dá)半徑，在較大范圍內(nèi)可對不同工件進(jìn)行識別定位，特別適合裝配貼裝領(lǐng)域。

2）固定式：視覺系統(tǒng)安裝在外部機(jī)架上，不直接安裝在機(jī)器人上。該系統(tǒng)的典型特點(diǎn)是特別適合機(jī)器人僅作為準(zhǔn)確拾取工件的場合。與移動式相比，若達(dá)到既準(zhǔn)確拾取又精確裝配的目標(biāo)，通常需配置多臺固定相機(jī)且分布在不同位置，故投資成本較大。

針對腔體類工件貼裝的典型問題，本文構(gòu)建了一套移動式視覺導(dǎo)引機(jī)器人系統(tǒng)，主要由1臺6軸工業(yè)機(jī)器人，1套Cognex視覺系統(tǒng)，1支可控LED光源，1套機(jī)器人專用手爪，1套PLC控制系統(tǒng)等組成，其中機(jī)器人末端工具如圖1所示?；诒鞠到y(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)如下關(guān)鍵功能：

1）自動計(jì)算各電路位置偏差，準(zhǔn)確地定位電路并可識別電路；

2）將偏差準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的運(yùn)動補(bǔ)償量，可靠地抓取電路；

3）自動計(jì)算殼體位置偏差，將電路準(zhǔn)確地貼裝到殼體內(nèi)部；

4）對貼裝后各電路的相對位置進(jìn)行AOI檢測與判斷。

圖1 機(jī)器人末端工具

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 坐標(biāo)系標(biāo)定

機(jī)器人側(cè)坐標(biāo)系應(yīng)合理選取殼體與電路的特征位置，通過示教準(zhǔn)確建立工件坐標(biāo)系，本文建立的坐標(biāo)系如圖2(a)所示。相機(jī)側(cè)主要是指相機(jī)坐標(biāo)系的建立與參數(shù)標(biāo)定，本文選用2mm靶紙進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如圖2(b)。注意工件坐標(biāo)系方向須與相機(jī)坐標(biāo)系x、y方向一致。

圖2 工件坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系標(biāo)定

2.2 圖像信息處理

圖像信息處理是本系統(tǒng)的核心，直接關(guān)系到系統(tǒng)的貼裝精度。在盡可能保證獲取高質(zhì)量灰度圖像的前提下，充分利用圖像預(yù)處理、圖像分割與增強(qiáng)、特征提取等手段，提取所需特征信息。需要強(qiáng)調(diào)的是，在獲取圖像前要充分考慮實(shí)際工件背景，選取合適的背光[5]。本案中工件為鋁合金殼體，電路為深棕色附金色印制線，綜合分析后選用白色背光。獲取的電路與工件圖像如圖3所示。

圖3 電路與殼體原始圖像

處理電路圖像前，必須要確定所提取的特征信息（本例中為兩線交叉點(diǎn)），圍繞此特征進(jìn)行分析處理。先建立一個(gè)搜索定位模板，模板選擇時(shí)必須取一個(gè)能代表此種電路的唯一性圖案。模板選定后，對獲取的一幀圖像可快速準(zhǔn)確地搜索到感興趣的窗口區(qū)域。待窗口確定后，為進(jìn)一步提高圖像處理的效率，同時(shí)結(jié)合圖像的自身特點(diǎn)，在此窗口中進(jìn)一步分割小窗口。對本案而言擬提取的特征信息為電路的線性偏差與角度偏差，因此可選定電路的一個(gè)直角區(qū)域作為識別特征即可得到上述偏差。其中兩個(gè)直角邊的交點(diǎn)可確定電路的線性位移量偏差，任一直角邊與坐標(biāo)軸的夾角可以確定電路的角度偏差。電路圖像的處理流程如圖4所示，實(shí)際處理結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖4 視覺圖像處理流程

圖5 建立匹配模板與定義搜索區(qū)域

圖6 水平邊與特征點(diǎn)提取(交叉點(diǎn))

其中，圖6(a)沿白到黑方向搜索，篩選特定散點(diǎn)灰度圖像，通過最小二乘原理擬合出最優(yōu)直線y =kx +b，設(shè)圖像像素點(diǎn)為（xi，yi）。為求得k、b，根據(jù)數(shù)學(xué)原理，須使：

最小，即 φ(k ,b)分別對k、b求偏微分，且滿足：

便可擬合出所需水平直線。垂直直線提取與此類似，不再贅述。圖6(b)可由前述的兩條直線計(jì)算出交點(diǎn)坐標(biāo)，并給出一條直線相對于x軸的角度。

獲取殼體的偏差信息，亦與電路側(cè)類似，機(jī)器人持視覺系統(tǒng)運(yùn)動至殼體上方獲取圖像，圖像處理后，將處理結(jié)果通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，即可對電路原放置點(diǎn)進(jìn)行修正。實(shí)際處理結(jié)果如圖7所示。

圖7 殼體處理結(jié)果

2.3 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化

因只涉及工件平面拾取，對于z向偏差不敏感，所以標(biāo)準(zhǔn)工件坐標(biāo)系可歸結(jié)為Cw0（xw0，yw0，aw0），其中xw0、yw0、aw0分別代表工件xy平面線性位移與角度偏差，示教機(jī)器人時(shí)先對標(biāo)準(zhǔn)工件坐標(biāo)系進(jìn)行歸零化處理，xw0=0，yw0=0，aw0=0。

視覺獲取的標(biāo)準(zhǔn)工件坐標(biāo)系為Cv（xv，yv，av），假定視覺標(biāo)定的轉(zhuǎn)化關(guān)系為V，則Cv（xv，于是，工件的實(shí)際拾取坐標(biāo)系Cw（xw，yw，aw）變?yōu)椋?/p>

假定機(jī)器人工具坐標(biāo)系為T，電路側(cè)工件坐標(biāo)系為Cwchip，殼體側(cè)工件坐標(biāo)系為Cwshell，則應(yīng)在Cwchip與T坐標(biāo)系下，示教電路拾取點(diǎn)Ppick；在Cwshell與T坐標(biāo)系下，示教電路在殼體中的放置點(diǎn)Pput。

對于圖6(b)，視覺系統(tǒng)提取電路的特征點(diǎn)位置偏差Cv（847.835pixel，755.332pixel），角度偏差359.798°，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，電路坐標(biāo)系的偏差應(yīng)為ΔCwshell（6.579mm，-1.821mm），角度偏差359.798°。同樣，圖7(a)中提取殼體的特征點(diǎn)位置偏差Cv（705.825pixel，984.467pixel），角度偏差0.568°，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，殼體坐標(biāo)系的偏差應(yīng)為ΔCwshell（2.734mm，-4.732mm），角度偏差0.568°。

2.4 成品AOI檢測

殼體內(nèi)電路貼裝完畢后，為提高系統(tǒng)的智能化水平與自診斷能力，需對貼裝的電路進(jìn)行初步AOI達(dá)標(biāo)檢測，主要檢測電路相對于殼體的位置度。檢測前，須先確定一個(gè)參考基準(zhǔn)，本例選取殼體上的兩個(gè)螺紋孔，建立兩孔圓心的連線，以此作為檢測基準(zhǔn)線，檢測原理如圖8所示。

圖8 AOI檢測原理

選取上方電路的一條水平印制線，計(jì)算此線特定端點(diǎn)離基準(zhǔn)直線間的距離，以此作為位移偏差；計(jì)算此線與基準(zhǔn)直線的夾角，以此作為角度偏差。通過統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)定合理的距離與角度經(jīng)驗(yàn)閾值，超過此閾值為貼裝合格，反之為不合格并報(bào)警。下方電路檢測與上方相同，且可通過一次拍照，判定兩個(gè)電路的貼裝質(zhì)量，識別效率高。實(shí)際處理結(jié)果如圖9所示。

圖9 建立基準(zhǔn)線與計(jì)算上方電路位置度

2.5 錯(cuò)誤處理

電路拾取可能出現(xiàn)的問題主要是電路印制條紋存在瑕疵、電路在料盤中錯(cuò)放、料盤當(dāng)前位置電路空缺等，機(jī)器人持視覺系統(tǒng)移至料盤上方拾取電路前，先對當(dāng)前電路進(jìn)行模板對比，即可對上述問題反饋，并及時(shí)報(bào)警，但機(jī)器人無法主動糾正上述偏差。

貼裝過程可能存在的主要問題是殼體初始位置超差、殼體反光嚴(yán)重等，其中位置超差系統(tǒng)無法主動糾正，殼體反光問題可通過視覺系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)曝光控制來解決。

3 結(jié)論

通過生產(chǎn)線反復(fù)試生產(chǎn)，文中構(gòu)建的機(jī)器人視覺系統(tǒng)在電路自動貼裝生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，結(jié)合工件特點(diǎn)設(shè)計(jì)的各類圖像處理算法較好適應(yīng)了圖像處理的需求，解決了以往實(shí)際生產(chǎn)中全部依靠手工操作的問題，提高了生產(chǎn)效率，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，改善了生產(chǎn)環(huán)境。特別是視覺技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的成功引入，為提升行業(yè)自動化水平具有重要借鑒意義。

[1]顏發(fā)根,劉建群,陳新,丁少華.機(jī)器視覺及其在制造業(yè)中的應(yīng)用[J].機(jī)械制造,2004,42(11)：28-29.

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