基于視覺定位的螺釘自動緊固裝配系統(tǒng)

陳勐昊,李迎欣,葉 敏,魏臣雋,陳偉雄

(上海無線電設備研究所,上海 201109)

0 引言

在航天產(chǎn)品生產(chǎn)過程中,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?、工人的勞動強度大、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,有必要采用適應性強的自動化設備代替人工進行螺釘緊固。

從20世紀中后期起,國內(nèi)外學者就開展了自動化裝配理論的研究以及自動化裝配設備的研制。國內(nèi)自動化螺釘緊固設備[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、長三角一帶市場需求很旺盛。市場上比較成熟的自動化螺釘緊固設備主要有直角坐標機器人與SCARA(selective compliance assembly robot arm)機器人。前者性價比高,緊固效率高,后者通用性強。但現(xiàn)有的自動螺釘緊固設備對夾具定位精度要求高,并且通常無法實時檢測螺紋孔狀態(tài),也無法校正螺紋孔位的偏差[5]。對于螺紋孔分布規(guī)律、螺釘種類單一的工況,這些自動螺釘緊固設備可以滿足穩(wěn)定、可靠的緊固要求。然而在復雜工況下,這些緊固設備就很難適應不同規(guī)格的螺釘,無法實現(xiàn)精確定位。

本文在SCARA 機器人基礎上,引入視覺定位技術對螺釘進行定位補償,開發(fā)通用性強、可用于航天產(chǎn)品的微小螺釘自動緊固裝配系統(tǒng),并進行應用驗證。

1 螺釘自動緊固裝配系統(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

螺釘自動緊固裝配系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)冷板上數(shù)百顆小螺釘?shù)淖詣泳o固,在提高生產(chǎn)效率的同時確保裝配可靠性。由于螺釘尺寸較小,且裝配時周圍緊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,通常定位偏差應小于0.05 mm。

2 螺釘自動緊固裝配系統(tǒng)結構設計

螺釘自動緊固裝配系統(tǒng)結構如圖2所示。該系統(tǒng)主要由SCARA 機器人、機械抓手、螺釘供料器和工作臺等幾部分組成。

圖2 螺釘自動緊固裝配系統(tǒng)結構示意圖

該系統(tǒng)工作時,將產(chǎn)品通過專用的夾持工裝固定在工作臺上,機器人攜帶機械抓手完成初定位,并通過視覺定位算法進行定位補償。系統(tǒng)對螺紋孔精確定位后,供料器將螺釘輸送到機械抓手上的自動螺絲槍內(nèi)進行緊固。為了滿足通用性使用要求,SCARA 機器人的工作半徑應在0.5 m以上;夾持工裝根據(jù)產(chǎn)品外形進行設計,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)盤式排列,吹氣式上料,并通過氣管連接到機械抓手的夾嘴上。

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

視覺組件用于螺紋孔中心位置的定位補償,主要包含一個高清定焦工業(yè)相機與一個有色光源。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,便于視覺算法檢測螺紋底孔輪廓。

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

夾嘴的具體結構設計如圖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)過夾嘴的螺釘進料口(斜管)送至夾嘴內(nèi)腔,螺釘落入到兩片夾片之間,經(jīng)夾片導正,垂直對準螺紋孔;螺絲槍批頭下壓螺釘,夾片翻開,批頭將螺釘送到螺紋孔位鎖付,完成后批頭縮回,繃簧將翻開的夾片恢復至原本狀態(tài)。

圖3 夾嘴結構示意圖

3 視覺定位技術

螺紋孔中心位置定位是螺釘自動緊固裝配的關鍵工序之一。利用視覺技術對螺紋孔進行智能識別與定位,并對機械臂位置進行糾偏補償,從而實現(xiàn)螺釘?shù)木芸煽垦b配。考慮到螺紋孔外形一致性較高的特點,為了提高識別效率,螺紋孔定位采用基于模板匹配的視覺定位算法。整個視覺定位算法流程包括圖像采集、邊緣檢測、模板匹配及中心定位等幾個主要部分。

定位精度作為視覺定位的關鍵指標之一,直接影響到螺釘自動緊固的可靠性。為了提高視覺定位精度,在確定合適的硬件設備后,軟件算法需進行優(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上進行,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、邊緣檢測等視覺處理方法。

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

式中:x,y為圖像的像素坐標;σ為高斯函數(shù)的標準差。

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

式中:* 為卷積運算符。在像素點(x,y)的2×2像素的鄰域內(nèi)計算其一階偏導數(shù)

像素點(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像素點進行處理,即僅保留同方向鄰域內(nèi)梯度最大的像素點,實現(xiàn)邊緣細化。最后,設定梯度閾值,提取邊緣信息,通過高低閾值過濾偽邊緣,提高邊緣檢測的可信度。

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

對于最小二乘法,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,擬合問題轉(zhuǎn)化為包含三個未知量的多元函數(shù)極值問題。誤差函數(shù)f(A,B,C)的表達式為

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

對于Chebyshev多項式擬合法,若僅取初始位置k鄰域的4個像素點進行擬合,則像素點的位置區(qū)間

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

式中:P2(x),P3(x)分別為2,3 次Chebyshev多項式。

同理,可得到當前點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的分布表達式。而Chebyshev多項式擬合法每次計算只能針對邊緣圖像的單個像素進行,得到的是單個像素的亞像素邊緣位置,要完成邊緣的亞像素定位,需要對邊緣圖像上的所有像素逐一進行計算。因此,Chebyshev 多項式擬合法定位相對較慢,但定位精度比較高,并且不需要預知邊緣圖像像素點的分布表達式。

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合。首先采用Chebyshev 多項式擬合法對邊緣圖像上的每個點進行亞像素定位,再將得到的結果代入螺紋孔的圓形輪廓函數(shù)中進行最小二乘擬合,確定最終的亞像素邊緣。

基于上述原理開發(fā)的程序,可實現(xiàn)高精度邊緣識別并進行模板匹配,還可根據(jù)不同產(chǎn)品選擇不同配置,實現(xiàn)模板特征可編輯。為了提高適應性,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。對螺紋孔進行識別定位后,用十字光標在操作界面中進行標識,螺紋孔中心相對坐標數(shù)據(jù)會在程序后臺進行記錄。

4 應用驗證

在進行實際生產(chǎn)應用前,螺釘自動緊固裝配系統(tǒng)的視覺定位精度等核心指標需進行應用驗證。利用該系統(tǒng)對已進行高精度定位、明確坐標的螺紋孔進行多次檢測,記錄定位結果,并對定位偏差進行分析?；谝曈X定位的螺紋孔定位精度測試結果如表1所示。

表1 基于視覺定位的螺紋孔定位精度測試結果

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

以相控陣天線產(chǎn)品為例展開實際生產(chǎn)試驗。共對10套產(chǎn)品進行了緊固裝配(每套手工預緊4顆螺釘,其余172顆螺釘自動緊固),通過系統(tǒng)扭矩與轉(zhuǎn)角的測試結果以及目視檢驗結果判斷螺釘緊固合格情況,試驗結果如表2所示。

表2 相控陣天線螺釘自動緊固試驗結果

通過分析試驗結果可知,1 720 顆螺釘僅有8顆緊固不合格,其中2顆未進入螺紋孔,6顆未緊固到位,實際緊固合格率為99.8%。而緊固不合格的8顆螺釘中,有6顆緊固失敗都是來料問題(螺釘、螺紋孔加工缺陷)導致。另外,螺釘自動緊固裝配系統(tǒng)的單顆螺釘緊固平均時間為8.99 s,有效提高了生產(chǎn)效率。

5 結論

針對航天產(chǎn)品中大量微小螺釘可靠緊固的需求,本文基于SCARA 機器人開發(fā)了螺釘自動緊固裝配系統(tǒng),引入基于亞像素邊緣的視覺定位技術,對螺釘裝配定位進行精確補償。結合SCARA 機器人與視覺定位技術,所開發(fā)系統(tǒng)具有靈活性強、適應性廣、可靠性高等優(yōu)點,實現(xiàn)了航天產(chǎn)品微小螺釘?shù)母咝ё詣泳o固。通過試驗驗證,系統(tǒng)的視覺定位精度優(yōu)于0.02 mm,螺釘緊固合格率高于99.8%。