基于圖像識別的激光封焊機自動焊接改造

何文燦，杜洪軍

（中國電子科技集團公司第29 研究所，四川成都 610036）

1 金字塔（Pyramid）激光封焊機系統構成

金字塔激光縫焊機在中國電子科技集團公司第29 研究所主要用于微波器件的后道封裝中，對鋁、硅鋁等腔體進行封蓋焊接。金字塔激光封焊機由GSI 激光光源、手套箱、X-Y-Z 軸運動平臺、烘箱、電氣控制柜、上位控制計算機等部分構成。其中，激光光源為焊接提供能量，激光將腔體和蓋板的結合邊緣融化從而達到焊接的目的；手套箱為產品的焊接提供氣密環境；X-Y-Z 軸運動平臺是承載產品并提供焊接運動的平臺；烘箱對焊接前的產品進行烘干處理以除去產品的水氣；電氣控制柜集中了激光焊接機的電氣控制部分，對整個激光封焊機進行控制；上位計算機運行設備控制軟件，控制設備各系統進行工作。

2 激光封焊機手動對位焊接

激光封焊機工作過程：首先將烘烤完畢的產品取出放置在手套箱中的X-Y 軸運動平臺上并固定，然后在上位控制計算機上將待焊產品蓋板的CAD 圖紙導出并轉換成G 代碼的加工文件（圖1）。

圖1 CAD 圖紙導出并轉換成G 代碼加工文件

通過位于激光頭上攝像頭的十字光標尋找產品蓋板左下角的起點（x0＇，y0＇)，然后利用CAD 生成的G 代碼對產品進行焊縫的軌跡擬合，此時運動平臺開始按照CAD 圖紙生成的G代碼運動，由于CAD 圖紙中的產品是水平放置，而實際工作臺上的產品擺放一定與水平方向（X 軸方向）有一定夾角。在工作臺移動過程中，通過攝像頭的十字光標可以發現產品焊縫與十字光標運動軌跡之間存在一定的角度a，十字光標的中心點即為激光的出光點，為了保證激光沿著產品的焊縫進行焊接就需要在軟件中設置一個偏移角度來補償掉此角度，使十字光標中心點的運動軌跡與焊縫的軌跡相重合。具有焊接經驗的操作人員一般能比較準確地判斷此角度，通過輸入校正角度a 后，重新回到起點再進行軌跡擬合，直至十字光標中心運行軌跡與焊縫重合后，打開激光進行焊接。如圖2所示。

圖2 輸入校正角進行軌跡擬合

3 圖像識別自動引導焊接

手動對位焊接主要是依靠人工對焊接起點和放置角度進行不斷地校正，最終實現十字光標的運動軌跡和產品焊縫重合，然后打開激光光源進行焊接。此過程費時費力，并且對于同一批次產品，每件產品都需要重復該過程。通過引入工業相機及圖像識別技術可以解決這一問題。

改造方案：在現有設備上加裝工業相機、機器視覺光源，并重新開發上位機控制軟件。工業相機采用德國Basler 公司的Basler Pia2400 相機，該相機分辨率為2456×2058 像素。圖像識別采用康奈視公司的圖像識別軟件VisionPro，該軟件提供各種常用的圖像識別工具，通過圖像識別工具完成對產品的圖像識別。上位機控制軟件采用VB.net 進行開發，上位機控制軟件是在不改變現有設備硬件的前提下，基于Visionpro 圖像識別軟件的圖像識別工具。模式識別工具PatmaxTool，直線工具LinesearchTool，直線與直線的交點工具LinelineIntersectionTool 和對相應動態鏈接庫dll 文件的引用下開發而成。

4 圖像識別自動引導原理

圖像識別自動引導是利用工業相機及圖像識別軟件替代人工尋找焊接起點及偏轉角度，再在G 代碼的引導下對產品進行焊接。起點的搜索是利用兩條直線相交的原理實現。首先，工業相機對產品進行拍照獲取圖像，上位機控制軟件通過調用圖像識別軟件的模式工具PatmaxTool 識別出Mark 點，Mark 點是封蓋蓋板上的一個規格和位置均固定的標記（圖3）。

識別出Mark 點后，通過PatmaxTool 工具的屬性值得到Mark 點的中心坐標（X，Y），以Mark 點的中心坐標為參照，在距Mark 點W、H 距離，利用圖像識別軟件的直線工具LinesearchTool 搜尋L1和L2兩條直線，識別出兩條直線后，再利用直線與直線的交點工具LinelineIntersectionTool 識別出兩條直線相交點的位置坐標P（x，y），通過交點坐標及已知的圓弧半徑就可以計算出圓弧與直線的交點，即起點坐標I（x1，y1），即I（x1，y1）=P（x+R，y）。計算出起點坐標后，再利用圖像識別軟件已經識別出的直線L2邊與X 軸的夾角a，此角即為產品的偏轉角。如圖4 所示。

圖3 封蓋蓋板固定標記（Mark 點）

圖4 偏轉角a 的計算識別

5 改造效果

經過圖像識別自動引導改造后，改變了原來的手動對位方式，實現了對位引導自動化和焊接批量化，將原來的對位一件焊接一件的方式變為批量自動對位自動焊接，大大提高焊接效率和降低人工勞動強度，經過實際測試，焊接后的產品完全滿足技術要求，改造后比人工焊接效率提高45%左右，改造效益顯著。

〔編輯 李 波〕