基于機器視覺的小家電鎖付裝配系統開發與應用*

鄭卓韜，林秋宇，陳新輝，紀秀林，林典欽

（1.汕頭輕工裝備研究院，廣東汕頭 515063；2.汕頭大學工學院，廣東汕頭 515063）

0 引言

在小家電行業的產品制造過程中，螺絲鎖付是極其重要的一道工序，目前以人工手動螺絲鎖付為主，具有鎖付效率低、人工成本高、裝配精度低等缺點[1]。目前國內使用的自動鎖付裝配系統螺紋孔定位絕大多數采用人工錄入螺紋孔坐標信息的方式，依賴于產品夾具定位精度[2]。大多數系統生產柔性化程度低，僅適用于形狀規則單一的產品，而無法實現形狀復雜不規則的產品螺紋孔的精確定位[3]。

機器視覺技術具有檢測效率高、定位精度高和速度快等特點，目前已經廣泛應用于汽車零部件、電子產品等多個行業的自動裝配[4]。大連理工大學的朱萃等[5]將機器視覺技術應用于微小型組件的精密裝配，實現了表面質量差、形狀不規則的微小型組件的自動裝配。山東大學的韓冰[6]將機器視覺技術結合神經網絡分類器應用于活塞裝配質量檢測，實現了發動機產品的快速檢測。隨著小家電產品質量要求的不斷提高，機器視覺技術已逐漸應用于小家電產品螺絲孔的精密定位中，有效地提高了小家電產品質量。

為了提高螺絲鎖付精度和效率，在深入研究小家電產品螺絲鎖付裝配流程的基礎上，結合機器視覺技術，開發了一種面向小家電的機器視覺自動鎖付裝配設備，可適用于多種不同形狀的小家電產品螺紋孔的精密定位，并且能夠高效率、高精度地實現小家電產品的螺絲自動裝配。

1 總體方案設計

本文設計的基于機器視覺的自動化螺紋鎖付裝配系統在實現小家電產品螺絲的精密自動過程裝配中的工藝流程如下。

首先，獲取小家電產品的整體圖像并識別出小家電產品螺紋孔的粗略位置；之后工業相機自動移動至小家電產品螺紋孔的大概位置并進行拍照，識別出螺絲孔的精確位置，同時利用測距傳感器測量產品螺絲孔周邊的高度，并將位置和高度數據保存至產品的數據庫中；根據產品螺絲孔的精確定位數據和高度數據，移動螺絲鎖付裝置至距離螺紋孔位10 mm 高的位置進行螺絲自動裝配；裝配完成后，接通小家電產品的電源，將相機移動至充電指示燈處拍照，利用圖像處理技術檢測小家電產品的充電性能。

機器視覺自動鎖付裝配設備的自動化螺紋鎖付裝配系統包括三軸定位平臺機械機構、高精度伺服控制系統和機器視覺定位系統。其中，三軸定位平臺機械結構用于鎖付機構走位和螺絲鎖付執行兩部分功能，具有較高的重復定位精度。高精度控制系統采用PC+運動控制卡的控制方案，PC 作為控制系統的中心部分，運動控制卡負責整個控制細節[7]，用于根據視覺系統的反饋信息實現螺絲的高精度自動鎖付。同時設置有測距傳感器測量產品高度，用于防止鎖付高度過高時螺絲鎖付過程飛出；機器視覺定位系統用于準確識別螺絲孔的位置以及檢測充電指示燈是否正常，并將信息反饋至PC。

2 螺絲鎖付系統機械結構設計

螺絲鎖付系統包括螺絲自動上料結構、三軸精密定位平臺和螺絲鎖付執行機構3 部分，系統的機械結構如圖1所示。螺絲自動上料機構由排料裝置和上料裝置，排料裝置用于將螺絲有序排列，上料裝置采用吹氣的方式將排列整齊的螺絲送至鎖付執行機構，并設計有螺紋分離輸送管道，用于防止螺絲上料時卡死。三軸精密定位平臺采用伺服電機驅動滾珠絲杠螺母副的方式實現精密定位，其上還設計有通用夾具，夾具上還設計有回旋夾緊氣缸，用于實現小家電產品的機械定位。螺絲鎖付執行機構采用伺服電機驅動的方式，其上安裝有電動螺絲批，由氣缸驅動螺絲批下降至螺絲孔上方進行鎖付。

圖1 設備結構

3 螺絲鎖付機器視覺系統硬件設計

機器視覺系統通常有硬件與軟件組成，硬件一般包括工業攝像機、鏡頭、圖像采集卡和PC 等[8]。相機、鏡頭和光源的選型直接關系到機器視覺系統采集得到的圖像質量，也直接影響到圖像處理算法的復雜度[9]。螺絲鎖付機器視覺系統的硬件的合理選型是實現小家電產品螺絲孔精確定位必不可少的條件。由于小家電產品尺寸較大，實現產品的全局拍照對機器視覺系統硬件要求較高，為確保識別精度和降低硬件成本，機器視覺系統采用小范圍局部拍照的形式獲取產品圖像，最后將小視野的圖像拼接成全局圖像。

機器視覺系統采用500 萬像素黑白CMOS 工業相機，配合焦距為12 mm 的光學鏡頭，物距約為220 mm，相機拍照視野約為140 mm×106 mm，像素精度約為0.04 mm。為減少陰影干擾和確保光照均勻，采用與相機同軸安裝的環形光源，安裝高度約為155 mm，機器視覺系統方案如圖2所示。

圖2 機器視覺系統方案

4 螺絲鎖付機器視覺系統軟件設計

本文采用C++軟件編寫程序界面，設計的程序主界面如圖3 所示。軟件包括視覺系統標定、產品學習、產品管理、精定位識別、歷史記錄查詢、手動模式等功能。產品學習功能用于產品首次裝配時粗略定位產品螺絲孔位并保存至數據庫，產品管理用于選擇已完成產品學習保存數據的產品類型，精定位識別功能用于產品學習完成后觸發相機拍照并自動識別孔位顯示在軟件界面上，歷史記錄功能用于保存螺絲孔位錯誤識別的記錄，方便用戶查詢。手動模式用于控制系統各個部件單步動作，用于系統的調試。

圖3 軟件主界面

軟件使用時，首先進行小家電產品的學習，移動相機沿著預設路徑拍攝24 張局部照片，覆蓋至小家電產品的整個范圍，之后利用拼接算法將24 張照片拼接成全局照片，并編寫孔位識別算法識別出螺絲孔的位置，產品學習界面如圖4 所示。由于孔位識別算法是在拼接圖像上進行孔位識別，會存在一定的位置誤差，因此在拼接圖像上識別到的孔位為粗略定位，將粗略定位的數據保存至數據庫，作為視覺系統精確定位時的拍照位置。同時產品學習界面還需要完成產品充電類型和充電檢測方式的設置。

圖4 產品學習界面

完成產品學習后即可進入產品管理界面選擇產品進行檢測，產品首次檢測時需要完成產品螺絲孔的精確定位和高度測距，機械手帶動相機移動至螺絲孔的粗略位置進行拍照，利用精確孔位識別算法精確識別螺絲孔位并保存至數據庫，同時完成小家電產品的高度測距。

5 螺絲鎖付機器視覺系統算法設計

螺絲鎖付機器視覺系統算法包括視覺系統標定算法、全局圖像孔位識別算法和局部圖像孔位精確定位算法，其中，視覺系統標定算法用于像素坐標和物理坐標的轉換，全局圖像孔位識別算法用于識別拼接后的小家電產品全局圖像的粗略孔位，局部圖像孔位圖像算法用于精確識別小家電產品各個螺絲孔的位置。

5.1 視覺系統標定算法

為將像素坐標轉換為物理坐標，必須進行視覺系統的標定。本系統采用的標定方法如下：首先控制相機移動至小家電產品單一螺絲孔的上方，拍照識別出螺絲孔位，記錄當前像素坐標，接著沿著X軸移動1 000個脈沖的距離繼續識別當前螺絲孔位，記錄當前像素坐標，最后由像素坐標的差值除以1 000個脈沖數可得到X軸的運動精度。為提高標定精度，沿著X軸多次運動計算像素坐標的差值，取差值的平均值進行計算。Y軸用同樣的方法也可得到運動精度。

要實現小家電產品螺絲孔的視覺定位和自動鎖付，必須精確計算系統中測距傳感器、螺絲刀到孔位的距離補償值，本系統采用視覺定位的方式進行計算。首先，移動相機至小家電產品單一螺絲孔上方，識別出螺絲孔的坐標，根據相機物理坐標、孔位坐標和運動精度換算出當前孔位的物理坐標，之后移動測距傳感器至螺絲孔位，記錄測距傳感器當前物理坐標，最后移動螺絲刀至孔位上方，記錄螺絲刀當前物理坐標，利用坐標的差值計算出測距傳感器和螺絲刀的距離補償值。視覺標定算法的流程如圖5所示。

圖5 視覺系統標定算法流程

5.2 全局圖像孔位識別算法

產品學習時獲取多幅圖像拼接成一幅完整的全局圖像，用于螺絲孔的粗略定位。螺絲孔孔位粗略識別算法如下：首先，為排除光照不均勻的影響，采用動態閾值算法提取出孔位區域，之后將孔位區域填充完整。為進一步排除周圍環境的干擾，根據螺絲孔位的大小采用范圍篩選的方式將指定大小的螺絲孔篩選出來，同時根據區域圓度進一步排除非螺絲孔區域的干擾，最后求取出螺絲孔的行列坐標。

5.3 局部圖像孔位精確定位算法

完成產品螺絲孔的粗略定位后，即可進行產品螺絲孔的精確定位。精確定位時，相機移動至產品粗略定位的上方進行拍照獲取產品局部區域的圖像。局部圖像的孔位精確定位算法如下：首先建立中心為圖像中心的矩形區域，排除邊緣區域的干擾。其次，利用閾值處理選取出孔位區域，并利用開運算和閉運算排除孔位邊緣毛刺的干擾和填充區域內部孔洞。精確定位的目的是每次僅識別出一個螺絲孔的精確定位，這樣可以進一步提高螺絲孔的識別精度。識別出孔位區域后，計算每個螺絲孔到圖像中心的像素距離，選取距離圖像中心最近的螺絲孔作為識別到的螺絲孔，并計算其行列坐標。根據螺絲孔的粗略定位坐標重復以上步驟，即可完成螺絲孔的精確定位。局部圖像孔位精確定位算法的流程如圖6所示。

圖6 局部圖像孔位精確定位算法

6 設備調試

根據設備設計方案，制作出機器視覺鎖付裝配系統并投入生產使用，設備實物如圖7 所示。試驗證明，機器視覺鎖付裝配系統滿足小家電產品自動裝配的功能要求，能夠精確地完成螺絲孔自動識別、定位、鎖付以及充電性能檢測，可適用于多種小家電產品。與傳統的自動鎖付裝配系統相比，該設備能夠精確實現多種不同產品復雜螺絲孔的精確定位，無須人工錄入螺絲孔坐標信息，極大地提高了螺絲鎖付的生產效率。

圖7 機器視覺鎖付裝配系統實物

7 結束語

通過分析現有小家電產品人工螺絲鎖付工藝的局限性，制定了面向小家電產品的機器視覺鎖付裝配系統的總體方案，詳細設計了機器視覺鎖付裝配機的機械結構、運動控制系統、機器系統軟硬件和識別算法，從而實現復雜形狀的小家電產品螺絲孔位自動識別、定位、鎖付和充電性能檢測。經現場應用表明，機器視覺鎖付裝配系統能夠精確識別螺絲孔位，螺絲鎖付最快速度可達38個∕min，螺孔對位精度可達0.1 mm。