CN112059097A - 一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法 - Google Patents

一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法 Download PDF

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马立廷
刘东海
周宁
孙建丽
李奇
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Abstract

一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，所述方法将触摸屏、夹具检测装置、工件到位检测装置、伺服送料平台、送钉装置、铆接设备和视觉引导相机与PLC相连接，组成铆接***，并在PLC中预存与每种工件相对应的控制配方，每个配方包括工件编号、夹具编号、每个铆孔的X轴向位移和Y轴向位移、送钉种类、铆接参数和标准铆接位置照片组成，由PLC根据配方对与之相连的各个装置进行协调控制，实现对工件铆接过程的柔性控制。本发明利用视觉引导相机以拍照的方式检测铆孔的偏差值，并将该偏差值反馈给PLC，再由伺服送料平台进行位置纠偏，该方法不仅通用性强，而且实现了整个压铆过程的闭环控制，大大提高了汽车零部件的装配质量和装配效率。

Description

一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于视觉引导的汽车零部件自动铆接柔性控制方法，该方法通用性强、铆接精度高，属于控制技术领域。
背景技术
汽车零部件装配时，相邻零部件之间越来越多地通过铆接方式进行连接，目前市场上的自动铆接设备，大多是将铆接设备与机器人或伺服***进行简单集成，虽然可实现自动送料、自动铆接，但存在以下不足：
首先，设备的通用性差。现有的自动铆接设备多为专用设备，只适用于特定工件，无法满足多种产品的铆接需要，也不适于加工铆钉种类较多的工件。装配不同零部件或铆钉种类较多的工件时需要更换不同的设备，从而降低了零部件的装配效率。
其次，铆接设备与工件的定位精度低，存在铆偏现象。现有的铆接设备工作时按同一个模板进行铆接，未考虑不同批次工件存在的加工、装夹偏差，容易造成铆偏现象，严重影响了汽车零部件的装配质量。
再次，存在漏铆、错铆现象。现有的自动铆接设备铆接完成后一般不进行铆接效果检测，尤其在铆接种类较多时，传统的检测方式根本无法进行铆接效果检测，因此现有自动铆接设备的铆接控制***多采用开环控制或半闭环控制方式，易出现漏铆或错铆现象。
随着自动化及智能制造的不断发展，许多汽车厂家对铆接效率和铆接质量都提出了更高的要求，加之需要进行铆接的汽车零部件尺寸范围大，种类多，因此研究一种通用性强、铆接精度和铆接效率高的柔性自动化铆接方法是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，以提高汽车零部件的装配质量和装配效率。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，所述方法将触摸屏、夹具检测装置、工件到位检测装置、伺服送料平台、送钉装置、铆接设备和视觉引导相机与PLC相连接，组成铆接***，并在PLC中预存与每种工件相对应的控制配方，每个配方包括工件编号、夹具编号、每个铆孔的X轴向位移和Y轴向位移、送钉种类、铆接参数和标准铆接位置照片组成，由PLC根据配方对与之相连的各个装置进行协调控制，实现对工件铆接过程的柔性控制。
上述基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，所述方法包括以下步骤：
①工件的装夹：
a.操作人员根据工件的种类，更换工件夹具并通过触摸屏手动选择与工件对应的配方；
b.夹具检测装置读取夹具上的夹具编号Mj，并将读取的夹具编号Mj反馈给PLC；
c.PLC将收到的夹具编号Mj与配方中的夹具编号进行对比，若两者不一致，则设备停机报警，并在触摸屏输出报警信息；若两者一致，执行下一步；
d.操作人员利用工件夹具将工件装夹在伺服送料平台上，工件到位检测装置对工件放置位置进行检测，并将得到的工件到位信号或工件未到位信号反馈给PLC；
e.若PLC收到的是工件到位检测装置输出的工件未到位信号，则控制设备停机并通过触摸屏输出报警信息，若PLC收到的工件到位信号，执行下一步；
②工件的铆接：
a.PLC将铆孔编码Mn设置为1，并根据配方中第一个铆孔的X轴向位移X1和Y轴向位移Y1，控制伺服送料平台沿X轴移动X1，沿Y轴移动Y1，从而将第一个铆孔移动到铆接位置；
b.第一个铆孔移动到位后，PLC控制视觉引导相机对铆孔进行拍照并与配方中的标准铆接位置照片进行对比，计算出铆孔坐标在X轴方向的偏差值ΔX和在Y轴方向的ΔY，再将偏差值反馈给PLC；
c.PLC将此偏差值发送给送料平台,使送料平台在X轴方向继续移动ΔX，在Y轴方向继续移动ΔY，完成位置纠偏；
d.完成位置纠偏后，PLC给送钉装置发送送钉信号，送钉装置根据配方中记载的第一个铆孔的送钉种类给铆接设备送钉；
e.送钉到位后，PLC给铆接设备发送压铆信号，铆接设备完成第一个铆钉的铆接动作；
f.PLC将铆孔编码Mn加1，重复上述操作，直至完成工件上所有铆孔的铆接。
上述基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，所述铆接控制***还包括与PLC相连的视觉检测相机，在每种工件的控制配方中存储有标准的铆接后效果照片，铆接设备每完成一个铆孔的铆接动作，PLC控制视觉检测相机对铆接效果进行检测，具体检测流程如下：
a.PLC给视觉检测相机发送检测信号；
b.视觉检测相机对铆接后位置拍照，然后将照片与配方中的标准铆接后效果照片进行对比，并将对比结果发送至PLC；
c.若铆接后位置照片与配方中的标准铆接后效果照片不一致，则PLC控制设备停机并通过触摸屏发送报警信息；若二者一致，则该铆孔的压铆流程结束，PLC进入下一个铆接循环。
上述基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，所述视觉引导相机对铆孔进行拍照并与配方中的标准铆接位置照片进行对比后，如果计算出的铆孔坐标在X轴方向的偏差值ΔX和在Y轴方向的ΔY有任何一个值大于设定的极限值，则该偏差值为无效数据，需要重新拍照，重新计算偏差值，若出现的无效数据超过10次，则PLC控制设备停机并通过触摸屏发送报警信息。
上述基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，所述伺服送料平台设有X轴伺服***和Y轴伺服***，所述X轴伺服***和Y轴伺服***通过PN通讯接口与PLC连接。
上述基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，所述夹具检测装置为读码器，在工件的夹具上设有与读码器相对应的二维码，所述读码器从该二维码中读取夹具编号。
上述基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，所述工件到位检测装置为安装在送料平台上的接近开关，所述接近开关与安装在送料平台上的工件相对应。
上述基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，铆孔坐标在X轴方向的偏差值ΔX和在Y轴方向的ΔY的极限值为3mm。
本发明利用视觉引导相机以拍照的方式检测铆孔的偏差值，并将该偏差值反馈给PLC，再由伺服送料平台进行位置纠偏，该方法不仅通用性强，而且实现了整个压铆过程的闭环控制，大大提高了汽车零部件的装配质量和装配效率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是本发明自动铆接柔性控制***布局图；
图2是本发明自动铆接柔性控制***通讯连接图；
图3是工件的装夹流程图；
图4是工件的铆接流程图；
图5是铆接效果检测流程图。
图中各标号为：1-1、PLC，1-2、触摸屏，2、设备支架,3、夹具检测装置,4、工件到位检测装置，5-1、X轴伺服***，5-2、Y轴伺服***，6、送钉装置，7、铆接设备，8、视觉引导相机，9、视觉检测相机。
具体实施方式
本发明针对现有自动铆接设备存在的问题，提供了一种可根据工件偏差自动纠偏，且能够对压铆效果进行闭环反馈的，具有较高通用性的自动铆接柔性控制***和控制方法。
本发明的硬件组成及布局如图1所示，铆接***由设备主控***、设备支架2、夹具检测装置3、工件到位检测装置4、伺服送料平台、送钉装置6、铆接设备7、视觉引导相机8、视觉检测相机9组成。其中设备主控***由PLC及触摸屏1-2组成，PLC负责将夹具检测装置3、工件到位检测装置4、送料平台、送钉装置6、铆接设备7、视觉引导相机8、视觉检测相机组成9进行集成控制，各部分之间不进行信号互通，所有信号及指令都需要经由主控***处理及发送；触摸屏1-2用于***状态监控及配方管理的显示；送料平台设有X轴伺服***5-1与Y轴伺服***5-2，分别用于夹具及其上工件的X/Y向移动；送钉装置6负责自动分钉、送钉；铆接设备7负责进行铆接作业；视觉引导相机8通过对铆接孔位进行拍照采集铆接位置信息，并与标准铆接位置照片进行对比计算，给出铆接位置的偏差值，实现纠偏引导；视觉检测相机9通过拍照采集铆接后效果图，并与铆接后效果照片进行对比，确认铆接效果是否满足要求，实现整个压铆过程的闭环控制。
为了实现***的自动及柔性化控制，要求主控***与各执行检测装置之间有快速可靠的信号交互，主控***与各检测和执行装置的连接如图2所示，其中PLC与触摸屏之间通过PN通讯接口连接，PLC将报警信息及设备的状态信息发送给触摸屏，同时触摸屏将设置完成的触摸屏参数传送给PLC；夹具检测装置、工件到位检测装置通过I/O接口直接与PLC相连；PLC与X轴伺服***和Y轴伺服***通过PN通讯接口连接，传送并反馈平台的位置信息；PLC与铆接设备、送钉装置之间也通过PN通讯接口连接，传送压铆开始、压铆完成、送钉开始、送钉完成等信息；PLC通过TCP/IP通讯接口与视觉引导相机8连接，传送标准铆接位置照片、开始拍照、拍照完成、铆接位置偏差等信息；PLC通过TCP/IP通讯接口与视觉检测相机相连，传送标准铆接后效果照片、开始拍照、拍照完成、铆接状态是否正确等信息。
***工作流程如图3～图5所示，工作流程由三个阶段组成，第一阶段为工件的装夹，包括程序的赋值及各执行部分参数调整，各检测、执行装置据此调整工艺参数；第二阶段为工件的自动铆接部分，通过视觉引导纠偏控制，并配合送料平台进行伺服调整，自动送钉、自动铆接设备实现高精度、自动化铆接过程；第三阶段为铆接效果检测部分，通过压铆检测完成整个压铆流程的闭环控。
首先PLC、送料平台、送钉装置6、铆接设备7、视觉引导相机8、视觉检测相机9针对每种铆接方式选择模块化程序，同时通过PLC预先存储的配方实现对夹具和工件的柔性控制，通过计数编码方式实现对产品各个铆孔的柔性控制。
具体配方包括工件编号、夹具编号、各个铆孔的X轴向位移和Y轴向位移、送钉种类、铆接参数、标准铆接位置照片和铆接后效果照片，配方存储于PLC中。具体的控制流程如下：
操作人员根据工件编号M(代表工件种类)，手动选择与之对应的配方，并通过夹具检测装置3读取夹具上的夹具编号Mj，将检测夹具编号Mj反馈给PLC，PLC判断夹具编号Mj与选择的配方是否对应，若两者不对应，则设备停机报警，并在触摸屏1-2输出报警提示：请更换程序，若对应，执行下一步；随后操作人员上料，上料完成后，工件到位检测装置4对工件放置位置进行检测，并将检测结果Mc反馈给PLC,若检测结果工件未到位，则PLC控制设备停机报警，在触摸屏1-2输出报警提示：请检查工件放置位置，若工件到位，执行下一步；通过以上操作实现PLC对不同夹具、工件的柔性化控制；
之后PLC通过计数编码方式实现对工件编号为M的产品第Mn个铆孔(Mn为铆孔编码)的柔性控制，开始进入铆接循环控制。首先根据铆接顺序给出目前需要铆接的铆孔编码Mn，PLC根据铆孔编码Mn，将配方信息中第Mn个铆孔的X轴向位移和Y轴向位移、送钉种类、铆接参数、标准铆接位置照片、铆接后效果照片通过PN或TCP/IP发送给送料平台、送钉装置6、铆接设备7、视觉引导相机8、视觉检测相机9；之后送钉装置6筛选出与之匹配的铆钉，铆接设备7根据配方信息自动调整铆接参数(铆接高度及铆接力等)，视觉引导相机8，视觉检测相机9根据配方信息分别调用第Mn个相机程序，
通过以上操作，实现铆接***随着产品夹具、铆接方式的变化而自动调整各执行、检测装置的程序及工艺参数，满足多种产品、多种铆接方式的生产需求，具有较高的通用性、可扩展性和柔性化水平。
在自动铆接***各部分完成编码数据的赋值后，送料平台根据配方信息运动至第Mn个铆接位置：Xn,Yn处，到位后，PLC给视觉引导相机8发出可以拍照信息，视觉引导相机8对铆接位置拍照，并将照片与工件标准模板对比，计算出铆孔偏差值：ΔX，ΔY，视觉引导相机8将此偏差值发送给PLC,PLC在接收到信号后，首先对数据有效性进行判断(PLC与相机通讯时会因干扰而使数据失真),若偏差值ΔX，ΔY有一个值大于3mm，偏差值无效，则需要重新拍照，当偏差值无效次数超过10次时，设备停机报警，触摸屏1-2输出报警提示：请检查视觉引导相机与PLC通讯，若偏差值ΔX，ΔY均小于或等于3mm，数据有效，PLC将此偏差值发送给送料平台,送料平台接收此偏差值，运动至：Xn+ΔX,Yn+ΔY,送料平台完成位置纠偏。纠偏完成后，PLC给送钉装置6发送可以送钉信号，送钉装置6开始送钉，送钉到位后，PLC给铆接设备7发送可以压铆信号，铆接设备7开始压铆，压铆完成。
通过以上控制流程，实现视觉引导相机8对送料平台的纠偏引导，保证***可根据实际工件及环境给出精确的偏差数值，并据此进行伺服补偿，消除由于产品批次、加工、装夹带来的铆接偏差，实现高精度的铆接，消除铆偏问题；
铆接工作完成后，进入铆接效果检测阶段，具体如下：
PLC给视觉检测相机9发送可以检测信号，视觉检测相机9对铆接后位置拍照，并将照片与工件标准铆接位置照片进行对比，得出检测结果：OK/NG，将检测结果发送至PLC,若检测结果为NG(不一致)，设备停机报警，触摸屏1-2报警提示：铆接错误，请检查工件、铆接设备、送钉装置等。若检测结果为OK(一致)，则第Mn个压铆流程结束，PLC进入下一个铆接循环，即进入第Mn+1个位置的压铆控制。
通过视觉检测相机对铆接完成的铆接效果进行检测，解决了传统检测方式通用性差，无法实现对多种铆接方式同时检测的问题，实现整个铆接过程的闭环控制，保证压铆***可靠性，解决铆接***漏铆、错铆问题。
视觉引导相机对伺服送料平台纠偏引导是保证高精度铆接的关键，本发明中视觉引导相机8和视觉检测相机9均采用Congex牌工业相机，型号为In-sight 8405，该相机能根据其拍摄的图像的灰度值，自动提取孔或铆钉的轮廓，并根据孔轮廓内部灰度值的平均值计算出孔或铆钉中心的像素坐标[Xs,Ys](像素坐标是相对对相机上某点的坐标值)，下面以视觉引导相机8对编码为Mn的铆孔进行纠偏引导的过程进行说明，步骤如下：
1.相机像素坐标与伺服送料平台X轴，Y轴坐标的2D坐标转化，具体如下：选定工件上某孔作为标定孔，相机对标定孔进行拍照，读取标定孔中心的像素坐标[Xs,Ys]，同时手动输入标定孔相对于伺服平台X轴和Y轴坐标[Xi,Yi]，移动伺服平台位置，重复以上操作5次，得到5组像素坐标与平台坐标的参考值，通过以上数据可计算出两坐标系之间的2D转换函数：
EXi，Yi F＝fEXs，Ys F
通过校准后，实现了像素坐标与伺服平台X轴，Y轴坐标的2D转化。
2.根据铆接孔大小，铆接孔灰度值对铆接孔进行分类，给出H种模板：S1,S2…SH，每种模板中制定孔的大小范围，孔的灰度范围。
3.将实际铆接孔照片与模板进行对比，找到照片所属类别Si,此模板圆心为(XSi,YSi)。
4.将实际铆接孔照片圆心(Xmn,Ymn)与模板Si圆心进行对比，得出孔的像素坐标偏差值，再利用转换函数将其换算成伺服平台X轴，Y轴坐标的偏差值ΔX,ΔY
5.将偏差值ΔX,ΔY以18位字符串的形式发给PLC。
此***具有生产效率高、铆接精度好，铆接效果可靠等特点，同时具有较强通用性、可扩展性及柔性化水平，具有很好的应用前景和推广意义。
本发明的特点：
1.通过PLC及各执行装置的模块化程序的建立，并配合PLC配方管理及计数编码程序的编写，实现铆接***可随着产品夹具、铆接方式的变化而自动调整各执行、检测装置的程序及工艺参数，满足多种产品、多种铆接方式的生产需求，具有较高的通用性、可扩展性和柔性化水平。
2.通过视觉引导相机对送料伺服平台的纠偏引导，***可根据实际工件及环境给出精确的偏差数值，并据此进行伺服补偿，消除由于产品批次、加工、装夹带来的铆接偏差，实现铆接设备高精度的位置铆接，解决铆接***铆偏问题；
3.通过视觉检测相机对铆接完成的铆接效果进行检测，解决传统检测方式通用性差，无法实现多种铆接方式同时检测的问题，实现整个压铆过程的闭环控制，保证铆接***可靠性，解决铆接***漏铆、错铆问题。

Claims (8)

1.一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，其特征是，所述方法将触摸屏、夹具检测装置、工件到位检测装置、伺服送料平台、送钉装置、铆接设备和视觉引导相机与PLC相连接，组成铆接***，并在PLC中预存与每种工件相对应的控制配方，每个配方包括工件编号、夹具编号、每个铆孔的X轴向位移和Y轴向位移、送钉种类、铆接参数和标准铆接位置照片组成，由PLC根据配方对与之相连的各个装置进行协调控制，实现对工件铆接过程的柔性控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：
①工件的装夹：
a.操作人员根据工件的种类，更换工件夹具并通过触摸屏手动选择与工件对应的配方；
b.夹具检测装置读取夹具上的夹具编号Mj，并将读取的夹具编号Mj反馈给PLC；
c.PLC将收到的夹具编号Mj与配方中的夹具编号进行对比，若两者不一致，则设备停机报警，并在触摸屏输出报警信息；若两者一致，执行下一步；
d.操作人员利用工件夹具将工件装夹在伺服送料平台上，工件到位检测装置对工件放置位置进行检测，并将得到的工件到位信号或工件未到位信号反馈给PLC；
e.若PLC收到的是工件到位检测装置输出的工件未到位信号，则控制设备停机并通过触摸屏输出报警信息，若PLC收到的工件到位信号，执行下一步；
②工件的铆接：
a.PLC将铆孔编码Mn设置为1，并根据配方中第一个铆孔的X轴向位移X1和Y轴向位移Y1，控制伺服送料平台沿X轴移动X1，沿Y轴移动Y1，从而将第一个铆孔移动到铆接位置；
b.第一个铆孔移动到位后，PLC控制视觉引导相机对铆孔进行拍照并与配方中的标准铆接位置照片进行对比，计算出铆孔坐标在X轴方向的偏差值△X和在Y轴方向的△Y，再将偏差值反馈给PLC；
c.PLC将此偏差值发送给送料平台,使送料平台在X轴方向继续移动△X，在Y轴方向继续移动△Y，完成位置纠偏；
d.完成位置纠偏后，PLC给送钉装置发送送钉信号，送钉装置根据配方中记载的第一个铆孔的送钉种类给铆接设备送钉；
e.送钉到位后，PLC给铆接设备发送压铆信号，铆接设备完成第一个铆钉的铆接动作；
f.PLC将铆孔编码Mn加1，重复上述操作，直至完成工件上所有铆孔的铆接。
3.根据权利要求2所述的一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，其特征是，所述铆接控制***还包括与PLC相连的视觉检测相机，在每种工件的控制配方中存储有标准的铆接后效果照片，铆接设备每完成一个铆孔的铆接动作，PLC控制视觉检测相机对铆接效果进行检测，具体检测流程如下：
a.PLC给视觉检测相机发送检测信号；
b.视觉检测相机对铆接后位置拍照，然后将照片与配方中的标准铆接后效果照片进行对比，并将对比结果发送至PLC；
c.若铆接后位置照片与配方中的标准铆接后效果照片不一致，则PLC控制设备停机并通过触摸屏发送报警信息；若二者一致，则该铆孔的压铆流程结束，PLC进入下一个铆接循环。
4.根据权利要求3所述的一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，其特征是，所述视觉引导相机对铆孔进行拍照并与配方中的标准铆接位置照片进行对比后，如果计算出的铆孔坐标在X轴方向的偏差值△X和在Y轴方向的△Y有任何一个值大于设定的极限值，则该偏差值为无效数据，需要重新拍照，重新计算偏差值，若出现的无效数据超过10次，则PLC控制设备停机并通过触摸屏发送报警信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，其特征是，所述伺服送料平台设有X轴伺服***和Y轴伺服***，所述X轴伺服***和Y轴伺服***通过PN通讯接口与PLC连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，其特征是，所述夹具检测装置为读码器，在工件的夹具上设有与读码器相对应的二维码，所述读码器从该二维码中读取夹具编号。
7.根据权利要求6所述的一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，其特征是，所述工件到位检测装置为安装在送料平台上的接近开关，所述接近开关与安装在送料平台上的工件相对应。
8.根据权利要求7所述的一种基于视觉引导的自动铆接柔性控制方法，其特征是，铆孔坐标在X轴方向的偏差值△X和在Y轴方向的△Y的极限值为3mm。
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