CN102085611B - 应变片自动装配方法及装配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应变片自动装配方法及装配系统，它包括采用工控机控制机械臂进行对应变片的自动装配，通过采用对中相机和寻底相机对应变片吸取位置和放置位置进行图像采集，通过对中相机的图像信息计算出应变片中心位置、偏转角度以及偏移量；同时根据寻底相机提供的放置应变片的弹性体图像信息计算出弹性体型号、方向以及装配孔的中心位置；得到这些信息后，通过通信信道把这些信息传输至机械臂控制柜，机械臂控制柜根据这些信息得到机械臂的运动路径，控制机械臂的运动轨迹，同时控制气吸放控制器进行相应的吸取、放置操作。本发明得到了较好的应变片装配精度、一致性和可靠性，解决了定位传感器使用寿命对系统可靠性的影响。

Description

应变片自动装配方法及装配系统

技术领域

本发明涉及一种用于制造称重传感器的技术，特别是一种应变片自动装配方法及装配系统。

背景技术

通常，应变片装配系统用于电子工业中压力传感器等制造业，应变片为压力传感器的力敏感元件，将物理的力信号转换为电信号。因此，在压力传感器的生产过程中，须将应变片装配至弹性体的力敏感位置，且应变片粘贴的位置对传感器性能的影响启决定性作用。目前应变片装配在国内基本上采用手工装配方式，在国外只有一些行业巨头在近些年才开始应变片自动装配方式。

在国内称重传感器制造生产过程中，应变片的贴片工序依靠工人手工贴片的方式完成。由于人工处理本身的不确定性，再加上称重传感器本身种类的多样性，很大程度上增加了贴片工序上的复杂度。在称重传感器的生产过程中，产品的废品率一直居高不下，严重地影响了产品的质量；更重要的是由于人工处理的不确定性，造成了合格产品质量的不确定性，且人工贴片的效率低下，贴片工序成为称重传感器生产过程中的一个瓶颈。

在国外称重传感器制造企业中，有一些上规模的企业开始采用自动装配设备代替人工操作。这些自动装配设备采用精密的定位传感器确定被装配的应变片盒位置和弹性体的位置，通过机械臂或其它装置实现应变片的拾取、搬运和装配。这种应变片自动装配设备其安装精度和可靠性由定位传感器决定，且不具备应变片吸取后检测装置。由于应变片具有质轻、薄的特性，因此在吸取过程中易发生轻微的偏移和偏转，容易影响产品的质量和一致性。

采用手工装配时，需要多名工人协同完成，事先取得应变片，在要装配的位置划出十字，然后将应变片对准装配位置的十字中心，从而完成应变片的装配。采用手工装配方式，对工人素质、熟练程度具有一定的要求，即使工人的素质、熟练程度足够高，还是会受到工人情绪、环境等影响，从而使生产出的压力传感器一致性受到影响。且采用手工方式进行应变片的装配，速度和精度都不慎理想。

应变片自动装配系统采用机械臂以及气吸系统实现应变片的吸取、搬运和放置动作，从而实现应变片的自动装配。图1为国外同行采用的应变片自动装配系统框图，如图所示，一套应变片自动装配系统包括一个用于执行装配的机械臂104，一个用于计算和控制机械臂运行轨迹的机械臂控制柜101，一个用于协助气吸、放系统的气源102，一套用于产生气吸、放动作的气吸、放控制器103，以及一个用于装配的平台106。其操作过程为：当操作人员按下启动键时，机械臂控制柜101控制机械臂104运行至应变片盒105的上方(平台107上装配有应变片盒定位装置)，机械臂控制柜101控制气吸、放系统103进行吸取操作，然后机械臂控制柜101控制机械臂104运行至弹性体上方(平台106上装配有弹性体定位装置)，一般机械臂104离弹性体107待装配位置几个毫米，机械臂控制柜101控气吸、放系统103进行放气操作，机械臂控制柜101控制机械臂104回到初始态，这样就完成了一次完整的应变片装配操作。如上所述，应变片自动装配系统中应变片盒与弹性体定位是通过平台上的定位装置实现的，没有考虑到气吸、放系统在吸取应变片的过程中应变片是否会发生偏转、飘移等因素，且没有考虑弹性体加工过程中尺寸是否一致，这样都会给装配的精度、一致性带来不可预测的结果。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供的一种在线装配过程中，通过实时地检测应变片与弹性体状态，及时修改机械臂运行路径，从而提高精度和一致性的应变片自动装配方法及装配系统。

为了达到上述目的，本发明所提供的一种应变片自动装配方法，它包括采用工控机控制机械臂进行对应变片的自动装配，其特征是机械臂在执行工控机对应变片的自动装配过程中，对应变片吸取和放置动作的精确定位是通过采用对中相机和寻底相机对应变片吸取位置和放置位置进行图像采集，通过对中相机的图像信息计算出应变片中心位置、偏转角度以及偏移量；同时根据寻底相机提供的放置应变片的弹性体图像信息计算出弹性体型号、方向以及装配孔的中心位置；得到这些信息后，通过通信信道把这些信息传输至机械臂控制柜，机械臂控制柜根据这些信息得到机械臂的运动路径，控制机械臂的运动轨迹，同时控制气吸放控制器进行相应的吸取、放置操作。

对中相机或寻底相机与工控机的通信方式是由USB通信方式或1394通信方式或网络通信方式实现；机械臂控制柜与工控机之间的通信方式是由串行通信或并行通信或USB通信方式实现，其中所述串行通信可以是1394通信方式，也可以是网络通信方式；机械臂控制柜与机械臂之间的通信方式由串行通信或并行通信或USB通信方式实现，其中所述的串行通信可以是1394通信方式，也可以是CAN通信方式，还可以是网络通信方式。

在实施过程中，所述工控机也可以由个人计算机PC替代。

为了实现上述应变片自动装配方法，本发明提供的一种应变片自动装配系统，包括机械臂、机械臂控制柜、工控机、平台、气吸放控制器和机械臂动作定位系统，平台上设置有放置应变片的弹性体安放区域和应变片盒定位区域，所述的机械臂动作定位系统包括对中相机和寻底相机，对中相机装配在平台中线的机械臂的远端，寻底相机通过支架设置在弹性体安放区域的上方；机械臂设置在平台的中线区，且靠近边缘的一侧。

所述的机械臂可以是直角坐标体系的三维机械臂、SCARA型机械臂或四自由度及以上的机械臂；在平台上安放弹性体和应变片盒的区域可设有固定装置。所述固定装置可以是“L”型槽，在“L”型槽旁可设有传感器，传感器可以是接近开关。

为了保护工作人员的人身安全和系统安全性，在应变片自动装配系统中可设有安防装置，所述的安防装置由金属框架、有机玻璃或玻璃以及光电传感器组成，其中光电传感器是直射型或反射型。

所述的气吸放控制器包括吸吹气头，所述的吸吹气头由吸气通道和吹气通道组成，吸气通道与吹气通道是分离式结构。从而不会造成吸吹气头内气流混乱。气吸放控制器不仅可以通过控制吸放控制器电磁阀的通断控制吸吹气头对应变片的吸取或放置动作，还可通过增加对不同电磁阀的控制，调节吸吹气头的吹气量。

使用时，在“L”型槽上可以根据需要装配或不装相应的传感器如接近开关等。工控机或PC可以独立安放，也可以放置在机械臂控制柜中；机械臂控制柜设计中不仅可以设置过压、欠压、过流等保护装置，还可集成一个工控机以及I/O输入输出卡、模拟量输入输出卡，根据需要可以进行扩展；工控机或个人计算机(PC机)包含应变片图像信息与弹性体图像信息提取的图像处理程序。

工作时，工控机根据对中相机和寻底相机提供的应变片和弹性体图像信息计算出机械臂的移动路径，并发送至机械臂控制柜，由机械臂控制柜中的工控机计算机械臂移动的修正命令和控制气吸放控制器进行相应的吸放动作。

其操作过程为：一.当操作人员按下启动键时，机械臂控制柜控制机械臂运行至应变片盒的上方，在平台上装配有应变片盒定位装置，离应变片几毫米；二.机械臂控制柜控制气吸、放控制器进行吸取操作；三.机械臂控制柜控制机械臂运行至对中相机处，同时寻底相机对弹性体图像信息进行采；四.对中相机对应变片进行图像采集；五.机械臂控制柜控制机械臂运行至弹性体上方，同时工控机根据弹性体图像信息与应变片盒内的应变片图像信息计算相应的坐标、偏移角度等信息并发送至机械臂控制柜，机械臂控制柜根据这些信息对机械臂路径规划进行修正；六.机械臂控制柜控制气吸、放控制器进行放置动作；七.机械臂回归至初始状态，完成一次应变片装配。

本发明得到了较好的应变片装配精度、一致性和可靠性，由于采用高精度的相机部件代替定位传感器，解决了定位传感器使用寿命对系统可靠性的影响问题和提高了应变片的装配精度，采用对中相机解决了应变片被吸取过程发生轻微偏移及偏转问题，提高了装配的精度和一致性。

附图说明

图1是现有应变片自动装配系统的方框图；

图2是本发明的应变片自动装配系统的方框图；

图3是气吸放控制器方框图；

图4是机械臂控制柜的方框图；

图5是工控机的方框图；

图6是视觉系统框图；

图7是本发明系统组成方框图；

图8是吸吹气头结构示意图。

图中：机械臂控制柜200；工控机201；气泵202；气吸放控制器203；寻底相机204；安防装置205；金属框架2051；有机玻璃2052；机械臂206；应变片盒207；对中相机208；弹性体209；平台210；主线气流调压阀302；连接器303；支路气流调压阀304；吸气支路电磁阀305；真空发生器306；吹气支路电磁阀307；吸吹气头308；吸气通道309；吹气通道310；接近开关401；光电传感器402；启停开关403；输入输出卡404；电源控制器407；吸放控制器电磁阀408；温度、烟雾传感器409；定位槽504；卡槽505。

具体实施方式：

下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例：

如图2、图7所示，本实施例提供的一种应变片自动装配方法，它包括采用工控机201控制机械臂206进行对应变片的自动装配，机械臂206在执行工控机201对应变片的自动装配过程中，对应变片吸取和放置动作的精确定位是通过采用对中相机208和寻底相机204对应变片吸取位置和放置位置进行图像采集，通过对中相机208的图像信息计算出应变片中心位置、偏转角度以及偏移量；同时根据寻底相机204提供的放置应变片的弹性体209图像信息计算出弹性体209型号、方向以及装配孔的中心位置；得到这些信息后，通过通信信道把这些信息传输至机械臂控制柜200，机械臂控制柜200根据这些信息得到机械臂206的运动路径，控制机械臂206的运动轨迹，同时控制气吸放控制器203进行相应的吸取、放置操作。

对中相机208或寻底相机204与工控机201的通信方式是由USB通信方式或1394通信方式或网络通信方式实现；机械臂控制柜200与工控机201之间的通信方式是由串行通信或并行通信或USB通信方式实现，其中所述串行通信可以是1394通信方式，也可以是网络通信方式；机械臂控制柜200与机械臂206之间的通信方式由串行通信或并行通信或USB通信方式实现，其中所述的串行通信可以是1394通信方式，也可以是CAN通信方式，还可以是网络通信方式。

所述工控机201可以由个人计算机PC替代。工控机201或个人计算机PC可以独立安放，也可以放置在机械臂控制柜200中。

为了实现上述应变片自动装配方法，本实施例提供的一种应变片自动装配系统，包括机械臂206、机械臂控制柜200、工控机201、平台210、气吸放控制器203和机械臂动作定位系统，其特征是所述的机械臂206是直角坐标体系的三维机械臂、SCARA型机械臂或四自由度及以上的机械臂；平台210上设置有放置应变片的弹性体209安放区域和应变片盒207定位区域，所述的机械臂动作定位系统包括对中相机208和寻底相机204，对中相机208装配在平台210中线的机械臂206的远端，寻底相机204通过支架设置在弹性体209安放区域的上方；机械臂206设置在平台210的中线区，且靠近边缘的一侧。

在平台210上安放弹性体209和应变片盒207的区域可设有固定装置。所述固定装置可以是“L”型定位槽504和卡槽505，在“L”型槽旁可设有传感器，传感器可以是接近开关401。在“L”型槽上可以根据需要装配或不装相应的传感器如接近开关等。机械臂控制柜200设计中不仅可以设置有过压、欠压、过流等保护装置，还可集成一个工控机以及I/O输入输出卡、模拟量输入输出卡，根据需要可以进行扩展；工控机或个人计算机(PC)机可包含应变片图像信息与弹性体图像信息提取的图像处理程序。

为了保护工作人员的人身安全和系统安全性，在应变片自动装配系统中可设有安防装置205，所述的安防装置由金属框架2051、有机玻璃或玻璃2052以及光电传感器402组成，其中光电传感器402可以是直射型或反射型。

如图8所示，所述的气吸放控制器203包括吸吹气头308，所述的吸吹气头308由吸气通道309和吹气通道310组成，吸气通道309与吹气通道310是分离式结构，从而不会造成吸吹气头内气流混乱。气吸放控制器203不仅可以通过控制吸放控制器电磁阀408的通断控制吸吹气头308对应变片的吸取或放置动作，还可通过增加对不同电磁阀的控制，调节吸吹气头的吹气量。

实施时，所述的气吸放控制器203包括气泵202、主线气流调压阀302、连接器303、支路气流调压阀304、吸气支路电磁阀305、真空发生器306、吹气支路电磁阀307和吸吹气头308。

如图4所示为一种用于本发明的机械臂控制柜，所述机械臂控制柜200包括若干用来检测弹性体209放置到位的接近开关401，也可以通过图像检测来实现，若干用于检测应变片盒207是否到位或在工作区域是否有人存在的光电传感器402，若干如启动、停止等按钮的启停开关403，若干温度、烟雾传感器409，通过输入输出卡404接至机械臂控制柜200，机械臂控制柜200通过输入输出卡404或通信协议控制机械臂206或电源控制器407、气吸放控制器电磁阀408等，气吸放控制器电磁阀408可装配在气吸放控制器中203。

其工作原理为：当接近开关401有信号输出时，表明弹性体209已装配到位，如果本发明所涉及的系统正在工作，就可以完成一次完整的应变片装配，如没有信号，则机械臂206至多只能运行到对中相机208处，直到接近开关401有信号输出，当然，接近开关也可省略，可以通过图像识别的方法实现，这两方式各有优点与缺点。当应变片盒207的固定装置上的光电传感器402没检测到信号时，系统不能工作，发出声音或灯光信号提醒工作人员装配应变片盒，只有在应变片盒装配完后，系统才能开始工作。当安防装置205中的光电传感器有信号输出时，通过I/O输入输出卡404输至机械臂控制柜200时，机械臂控制柜200发出停止机械臂运动的指令，直至信号解除，当安防装置205中的温度、烟雾传感器409报警器发出信号传输至机械臂控制柜200时，机械臂控制柜200输出控制信号控制电源控制器407，切断整个系统电源。当按钮有信号输入至机械臂控制柜200时，机械臂控制柜200则执行相应的操作即可。

如图5所示，所述的装配平台210包括一用于装配的机械臂206，一用于应变片图像采集的对中相机208，一用于弹性体图像采集的寻底相机204，一用于应变片盒207定位的定位槽504，一用于弹性体209定位的卡槽505，若干用于检测弹性体209是否放置到位的接近开关401和若干用于检测应变片盒207是否装配到位的光电传感器402等。

本发明提供的应变片自动装配系统，其工控机201根据对中相机208和寻底相机204提供的应变片和弹性体图像信息计算出机械臂206的移动路径，并发送至机械臂控制柜200，由机械臂控制柜200中的工控机201计算机械臂206移动的修正命令和控制气吸放控制器203进行相应的吸放动作。因此，在应变片自动装配系统中，在装配过程中由工控机201和机械臂控制柜200协同控制机械臂206的移动和应变片的吸、放动作。

其中：控制柜200用于计算和控制机械臂206运行轨迹；工控机201用来处理应变片、弹性体相关信息；气吸放控制器203用来拾取、搬运和放置应变片；寻底相机204用来检测弹性体相关信息；安防装置205用来防护安全；机械臂206用于执行装配；应变片盒207用于存放应变片；对中相机208用来检测被拾取后应变片相关信息；工作平台210用来放置机械臂206、弹性体209和应变片盒207。

其操作过程为：一.当操作人员按下启动键时，机械臂控制柜200控制机械臂206运行至应变片盒207的上方，在平台210上装配有应变片盒固定装置，离应变片几毫米；二.机械臂控制柜200控制气吸放控制器203进行吸取操作；三.机械臂控制柜200控制机械臂206运行至对中相机208处，同时寻底相机204对弹性体图像信息进行采集；四.对中相机208对应变片进行图像采集；五.机械臂控制柜200控制机械臂206运行至弹性体209上方，同时工控机201根据弹性体209图像信息与应变片盒207内的应变片图像信息计算相应的坐标、偏移角度等信息并发送至机械臂控制柜200，机械臂控制柜200根据这些信息对机械臂206路径规划进行修正；六.机械臂控制柜200控制气吸放控制器203进行放置动作；七.机械臂206回归至初始状态，完成一次应变片装配。

如图3所示为一种用于本发明的气吸放控制器203，包括一用来提供气源的气泵202，一用来调节主线气流的主线气流调压阀302，若干连接器303，若干调节支路气流的支路气流调压阀304、若干用于控制支路通断的吸气支路电磁阀305，一个或多个真空发生器306。

其工作过程为：当机械臂206运行至应变片正上方距离应变片几毫米时，机械臂控制柜200控制吸气支路电磁阀305吸合，从而使支路气流处于通的状态，真空发生器306由于有气通入，进行真空转换，从而使真空发生器306的输出端发生吸气行为，真空发生器306输出端输送至吸吹气头308的吸气端，从而促使吸吹气头308进行吸取应变片的操作。吸吹气头308吸取完应变片后，机械臂控制柜200控制机械臂206运行至对中相机208进行应变片图像采集、在运行至弹性体209待装配位置上方几毫米处，在这过程中，吸气气路始终处于通的状态。当机械臂206运行至弹性体209待装配位置后，机械臂控制柜200控制吹气支路电磁阀307吸合，从而使吹气支路也处于通的状态，控制吹气支路电磁阀307的输出端连接至吸吹气头的吹气输入端，从而使吹气端吹出气体，由于吹起气压远大于吸气气压，因此能顺利的执行放置动作，接着机械臂控制柜200控制吸气支路电磁阀305管段，从而关闭吸气支路，延时关闭吹气通道，完成一次应变片的装配。在系统中，可以根据需要增加吸气和吹气通道，从而使系统根据适用性。

如图6所示为一种用于本发明的视觉系统，包括一用于应变片图像采集的对中相机208，一个用于弹性体图像采集的寻底相机204，一个用于图像处理和装配管理的工控机201。为有效地解决应变片和弹性体的识别和定位问题，本发明将以自适应目标分割为基础，结合数字矩分析实现对图像中不同形状标记点的检测。应变片的中轴通常由具有特殊形状(三角形或矩形)的标记点确定，而方向则由电阻丝的绕行方向确定。研究中，将在对目标二值化的基础上首先提取目标的数字矩特征，再用BP神经网络对特征进行分类，以实现高鲁棒性的目标检测；还将以梯度向量场为对象，用统计分析的方法确定电阻丝的绕行方向。弹性体应变测点位于圆盘状凹面的中心，研究中将用多尺度边缘检测与Hough变换相结合的方法确定应变片装配位置。由于图像采集后的处理及其识别不是本发明的关键特征，并且也是图像处理识别技术人员所熟知的，所以在此不做展开论述。

为了使整个系统有序、稳定地运行，必须通过相应的通信方式促使系统内数据按一定的规律进行传输和处理。寻底相机、对中相机与工控机可以通过USB、1394协议或网络通信的方式进行数据或命令传输；工控机与机械臂控制器之间可以通过串行、并行、USB、1394协议或网络通信的方式进行数据或命令传输；机械臂控制器与机械臂之间可以通过CAN总线、串行、并行、USB、1394协议或网络通信的方式进行数据或命令传输。

在实际应用中大多数PC机都采用RS-232通信方式。因此，只要识别是否计算机配备了RS-232来检测个人电脑(PC)就足够了。

并行通信是一种用于象打印机这样的计算机外部设备与计算机主体之间通信的通信方式。

LAN是一种本地通讯网，该网络的装配时为了共享一个连接到位于相对狭窄的空间的许多计算机的大容量存储器。通过构造LAN，包含在许多计算机内的信息被共享并且这些计算机连接到一个能够彼此相互高速度的交换信息的信息网络。

计算机接口1394，俗称火线接口，我们可以知道IEEE1394是一种外部串行总线标准，它可以达到400MB/s的数据传输速率，十分适合视频影像的传输。利用等时性传输来保证实时性。所以，为了保证图像的实时传输，主计算机和摄像机201，202之间可以采用1394通信方式。

控制器局域网CAN(Controller Area Network)是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。用通讯数据块编码，可实现多主工作方式，数据收发方式灵活，可实现点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式。

Claims (10)

1.一种应变片自动装配方法，它包括采用工控机控制机械臂进行对应变片的自动装配，其特征是机械臂在执行工控机对应变片的自动装配过程中，对应变片吸取和放置动作的精确定位是通过采用对中相机和寻底相机对应变片吸取位置和放置位置进行图像采集，通过对中相机的图像信息计算出应变片中心位置、偏转角度以及偏移量；同时根据寻底相机提供的放置应变片的弹性体图像信息计算出弹性体型号、方向以及装配孔的中心位置；得到这些信息后，通过通信信道把这些信息传输至机械臂控制柜，机械臂控制柜根据这些信息得到机械臂的运动路径，控制机械臂的运动轨迹，同时控制气吸放控制器进行相应的吸取、放置操作。

2.根据权利要求1所述的应变片自动装配方法，其特征在于对中相机或寻底相机与工控机的通信方式是由USB通信方式或1394通信方式实现；机械臂控制柜与工控机之间的通信方式是由串行通信或并行通信实现；机械臂控制柜与机械臂之间的通信方式由串行通信或并行通信实现。

3.根据权利要求1或2所述的应变片自动装配方法，其特征在于所述工控机由个人计算机PC替代。

4.一种应变片自动装配系统，包括机械臂、机械臂控制柜、工控机、平台、气吸放控制器和机械臂动作定位系统，其特征是平台上设置有放置应变片的弹性体安放区域和应变片盒定位区域，所述的机械臂动作定位系统包括对中相机和寻底相机，对中相机装配在平台中线的机械臂的远端，寻底相机通过支架设置在弹性体安放区域的上方；机械臂设置在平台的中线区，且靠近边缘的一侧。

5.根据权利要求4所述的应变片自动装配系统，其特征是所述的机械臂是直角坐标体系的三维机械臂或四自由度及以上的机械臂；在平台上安放弹性体和应变片盒的区域设有固定装置。

6.根据权利要求5所述的应变片自动装配系统，其特征是所述固定装置是“L”型槽，在“L”型槽旁设有传感器。

7.根据权利要求4或5所述的应变片自动装配系统，其特征在于在应变片自动装配系统中设有安防装置，所述的安防装置由金属框架、有机玻璃或玻璃以及光电传感器组成，其中光电传感器是直射型或反射型。

8.根据权利要求4或5所述的应变片自动装配系统，其特征在于所述的气吸放控制器包括吸吹气头，所述的吸吹气头由吸气通道和吹气通道组成，吸气通道与吹气通道是分离式结构。

9.根据权利要求6所述的应变片自动装配系统，其特征在于所述的气吸放控制器包括吸吹气头，所述的吸吹气头由吸气通道和吹气通道组成，吸气通道与吹气通道是分离式结构。

10.根据权利要求2所述的应变片自动装配方法，其特征在于机械臂控制柜与工控机之间的串行通信是1394通信方式或USB通信方式；机械臂控制柜与机械臂之间的串行通信是1394通信方式或CAN通信方式或USB通信方式。

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