CN103862154B - 针对太阳电池阵电路电阻焊接的图像识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种针对太阳电池阵电路电阻焊接的图像识别系统，包括工控机、伺服系统、焊接系统、人机交互系统、图像识别系统；工控机上带有键盘、鼠标和显示屏；伺服系统包括四个轴的伺服控制；焊接系统包括焊接工装、焊接电源、焊接压力监视器、焊接电极、焊接头；人机交互系统控制PCI板卡实现四个轴的逻辑运动；图像识别系统包括识别侧光源、全景相机、焊点识别相机以及焊接过程监视相机，全景相机、焊点识别相机以及焊接过程监视相机均通过网线与工控机的网卡进行连接，通过与人机交互系统通讯，将相机拍摄的图片或者视频在显示屏上显示。本发明图像识别系统具有自动补焊功能，在保证了焊点精确自动识别的前提下，也提高了识别以及焊接效率。

Description

针对太阳电池阵电路电阻焊接的图像识别系统及方法

技术领域

本发明涉及针对太阳电池阵电路电阻焊接的图像识别系统及方法，应用于卫星、空间站等航天器用太阳电池阵领域。

背景技术

在目前，国内外的太阳电池阵研制生产中，对于太阳电池组件、功率信号电缆、电路元器件等单元的联接多数采用传统软钎焊焊接工艺。在太空中低温度时软钎焊焊料的锡材料有粉末化倾向，使焊点出现如下不可避免的缺陷：

锡焊工艺所用的软钎焊焊料在GEO、深空探测轨道极限低温条件下，存在固有的“冷脆性”（极限低温下软钎焊焊料粉末化），导致极限低温条件下焊点寿命与可靠性降低；LEO轨道数万周次的冷热交变，造成软钎焊焊料热疲劳，导致焊点寿命降低。

因此，必须改变太阳电池阵电路传统的焊接方式，提高太阳电池阵焊点在轨的环境适应性与可靠性，太阳电池阵电路电阻焊接的自动图像识别系统不仅解决了软钎焊焊接工艺带来的航天器应用的局限性，而且能保证焊接精度、焊接一致性以及生产效率，提高焊点的环境适应性以及可靠性、寿命，为太阳电池阵研制生产提供了保障。

本发明主要解决太阳电池阵上导线、二极管以及元器件管脚与电路进行电阻焊接连接问题，不仅取代传统的软钎焊焊接工艺，而且通过自动识别焊点位置图像、自动进行电阻焊接，提高了焊接的可靠性、稳定性和生产效率。试验证明，本发明在焊接的可靠性、稳定性和生产效率上的作用显著，完全满足卫星、空间站等型号的生产要求。

据查询，乔凤斌等人发表于《制造技术研究》杂志的《太阳电池阵枪式微型电阻焊接系统》文献中介绍了一种太阳电池阵电阻焊接系统，该焊接系统能够实现太阳电池阵电路的电阻焊接连接。但是该焊接系统仅能实现人工定位焊接位置，人工调整焊接位置精度，难以避免人工操作带来的焊接位置误差，影响焊接一致性及焊接质量可靠性的同时也极大的降低了焊接效率。另外，授权公告号为CN201906929U的中国实用新型专利公开了一种“基于图像识别技术的全自动焊接系统”，包括带有键盘、鼠标和显示屏的微机、以及与微机相连的三维伺服机构、垂直光学装置和焊接装置构成，该系统用于电子元器件上焊线的超声波焊接。为了能够实现全自动焊接，该系统采用两套光学装置，一套作用于被焊件的拍摄，一套作用于光源以及Z轴的校正。对于电子元器件上焊线的超声波焊接而言，实现全自动焊接比较容易。首先，焊接平台采用水平方式放置，电子元器件只要放在该平台上，再不施加外力的情况下，可以保证其位置不发生移动；其次是每个电子元器件安放的位置都是事先固定，例如放在印制板上，因而方便电子元器件的安放；再者，利用该套系统进行焊接，焊接对象多为标准件，弱化了焊点识别难度。而在太阳电池阵研制生产中，若沿用该系统，将出现以下不足：

1、焊接时，焊接对象已与太阳电池板连接，需要必要焊接保护措施，防止焊接过程对太阳电池板产生损伤，而该套系统无此防护措施；

2、太阳电池板尺寸不固定，大至1.7m×3.4m，小至0.4m×0.8m。对于小尺寸的太阳电池板，该套系统可以胜任，但是尺寸比较大时，对该系统来说，是一种挑战，在不知道太阳电池板上各个焊区位置的情况下，该套系统的效率将非常低下，而且会占用很大的操作空间；

3、焊接对象的形状不规则，增加了图像识别的难度，焊区内有时会有两根或者两根以上的导线进行电阻焊接，焊区小、焊点多，无疑再次增加了图像识别的难度，对于只有中央控制器的识别系统而言，识别效率不言而喻，因为要先将图片通过串口从识别相机传到中央控制器，再对该图像进行识别；

4、采用超声波焊接，现阶段不能确认该焊接方式满足空间环境适应能力。

本发明主要应用于空间用太阳电池阵电路的电阻焊接，其安全性、可靠性、精确性要求非常高，因此在工艺方法和应用领域具有发明创新性。

目前没有发现国内有同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

目前，太阳电池阵电路电阻焊机应用于面积较大的太阳电池阵，且被焊导线的直径大小不一，采用手动操作焊枪进行焊接位置定位，难免会导致焊接位置定位不便、定位精度较差，不仅影响生产效率、存在焊接质量隐患，而且存在操作人员碰触太阳电池阵导致安全事故。配备自动图像识别系统的太阳电池阵电路电阻焊机能够自动准确的对准焊接位置，并实现电阻焊接的远程操作，解决太阳电池阵研制生产中的上述缺陷和不足。

为解决上述问题，本发明所涉及的一种针对太阳电池阵电路电阻焊接的图像识别系统，该系统包括工控机、伺服系统、焊接系统、人机交互系统、图像识别系统；所述工控机上带有键盘、鼠标和显示屏；所述伺服系统包括X、Y、Z、U四个轴的伺服控制；所述伺服系统包含X、Y轴伺服系统控制焊接平台的X、Y方向的运动；Z轴伺服系统控制焊枪的前后运动；U轴伺服系统控制识别相机的前后运动；所述焊接系统包括焊接工装、焊接电源、焊接压力监视器、焊接电极、焊接头；所述焊接工装由焊接平台和焊接支撑架组成，焊接平台为支撑焊接电源、焊接压力监视器、焊接电极、焊接头的平台，焊接支撑架为固定太阳电池板的机构，采用立式机床形式；所述焊接电源与工控机之间通过RS232进行通讯，实现与数据的传输；所述焊接压力监视器与工控机之间通过RS232进行通讯，实现信号与数据的传输；所述焊接电极安装在焊接头上；所述人机交互系统采用Lab-view编译，控制PCI板卡实现X、Y、Z、U四个轴的逻辑运动；所述图像识别系统包括识别侧光源、全景相机、焊点识别相机以及焊接过程监视相机，所述全景相机、焊点识别相机以及焊接过程监视相机均通过网线与工控机的网卡进行连接，通过与人机交互系统之间的通讯，将相机拍摄的图片或者视频在工控机显示屏上显示。

进一步，所述图像识别系统中，全景相机放置在电阻焊接系统前端，距离5米处，拍摄图片为整个太阳电池板，需涵盖太阳电池板单面所有焊接区域；焊点识别相机放置在焊枪右上方，X方向距离78.5mm，Y方向距离185mm处，拍摄图片为具体焊接部位；焊接过程监视相机对整个焊接过程进行实时监控；侧光源上下与左右各一对侧光源，分别用来识别银互连片与导线、二极管或者元器件管脚。

作为上述任一种方式的改进，所述焊接系统的控制由Z轴伺服系统完成，所述Z轴伺服系统带有一个可编程的伺服驱动器，可将焊枪的焊接动作通过编程，实现焊接所需的各个工作步骤。

作为上述发明的改进，所述识别侧光源与焊点识别相机均安装在U轴上，两者相对固定，U轴前后移动受到激光测距仪的约束，保证光源与太阳电池板表面的距离，同时也使焊点识别相机在每次拍照前都与太阳电池板保持一定的距离，保证图片清晰度。

本发明的另一方面在于：一种针对太阳电池阵电路电阻焊接的自动图像识别方法，包括以下步骤：首先由全景相机对焊接对象进行拍摄，拍摄的图片通过全景相机与工控机之间的通讯，在人机界面上显示，并保存下来；随后用鼠标在该图片上对焊区进行选择，即：焊接区域，从左上到右下，左上这一点最好贴近待焊件；在人机交互系统界面上点击确认按钮，焊接平台将会自动移动到所选区域的左上角，此时焊点识别相机镜头的中心位置对准左上这一点的坐标；然后U轴伺服系统开始朝太阳电池板方向运动，直至设定值，此时焊点识别相机开始拍摄；焊点识别相机自带的处理器对该图片进行焊点识别，随后就将焊点坐标通过RS232发送给工控机，在人机界面上显示；点击执行焊接，焊接头随即运动到第一焊点的坐标位置进行焊接，完成后自动运动到第二个焊点，进行焊接操作，直到所识别的焊点结束焊接为止；在焊接过程中，一旦反馈的焊接参数发生异常，将会进行补焊操作。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、基于图像自动识别技术，通过全景相机对整个焊接对象（不同规格的太阳电池板）进行拍摄，该图片只是太阳电池板的正面或者背面，包含了一面所有的焊区。随后全景相机与工控机通过网线进行通讯，将该图片传送至人机界面，通过鼠标对焊区的选取，焊接平台可以自动移动到该焊区的左上角，实现了焊区的任意选取以及自动定位，焊点识别相机自带的处理器会对镜头中的待焊件进行焊点自动识别，将焊点坐标通过RS232传送至工控机，焊枪随即将移动到第一焊点的坐标位置，然后进行焊接操作，第一个焊点焊接完成后将自动移至第二点，在保证了焊点精确自动识别的前提下，也提高了识别以及焊接效率；

2、采用立式机床形式，方便太阳电池板中间部位焊接操作，适应大面积太阳电池板的安装以及后续的焊接；

3、系统具有自动补焊功能。（因电极头部氧化或者焊接温度过高导致焊接接触部位粘连等问题引起焊接电流下降，造成该焊点状态与整体不一致，需补焊）。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明针对太阳电池阵电路电阻焊接的自动图像识别系统的结构框图；

图2为本发明针对太阳电池阵电路电阻焊接的自动图像识别系统的原理框图；

图3为本发明针对太阳电池阵电路电阻焊接的自动图像识别系统的程序框图；

图4、图5为本发明针对太阳电池阵电路电阻焊接的自动图像识别系统的焊点识别图片。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。

本发明针对太阳电池阵电路电阻焊接的自动图像识别系统的结构框图如图1所示；采用立式机床形式，方便太阳电池板中间部位焊接操作，适应大面积太阳电池板的安装以及后续的焊接。其主要由工控机、伺服系统、焊接系统、人机交互系统、图像识别系统组成；其中工控机上带有键盘、鼠标和显示屏；伺服系统包括X、Y、Z、U四个轴的伺服控制；焊接系统包括焊接工装、焊接电源、焊接压力监视器、焊接电极、焊接头；人机交互系统采用Lab-view编译；图像识别系统包括识别侧光源、全景相机、焊点识别相机以及焊接过程监视相机。三个相机均通过网线与工控机的网卡进行连接，通过与人机交互系统之间的通讯，将相机拍摄的图片或者视频在工控机显示屏上显示。键盘和鼠标用于预设系统相关参数，并用鼠标选定焊区以及手动选定焊点。

上述所述伺服系统包含X、Y轴伺服系统控制焊接平台的X、Y方向的运动；Z轴伺服系统控制焊枪的前后运动；U轴伺服系统控制识别相机的前后运动，四根轴的逻辑运动由Lab-view控制PCI板卡，继而对逻辑进行控制。所述焊接工装由焊接平台和焊接支撑架组成，焊接平台为支撑焊接电源、焊接压力监视器、焊接电极、焊接头的平台，焊接支撑架为固定太阳电池板的机构，采用立式机床形式，方便太阳电池板中间部位焊接操作；焊接电源是为电阻焊接提供焊接时所需的焊接时间与电流值，其与工控机之间通过RS232进行通讯，实现与数据的传输；焊接压力监视器是为了监视焊接时压力的实时变化，其与工控机之间通过RS232进行通讯，实现信号与数据的传输；焊接电极安装在焊接头上，是焊接的执行单元。所述图像识别系统中，全景相机放置在电阻焊接系统前端，距离5米处，拍摄图片为整个太阳电池板，需涵盖太阳电池板单面所有焊接区域；焊点识别相机放置在焊枪右上方，X方向距离78.5mm，Y方向距离185mm处，拍摄图片为具体焊接部位；焊接过程监视相机对整个焊接过程进行实时监控；侧光源上下于左右各一对侧光源，分别用来识别银互连片与导线、二极管或者元器件管脚。由Lab-view编译的人机界面将各个系统有机的融合在一起，用于完成整个系统的核心控制。焊接系统的控制由Z轴伺服系统完成，其带有一个可编程的伺服驱动器，可将焊枪的焊接动作通过编程，实现焊接所需的各个工作步骤。识别侧光源与焊点识别相机均安装在U轴上，两者相对固定，U轴前后移动受到激光测距仪的约束，保证光源与太阳电池板表面的距离，同时也使焊点识别相机在每次拍照前都与太阳电池板保持一定的距离，保证图片清晰度；由于待焊件与太阳电池板通过空间用硅橡胶粘连，焊接时为了保证焊接质量，避免焊接出错或者误操作对太阳电池板造成损伤，运用焊接监视相机对整个焊接过程进行实时监控，可避免上述危险，也可记录焊接过程。

由于全景相机拍摄的目标过大，全景相机的镜头不是一个平面，而是一个凸面，这就导致了拍摄出来的图片部分会出现变形与扭曲，进一步表现为焊接平台移动到焊区的位置会出现小范围的偏差，但一般情况下不会影响所选焊区识别。焊点识别相机自带的处理器对焊点识别相机拍摄的图片采用模板匹配算法对焊点进行识别；图像识别系统通过与工控机进行通讯，将图像识别后的焊点信息传送给控制系统，焊枪自动移至第一个焊点位置，操作人员确认信息后进行焊接操作，第一点焊接完成后，焊枪自动移至下一个焊点，依次进行焊接生产。由于焊接对象的特殊性，必须要对焊接过程进行实时监控以及必要的保护措施，也要尽量减少补焊、漏焊现象的出现。一方面，选取合适范围的焊接参数，对焊点的一致性、力学可靠性至关重要；另一方面，对整个系统的控制程序进行优化也是很有必要。

本发明一种针对太阳电池阵电路电阻焊接的自动图像识别系统的原理框图如图2所示。自动图像识别系统的原理如下：首先由全景相机对焊接对象进行拍摄，拍摄的图片通过全景相机与工控机之间的通讯，在人机界面上显示，并保存下来；随后用鼠标在该图片上对焊区进行选择，即：焊接区域，从左上到右下，左上这一点最好贴近待焊件；在人机界面上点击确认按钮，焊接平台将会自动移动到所选区域的左上角，此时焊点识别相机镜头的中心位置对准左上这一点的坐标；然后U轴开始朝太阳电池板方向运动，直至设定值，此时焊点识别相机开始拍摄；焊点识别相机自带的处理器对该图片进行焊点识别，随后就将焊点坐标通过RS232发送给工控机，在人机界面上显示；点击执行焊接，焊枪随即运动到第一焊点的坐标位置进行焊接，完成后自动运动到第二个焊点，进行焊接操作，直到所识别的焊点结束焊接为止。在焊接过程中，一旦反馈的焊接参数发生异常，将会进行补焊操作。

上述一种针对太阳电池阵电路电阻焊接的图像识别系统的程序框图如图3所示，具体包括如下步骤：

a将需要电阻焊接的太阳电池板单面背对焊接支撑架进行安装以及固定，安装前，需要将焊接平台移出太阳电池板的安装范围，方便后续的图像拍摄，避免焊区的遮挡；固定好以后，在单面焊接完成之前，该太阳电池板不可拆卸，否则步骤需要重新开始；

为了满足焊接要求，使后续焊接顺畅，焊点外观以及一致性满足要求，在对太阳电池板进行安装固定时，太阳电池板的安装尽量平整，不要倾斜；焊枪在执行焊接时，其电极头横截面的长边需要与待焊件的走向垂直，待焊接的状态有两种，即X、Y两个方向都可以放置，故焊枪的状态也有两种，如太阳电池板倾斜安装，将影响焊点外观，甚至焊点的焊接质量；为了使焊枪能够在两种状态下自由切换，设计了90度焊枪切换工装；

b在人机界面上点击系统自检按钮，随后系统控制程序将检查工控机与各个相机、焊接电源、压力监视器、伺服驱动器之间的通讯是否正常；

c设置焊接参数，在焊接电源上设置焊接电压、焊接时间；在压力监视器上设置焊接放电时

d利用X、Y轴的磁栅对焊接平台当前的位置进行记录，并保存在程序寄存器中；打开全景相机，对太阳电池板单面进行拍摄，拍摄后的图片经过全景相机与工控机之间的网线传输至人机界面上显示，并保存；所拍图像需涵盖太阳电池板单面所有焊接区域，该图像为静止图像，在该图像上，可以看到焊接区域的导线、二极管及元器件管脚；

e对焊区进行选择，选择区域为一矩形框，从左上至右下确定所选焊区的范围，起始点，即：左上这一点需要贴近待焊件，防止由于全景相机的拍摄图像存在变形，导致焊接平台在X、Y方向的自动移动偏差过大，焊点识别相机拍摄不到待焊件；焊区一旦确定，点击焊区选取界面上的确定按钮，焊接平台就会自动移动到该选择焊区左上角，随后U轴开始朝太阳电池板移动，一直移动到激光测距仪设定的距离为止；

f根据待焊件之间在X、Y方向是否存在规律，对待焊件的规律进行设置，并在待焊件的底部添加钨铜散热片；

g打开焊点识别相机，对焊点识别相机镜头中的待焊件进行拍摄，焊点识别相机自带的处理器对该图片进行焊点识别，随后将焊点识别信息，即焊点坐标通过RS232传送给工控机，并在人机界面上显示；

h在焊点识别界面点击开始焊接按钮，焊枪将自动移动到第一焊点处（焊点先后顺序按照焊点坐标来进行排序），对待焊件进行焊接，完成第一个点的焊接后，焊枪回到设定位置，随后焊接平台自动移动到第二个焊点的位置，对第二个焊点进行焊接，直到该焊区的所有焊点均被执行焊接为止，在焊接过程中，如焊接参数发生异常，将会在人机界面上跳出补焊对话框，对该焊点进行补焊操作；

j完成整块板的电阻焊接，输出电阻焊接焊点图，方便操作人员对焊区进行核对，确保焊接完成。

上述一种针对太阳电池阵电路电阻焊接的图像识别系统的焊点识别图片如图4、图5所示。

本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种针对太阳电池阵电路电阻焊接的图像识别系统，其特征在于，该系统包括工控机、伺服系统、焊接系统、人机交互系统、图像识别系统；

所述工控机上带有键盘、鼠标和显示屏；

所述伺服系统包括X、Y、Z、U四个轴的伺服控制；所述伺服系统包含X、Y轴伺服系统控制焊接平台的X、Y方向的运动；Z轴伺服系统控制焊枪的前后运动；U轴伺服系统控制识别相机的前后运动；

所述焊接系统包括焊接工装、焊接电源、焊接压力监视器、焊接电极、焊接头；所述焊接工装由焊接平台和焊接支撑架组成，焊接平台为支撑焊接电源、焊接压力监视器、焊接电极、焊接头的平台，焊接支撑架为固定太阳电池板的机构，采用立式机床形式；所述焊接电源与工控机之间通过RS232进行通讯，实现信号与数据的传输；所述焊接压力监视器与工控机之间通过RS232进行通讯，实现信号与数据的传输；所述焊接电极安装在焊接头上；

所述人机交互系统采用Lab-view编译，控制PCI板卡实现X、Y、Z、U四个轴的逻辑运动；

所述图像识别系统包括识别侧光源、全景相机、焊点识别相机以及焊接过程监视相机，所述全景相机、焊点识别相机以及焊接过程监视相机均通过网线与工控机的网卡进行连接，通过与人机交互系统之间的通讯，将相机拍摄的图片或者视频在工控机显示屏上显示；

所述图像识别系统中，全景相机放置在电阻焊接系统前端，距离5米处，拍摄图片为整个太阳电池板，需涵盖太阳电池板单面所有焊接区域；焊点识别相机放置在焊枪右上方，X方向距离78.5mm，Y方向距离185mm处，拍摄图片为具体焊接部位；焊接过程监视相机对整个焊接过程进行实时监控；侧光源上下与左右各一对侧光源，分别用来识别银互连片与导线、二极管或者元器件管脚。

2.根据权利要求1所述的针对太阳电池阵电路电阻焊接的图像识别系统，其特征在于，所述焊接系统的控制由Z轴伺服系统完成，所述Z轴伺服系统带有一个可编程的伺服驱动器，可将焊枪的焊接动作通过编程，实现焊接所需的各个工作步骤。

3.根据权利要求2所述的针对太阳电池阵电路电阻焊接的图像识别系统，其特征在于，所述识别侧光源与焊点识别相机均安装在U轴上，两者相对固定，U轴前后移动受到激光测距仪的约束，保证光源与太阳电池板表面的距离，同时也使焊点识别相机在每次拍照前都与太阳电池板保持一定的距离，保证图片清晰度。

4.一种针对太阳电池阵电路电阻焊接的自动图像识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先由全景相机对焊接对象进行拍摄，拍摄的图片通过全景相机与工控机之间的通讯，在人机界面上显示，并保存下来；

随后用鼠标在该图片上对焊区进行选择，即：焊接区域，从左上到右下，左上这一点最好贴近待焊件；在人机交互系统界面上点击确认按钮，焊接平台将会自动移动到所选区域的左上角，此时焊点识别相机镜头的中心位置对准左上这一点的坐标；

然后U轴伺服系统开始朝太阳电池板方向运动，直至设定值，此时焊点识别相机开始拍摄；焊点识别相机自带的处理器对该图片进行焊点识别，随后就将焊点坐标通过RS232发送给工控机，在人机界面上显示；

点击执行焊接，焊接头随即运动到第一焊点的坐标位置进行焊接，完成后自动运动到第二个焊点，进行焊接操作，直到所识别的焊点结束焊接为止；在焊接过程中，一旦反馈的焊接参数发生异常，将会进行补焊操作。