CN1738526A - 移动部件的视觉对位装置 - Google Patents

Abstract

移动部件的视觉对位装置，属于机电产品生产过程自动检测装置，针对现有技术的不足，降低系统设计复杂性，提高设备运行效率。本发明在拾取机构平台上固定安置拾取头、电子摄像机、半透半反镜和照明光源；半透半反镜位于电子摄像机和拾取头之间；电子摄像机以固定角度倾斜安置，使得拾取头吸取部件底部图像经半透半反镜的反射，在电子摄像机中清晰成像，拾取头在工作平台上的投影位置也能通过半透半反镜的透射清晰成像。本发明在安装部件移送过程中，对拾取部件的检测、偏移调整，以及对安装位的检测和位置偏移量调整可在一套视觉系统监视下与移送、安装同步进行，对拾取机构的拾取、装配操作不要求附加过程；使得部件安装对位过程更简洁快速。

Description

移动部件的视觉对位装置

技术领域

本发明属于机电产品生产过程中的自动检测装置，具体涉及视觉对位装置。主要应用于机电产品自动生产过程中的装配、封装，实现自动化生产中装配的准确对位。

背景技术

在机电产品的自动化装配过程中，通常采用一套自动或机械的拾取机构将电阻、电容、集成电路、晶片等部件从供应处拾起，移送至安装位，完成对位的安装。部件被拾取时，其位置关系可能是不确定的，因此需要获取所拾取的安装部件位置信息。当拾取机构将部件按照预先的指令移送至安装位时，由于移送机构的运动误差，或者是安装位置本身的位置变化，需要进一步确定安装位的位置信息，精确的依照安装位置走向和元件朝向定位、安放元件，以实现部件在安装处的准确对位安装。

在通常的使用中，自动设备拾取机构的工作性质使得部件易于在定位上出现错误和偏差。因而，一旦部件被吸起或抓取，必须做出一些位置修正，使得部件的方向和位置能够达到被精确安装的要求。考虑到工件平面是定义的x-y笛卡儿平面，而且拾取机构垂直于x-y平面在z轴方向运动，误差可能是三个方面的：Δx方向、Δy方向和Δθ方向。Δx、Δy方向的误差分别是元件安装位置沿x、y轴方向的偏差；Δθ方向的误差产生于部件在Z轴方向的旋转。

目前已经有一些装置和方法被用来纠正拾取头上的元件位置偏差。在美国专利4,615,093中，Tews等人设计了一个“空中”检测装置，该装置的一边安置一组水平的光源，与其平行的另一边设置一组感光部件，部件拾取后，在移送安装处过程中经过该检测装置。当部件经过时，发光器件将光线投射在部件上，感光器件获得的元件投影，根据已知的元件形状，检测器会计算出元件的准确的位置和旋转度，该信息反馈给拾放系统，指导其准确的放置元件到工件上。随着元件引脚的密度上升，这个方法和装置有局限性，如数目有限的光发射器件造成的分辨率不足、体积过小的元件难以检测等，特别是对倒装焊元件，其定位最好是通过它的凸点或底部图案来确定，而这些特征是很难用这种光投影的方式获取，通常需采用电子摄像机抓取特征图像的方法。

以电子摄像机为传感器获取部件位置信息的方法是将电子摄像机安放到拾取工位与安装工位之间一个固定的位置。工作台支撑的拾取机构平台可使在拾取头上元件沿平面(x、y坐标方向)移动，拾取头本身可沿着与x、y平面垂直的z轴运动。当拾取头吸起一个元件，从拾取工位运动到固定的摄像机处，视觉系统即通过下面的摄像头获取元件的位置、方向以及与设定值的差别。根据视觉系统计算出的信息使拾取头旋转，同时调整位置偏移，当拾取头到达安装工位的上方，拾取头伸长并且真空供应中断，元件被放置到要求的位置上。这种系统要求拾取机构平台从拾起元件处到视觉系统固定位置，再到安放元件处，而不是直接从拾起元件处到安放元件处，多余的路程显然会降低生产速度。

上述方法在部件检测时，需要拾取机构平台停止运动以获取稳定可靠的测量数据，因而影响工作效率，美国专利20010055069将电子摄像机和拾取头平台固定在一起，二者都面向安装工作台，其中拾取头和工作台平面垂直，摄像机与之成一定角度，为获取拾取头吸取部件的底部图像，有一个与摄像机随动的可伸缩反射镜，用于在拾取头有部件时将其底部图像反射至摄像机。这样，当拾取头将部件输送至安装位的过程中，摄像机可相对静止地通过反射镜获取部件底部图像，中间没有多余的路程，也不需要在某处停顿，因此该方法可提高设备的工作效率。另外，该方法还可将反射镜收缩，利用同样的一台摄像机系统检测工作台上安装位置的信息；因此，该专利方法可以同一视觉系统完成对部件及其安装位置的检测，结构简单。但该专利方法实现有一定的难度，主要原因在于反射镜的位置精度决定了部件底部的成像测量精度，而可伸缩的反射镜难以保证稳定的位置精度。另外，由于摄像机和工作台平面成一定的角度(非垂直)，因而不论是工作台上的安装位置还是经反射镜的部件底面的成像都有透视失真，对测量结果也有影响。

中国发明专利申请200410017706.5描述的“基于反射式飞行视觉方法的部件定位器”也采用了摄像机加反射镜的方式获取部件底部图像，与前述专利不同的是：1、反射镜不是和摄像头随动，而是固定于拾取机构平台以外某个位置，工作时要求拾取头携部件从其上面越过；2、反射镜由两块呈90度夹角的平面反光镜组合而成，或者是一块两个垂直表明上镀上反射膜的三棱镜；3、摄像机与拾取头一样，在工作平台面上方垂直向下放置。该专利申请中反光镜是固定的，调整好后可保持稳定，而且不论是直接对安装位，还是反射的部件底面，成像都没有透视失真。但该专利申请有以下几个问题：1、经两次反射的成像只有在部件越过时的某一点可以实现，因而需要停留或者严格控制运动机构和摄像机曝光的同步；2、摄像头和吸取头平行垂直向下，且有一定距离，因此对同一个安装位，摄像机的测量和拾取头的安装不能同时进行，当摄像机定位后，再移动拾取头对位时，运动系统的移动误差会降低定位的精度。

发明内容

本发明提供一种移动部件的视觉对位装置，目的在于针对现有技术的不足，使安装部件的位置检测调整在安装操作的过程中进行，以减少视觉信息获取对安装操作的影响，同时降低系统设计的复杂性，从而提高设备的运行效率。

本发明移动部件的视觉对位装置，在装有拾取头的拾取机构平台上固定安置有电子摄像机，其特征在于：所述拾取机构平台上固定半透半反镜；半透半反镜的位置在电子摄像机和拾取头之间，并且不影响拾取头的Z向运动；电子摄像机以固定的角度倾斜安置，使得拾取头吸取的部件底部图像经半透半反镜的反射，在电子摄像机中清晰成像，同时拾取头沿Z轴在工作平台上的投影位置也能通过半透半反镜的透射在电子摄像机中清晰成像；工作时，拾取机构平台沿工作平台X-Y平面移动，拾取头面向工作平台，并可沿与工作平台X-Y平面垂直的Z轴方向移动。

所述的移动部件的视觉对位装置，其进一步特征在于：所述拾取机构平台上固定反射成像光源和透射成像光源；反射成像光源、透射成像光源的位置基本与半透半反镜平面平行，分别将照明光投射至拾取头上的部件底部和工作台上的安装位置，不直接将照明光投射、反射或透射到电子摄像机。

电子摄像机可以通过半透半反镜的反射获取拾取头吸取元件的底部图像，分析计算出其与设定参考值的偏差(Δx、Δy和Δθ)；在这个过程中，电子摄像机、反射镜和拾取头在拾取机构平台上位置相对固定，因此拾取机构平台即使在运动过程中，电子摄像机也可取到静止的部件底部图像，对获取稳定的图像、保证测量精度有利。当拾取机构平台在移动至部件安装处上方时，电子摄像机通过半透半反镜的透射作用获取安装位的信息，并根据图像获取位置偏差值，引导拾取头沿Z轴向下运动，到达安装位时拾取头真空中断，将部件安放在预定位置。在拾取头移动过程中，视觉系统可保持持续检测，以保证安装的精度。由于本发明的飞行视觉系统的各个组成部分始终保持相对固定的位置关系，因而在拾取机构平台沿X-Y平面移动或者拾取头沿Z轴移动的过程中，可完成视觉检测，并且不会对于拾取机构平台的Z轴向运动产生干涉。

通过半透半反镜，有两束分别来自反射和透射的光线可到达图像采集的电子摄像机，形成了反射图像和透射图像的叠加，为区分两者，采用外辅助光源使其中一个方向的光线强度增加至远大于另一个方向的光线强度，设定电子摄像机的光圈和快门速度，使得光线较强的图像能够在电子摄像机上清晰成像，而光强较弱的图像被阻挡过滤。因此，首先调整电子摄像机的光圈和快门速度，使得在自然光照下通过反射和透射进电子摄像机的图像刚刚被阻挡，即，在自然光照下，电子摄像机采集的图像为全黑。需要采集经半透半反镜的反射图像时，用辅助照明光源照射在反射成像目标上，增加的光强使得反射光线能够在电子摄像机上清晰成像。需要采集经半透半反镜的透射成像时，将辅助照明光源照射在透射成像目标上，则增加的光强可使透射光线在电子摄像机上清晰成像。在需要同时采集反射和透射图像时，可同时将辅助光源照射在两个目标上，从而形成反射图像和透射图像的叠加。

本发明采用一片半透半反镜完成对安装部件以及安装位置的检测，该镜片位置固定，一旦调整合适，可保证对安装部件以及安装位置的稳定成像，与用两套视觉系统分别采集的方法相比较，降低了结构复杂性，减少了成本。本发明所采用的半透半反镜和拾取机构固定在同一平台上，可随拾取机构一起运动，相比较以前的固定反射镜方法，本专利的视觉机构在“飞行移动”过程中可采集图像，不需要设定特殊的平台移动路径，也不需要减速或停留。

本发明对拾取机构正常的拾取、装配操作不产生任何影响。比较以前在部件和安装位之间插入辅助镜的方法，本发明使得部件安装对位过程更简洁快速；到达安装位附近时，视觉对安装位的检测和位置偏移量调整可在视觉系统的监视下同步进行。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为通过本发明半透半反镜反射获取部件底部图像的示意图；

图3为通过本发明半透半反镜透射获取安装位置图像的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

图1为本发明的结构示意图，拾取机构平台1上固定拾取头2、电子摄像机3、半透半反镜4、照明作用于部件8的底部的反射成像光源5和作用于安装位9的透射成像光源6。拾取机构平台1可以在工作平台7平面沿X-Y平面移动，图上仅给出了X轴导轨10；拾取头2面向工作平台7，并可沿与工作平台7的X-Y平面垂直的Z轴方向移动。视觉系统采用可见光成像，电子摄像机3可采用工业用CCD或COMS摄像头，通过光学镜头或者摄像头可进行曝光量控制，半透半反镜4的工作频段也在可见光，透射率与反射率皆为1/2。半透半反镜4的位置在电子摄像机3和拾取头2之间，并且不影响拾取头2的Z向运动，对于同一台电子摄像机，若采用固定焦距，则要求半透半反镜4的固定位置在Z方向上处于安装工作台平面7和拾取头吸取部件8底平面的中间，以保证对上下目标的等焦距。电子摄像机3以固定的角度倾斜安置，其倾斜的角度可使得拾取头吸取的部件底部图像经半透半反镜4的反射，成像在电子摄像机3中，同时，拾取头沿Z轴在工作平台7上的投影位置也能通过半透半反镜的透射在电子摄像机3中成像。在满足上述条件的前提下，电子摄像机3的倾斜角度应尽量小，以减小仿射失真。反射成像光源5、透射成像光源6的安装位置应基本与半透半反镜4平面平行，并防止光源不直接被透射或反射到电子摄像机，对成像产生干扰。

在不打开反射成像光源5，透射成像光源6时，设定电子摄像机的光圈和快门速度，使得自然光下的成像为全黑；当需要采集部件8的底部图像时，如图2所示，拾取头将部件8沿Z轴移动至满足清晰成像的物距高度，反射成像光源5工作，此时进入电子摄像机3的反射光线12强度远大于透射过来的光线，通过光圈或快门速度等设定电子摄像机3的曝光量，这样电子摄像机上获取的就是部件8底部的图像。反之，如图3所示，则透射成像光源6工作，使得进入电子摄像机3的透射光线11强度远大于反射过来的光线，则电子摄像机3获取工作平台7上安装处的图像。

Claims (2)

1.一种移动部件的视觉对位装置，在装有拾取头的拾取机构平台上固定安置有电子摄像机，其特征在于：所述拾取机构平台上固定半透半反镜；半透半反镜的位置在电子摄像机和拾取头之间并且不影响拾取头的Z向运动；电子摄像机以固定的角度倾斜安置，使得拾取头吸取的部件底部图像经半透半反镜的反射，在电子摄像机中清晰成像，同时拾取头沿Z轴在工作平台上的投影位置也能通过半透半反镜的透射在电子摄像机中清晰成像；工作时，拾取机构平台沿工作平台X-Y平面移动，拾取头面向工作平台，并可沿与工作平台X-Y平面垂直的Z轴方向移动。

2.如权利要求1所述的移动部件的视觉对位装置，其特征在于：所述拾取机构平台上固定反射成像光源和透射成像光源；反射成像光源、透射成像光源的位置基本与半透半反镜平面平行，分别将照明光投射至拾取头上的部件底部和工作台上的安装位置，不直接将照明光投射、反射或透射到电子摄像机。

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