一种基于流水线的自动跟踪点胶系统的制作方法

本发明涉及智能制造、设备自动化、流体控制等技术领域，尤其涉及基于流水线的自动跟踪点胶系统。

背景技术：

在常规的产品点胶工艺中，大部分的产品如果要进行点胶作业，基本上都需要进行以下流程：搬运上料—载具/机械定位—视觉定位—涂胶作业—搬运下料等；而该流程中，真正产生价值的，只有“涂胶作业”这一流程，其余流程都是辅助性流程，是不必要的。

目前，行业内大致有三种点胶作业方法，但他们分别各有不足。例如：

1、手工点胶：人工成本上升，精度差，完全依赖作业员的熟练度，良品率低；

2、桌面式点胶机：对治具精度要求高，人员不稳定；

3、全自动机：成本高，对于流水线前后制程有要求，灵活性差。

同时，在传统的点胶作业中，治具/载具必不可少，这就导致如需更换另一种产品进行生产，则必须停机，手工更换载具、调试轨迹等等，才能恢复生产，此步骤费时费力，而且无法满足产线小批量、多批次、多种类的产品生产场景。

技术实现要素：

本发明的技术方案是：基于流水线的自动跟踪点胶系统，实现了不停机控制，系统自动跟踪产品位置，实时校正点胶针头以跟随产品，并能在同步跟随运动的基础上，以产品为基础，按照预先示教的特定轨迹，进行相对运动，以达到在产品上均匀涂覆胶水的功能。而且，该自动跟踪点胶系统解决传统点胶作业中需载具、灵活性差、必须静态点胶、不能混线生产等技术痛点。

该系统包括以下模块：

来料检测模块：用于通过一个或多个特定传感器，检测流水线上产品实际到达某个位置。

具体的，料检测模块包括：

传感器硬件检测，采用传感器(包括但不限于对射光源/反射光纤/金属接近传感器/机械微动感应等)，来检测产品到达拍照位置，触发拍照。

相机软件检测，相机图像连续实时拍照，并进行全局图像预处理分析(灰度直方图工具等)，与空料状态比对，动态监测产品是否进入视野。

图像获取模块：用于通过一个或多个广角摄像头(大视野)，全局覆盖流水线流动区域，实时监控和捕捉在流水线上流动产品的图像信息，该图像信息包括产品类型和与产品位置信息。

具体的，图像获取模块包括：2d相机控制单元和3d相机控制单元。

2d相机控制单元包括：

2d相机大视野获取，采用2d相机搭配广角镜头/远心镜头，多种类型光源等，以获取较大视野，便于捕捉较大尺寸产品；

2d相机视野切割，2d相机单相机画面区域切割方案，可以把单个相机视野，切割为多个独立的视野，以进行独立监控；

2d相机视野合并，把多个2d相机的多个视野区域，通过软件算法令其合并拼接为一个视野，获得一个巨大的视野，进行更大范围内的监控和捕捉。

3d相机控制单元包括：

3d图像采集获取，通过使用固定式3d线激光，直接扫描流水线上移动的产品3d

轮廓，合成生成产品轮廓图和具体位置信息。

图像处理模块：使用但不限于单/多模板匹配算法，同时图像结合形态学分析，几何图形(如点、线、圆弧)的拟合，确定产品的类型和产品的中心点坐标和旋转角度。

具体的，图像处理模块包括：

模板建立模块单元，通过该模块可针对产品特征建立一个或多个模板，同时能够针对模板进行预处理(选择有效区域、涂抹干扰信息、锐化处理、轮廓删选等操作)，以保障得到的模板质量优秀。

模板匹配算法单元：采用特定算法库进行图像处理，可以单模板匹配，也可以进行多模板匹配可以在同一图像中匹配多个同种产品，也可以匹配多个不同种产品，可以指定在一定角度范围内进行匹配，在模板被遮挡部分下进行匹配等等。

定制图像处理算法，在模板匹配的基础下，对产品进行形态学分析，根据产品特征拟合出特定的几何形状(如点、线、圆弧)，从而实现对产品的精确定位。

坐标匹配单元，根据五点标定法来关联图像坐标系与设备运动坐标系；将来料模型与图像坐标系结合确定当前来料在设备运动坐标系中的中心点坐标和旋转角度。

在建立模板之前，还需要对相机进行校准，本方案中采用畸变标定，通过该标定方法实现相机畸变标定，校正相机镜头带来的枕形畸变和桶形畸变。

轨迹编辑模块：用于预编辑和示教产品的涂胶轨迹，通过预设的点胶轨迹、或手动操作轨迹对来料模型进行加工过程的模拟示教，并根据来料的坐标和角度校正点胶轨迹。

具体的，轨迹编辑模块包括：

手动示教单元，通过手动操作程序界面/手持示教盒来移动点胶针头，通过肉眼对准对应点位进行轨迹编辑。

图像示教单元，通过拍摄一张产品的全局图片，鼠标在图像中选取对应点位或者滑动鼠标来示教轨迹。

dxf导入单元，通过导入预先编辑的dxf文件(cad编辑)，形成涂胶轨迹。

轨迹自动识别单元，通过产品实物图或者模拟图，采用图像自动识别以形成轨迹(比如白纸上画形状，拍照自动生成)。

轨迹拼接单元，对于比较大尺寸的产品，需要把多段轨迹进行合成，以形成整体轨迹。

在控制设备运动前，需要对胶阀针头的运动坐标系进行校准，通过三点标定法，选择三个标定点，示教点胶针头对应的工具坐标系。

运动控制模块：通过搭建运动控制系统，连接各个驱动电机，软硬件结合，配合多种运动模型，控制运动机构以程序预期方式进行运动；

具体的，运动控制模块包括：

运动跟随单元，通过控制运动机构，按照工件的运动速度和与工件同向运动，同时根据预设点胶轨迹进行点胶操作；

插补运动单元，同时控制运动机构中2个及2个以上的轴进行协同运动，实现直线插补、圆弧插补等运动；

点到点(ptp)单点运动单元，使运动机构的各个轴分别单独运动，以实现最快速度到达单点的要求；

板卡控制单元，可以搭载不同品牌的多种类型运动控制卡，以实现运动控制；或者无板卡控制方式，通过内置上位机系统(codesys)及通讯协议(ethercat)，实现无板卡运动控制。

运动机构模块：根据不同运动模型，搭建多种方式的运动机构，并在其上搭载一个或多个点胶阀，与运动控制模块配合一起，使运动机构带着点胶阀完成特定运动；

具体的，运动机构模块包括：

龙门式机构，采用龙门式机构框架，双y轴可以为单电机动力或者双电机动力。

悬臂式机构，采用悬臂式机构框架，单y轴单电机动力。

scara机械手，采用三/四轴scara型机械手方式，实现运动机构。

六轴机械手，采用五/六轴空间型机械手方式，实现运动机构。

多模组机构，通过结合龙门式或者框架式，以组成同一台设备中有多套运动机构，相互独立作业。

速度获取模块：通过旋转编码器测量该工件从拍摄处至点胶操作处的距离，并计算得到工件的运动速度。

具体的，速度获取模块包括：

接触式速度获取单元，通过组合旋转编码器和滚轮，滚轮采用弹簧机构紧贴运动流水线安装，以编码器信号反馈来监控速度变化；

非接触式速度获取单元，通过非接触式传感器(例如激光/光电感应/金属感应等)，也可通过相机连续采集图像计算，来监控速度变化。

流体控制模块：通过对不同类型点胶阀和供胶系统的运用，以实现对流体胶水的精细化控制。

具体的，流体控制模块包括：

供胶单元，采用增压式大容量供胶系统及稳压装置，以实现稳定供胶。

液位检测单元，通过不同种类传感器(液位传感器/流量传感器等)，监控胶水剩余容量，低液位报警；

胶阀通讯联动单元，通过将控制点胶的运动组件与点胶阀控制器进行握手通讯，实现速度与点胶频率实时匹配，以致最终点胶效果宽度一致、均匀。

由于胶阀类型多样，可以搭载并适应多种不同类型的胶阀，喷雾阀、压电阀、气动阀等，并能够适配不同胶水。

胶阀清洁模块：为适配不同点胶阀，通过设计不同种类清胶模块，以实现对胶阀针头的清洁工序，以保障胶阀针头多余的残胶不会影响下一片产品的点胶；

具体的，胶阀清洁模块包括：

卷料擦拭单元，采用无尘布卷带，进行擦拭动作。

毛刷清洁单元，采用旋转毛刷，并配合对应清洁液，以擦拭胶阀。

气刀清洁单元，采用特定机构，不同压力正压气体通过该机构，形成风刀，以清洁胶阀。

本发明的优点是：

1、跟踪点胶以不停机方式实现涂胶作业，不仅省去复杂的上下料动作，是整台设备的机构显得简洁可靠，更加重要的是，省去了多余动作，只保留核心的点胶动作，不仅节省了作业事件，极大增加了产能，也契合精益生产的核心理念，生产效率大大提升。

2、无需载具即可生产作业，通过视觉识别产品类型，自动切换对应产品配方，可以实现不停机、多产品混线生产，这无疑大大提高了生产线的适应性，满足工厂多样性产品同时生产的痛点。可以大大提升生产线生产效率，大大提升设备复用率，使产线资产充分发挥效能。

3、可以简单通过调节流水线速度，灵活调节产线产能。不改变客户现有流水线生产环境的前提下，能以最低成本进行改造，使其实现自动化生产。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为自动跟踪点胶系统的框架图；

图2为配备自动跟踪点胶系统的设备结构图；

图3为配备自动跟踪点胶系统的设备工作流程图。

具体实施方式

实施例1

基于流水线的自动跟踪点胶系统，包括：登录模块、身份验证模块、来料检测模块、图像获取模块、图像处理模块、轨迹编辑模块、运动控制模块、速度获取模块、流体控制模块、胶阀清洁模块。

登录模块和身份验证模块属于常见的系统运行模块，其作用为登录界面显示、用户名及密码输入、用户身份验证等等。在正确操作后，方可进入系统。

来料检测模块具体功能包括：

传感器硬件检测，采用传感器(包括但不限于对射光源/反射光纤/金属接近传感器/机械微动感应等)，来检测产品到达拍照位置，触发拍照。

相机软件检测，相机图像连续实时拍照，并进行全局图像预处理分析(灰度直方图工具等)，与空料状态比对，动态监测产品是否进入视野。

图像获取模块具体功能包括：

2d相机大视野获取，采用2d相机搭配广角镜头/远心镜头，多种类型光源等，以获取较大视野，便于捕捉较大尺寸产品；

2d相机视野切割，2d相机单相机画面区域切割方案，可以把单个相机视野，切割为多个独立的视野，以进行独立监控；

2d相机视野合并，把多个2d相机的多个视野区域，通过软件算法令其合并拼接为一个视野，获得一个巨大的视野，进行更大范围内的监控和捕捉。

3d图像采集获取，通过使用固定式3d线激光，直接扫描流水线上移动的产品3d轮廓，合成生成产品轮廓图和具体位置信息。

图像处理模块具体功能包括：

模板建立，通过该模块可针对产品特征建立一个或多个模板，同时能够针对模板进行预处理(选择有效区域、涂抹干扰信息、锐化处理、轮廓删选等操作)，以保障得到的模板质量优秀。

模板匹配算法，采用特定算法库进行图像处理，可以单模板匹配，也可以进行多模板匹配可以在同一图像中匹配多个同种产品，也可以匹配多个不同种产品，可以指定在一定角度范围内进行匹配，在模板被遮挡部分下进行匹配等等。

定制图像处理算法，在模板匹配的基础下，对产品进行形态学分析，根据产品特征拟合出特定的几何形状(如点、线、圆弧)，从而实现对产品的精确定位。

坐标匹配，根据五点标定法来关联图像坐标系与设备运动坐标系；将来料模型与图像坐标系结合确定当前来料在设备运动坐标系中的中心点坐标和旋转角度。

在建立模板之前，还需要对相机进行校准，本方案中采用畸变标定，通过该标定方法实现相机畸变标定，校正相机镜头带来的枕形畸变和桶形畸变。

轨迹编辑模块具体功能包括：

手动示教，通过手动操作程序界面/手持示教盒来移动点胶针头，通过肉眼对准对应点位进行轨迹编辑。

图像示教，通过拍摄一张产品的全局图片，鼠标在图像中选取对应点位或者滑动鼠标来示教轨迹。

dxf导入，通过导入预先编辑的dxf文件(cad编辑)，形成涂胶轨迹。

轨迹自动识别单元，通过产品实物图或者模拟图，采用图像自动识别以形成轨迹(比如白纸上画形状，拍照自动生成)。

轨迹拼接，对于比较大尺寸的产品，需要把多段轨迹进行合成，以形成整体轨迹。

在控制设备运动前，需要对胶阀针头的运动坐标系进行校准，通过三点标定法，选择三个标定点，示教点胶针头对应的工具坐标系。

运动控制模块具体功能包括：

运动跟随，通过控制运动机构，按照工件的运动速度和与工件同向运动，同时根据预设点胶轨迹进行点胶操作；

插补运动，同时控制运动机构中2个及2个以上的轴进行协同运动，实现直线插补、圆弧插补等运动；

点到点(ptp)单点运动，使运动机构的各个轴分别单独运动，以实现最快速度到达单点的要求；

板卡控制方式，可以搭载不同品牌的多种类型运动控制卡，以实现运动控制；

无板卡控制方式，通过内置上位机系统(codesys)及通讯协议(ethercat)，实现无板卡运动控制。

运动机构模块具体包括：

龙门式机构，采用龙门式机构框架，双y轴可以为单电机动力或者双电机动力。

悬臂式机构，采用悬臂式机构框架，单y轴单电机动力。

scara机械手，采用三/四轴scara型机械手方式，实现运动机构。

六轴机械手，采用五/六轴空间型机械手方式，实现运动机构。

多模组机构，通过结合龙门式或者框架式，以组成同一台设备中有多套运动机构，相互独立作业。

速度获取模块具体功能包括：

接触式速度获取，通过组合旋转编码器和滚轮，滚轮采用弹簧机构紧贴运动流水线安装，以编码器信号反馈来监控速度变化；

非接触式速度获取，通过非接触式传感器(例如激光/光电感应/金属感应等)，也可通过相机连续采集图像计算，来监控速度变化。

流体控制模块具体功能包括：

供胶控制，采用增压式大容量供胶系统及稳压装置，以实现稳定供胶。

液位检测及报警，通过不同种类传感器(液位传感器/流量传感器等)，监控胶水剩余容量，低液位报警；

胶阀通讯联动，通过将控制点胶的运动组件与点胶阀控制器进行握手通讯，实现速度与点胶频率实时匹配，以致最终点胶效果宽度一致、均匀。

由于胶阀类型多样，可以搭载并适应多种不同类型的胶阀，喷雾阀、压电阀、气动阀等，并能够适配不同胶水。

胶阀清洁模块具体功能包括：

卷料擦拭，采用无尘布卷带，进行擦拭动作。

毛刷清洁，采用旋转毛刷，并配合对应清洁液，以擦拭胶阀。

气刀清洁，采用特定机构，不同压力正压气体通过该机构，形成风刀，以清洁胶阀。

实施例2：

本系统匹配的设备模型主要以悬臂式运动结构搭建方式实施，其他搭建运动机构方式包括但不限于龙门式/悬臂式/关节型scara/六轴机械手/蜘蛛手/多模组混合等等结构，皆应视作本专利范畴。

本系统匹配的设备模型包括：焊接机架、皮带传送线、xyzw四轴运动平台、胶阀、视觉监控设备(2d相机、3d相机)、传感原件等。

基于上述结构，搭载本系统的设备其作业流程步骤包括：

步骤一：来料感应

通过传感器检测来料，并触发拍摄获取来料的图像信息，也可采用实时不间断触发图像获取。

传感器触发是指：当产品到达拍照位置，触发拍照。一般，传感器包括但不限于：对射光源、反射光纤、金属接近传感器、机械微动感应器。

实时不间断触是指：相机图像连续实时拍照，并进行全局图像预处理分析(灰度直方图工具等)，与空料状态比对，动态监测来料是否进入视野。

步骤二：图像获取

采用一个或多个相机，拍摄流水线上运动的产品，获取来料的轮廓图像和记录位置信息。一般采用2d相机和3d线激光扫描结合，通过2d画面和3d轮廓拟合出来料外形。

图像获取的具体过程包含两个子步骤：

a.搭建合适的光学系统，根据来料特性和背景环境，选择合适的光源组合和安装角度，选择合适的高分辨率相机镜头(本模型采用的是8mm广角镜头，以获得400*400mm的大视野范围)，调整合适的相机参数(曝光值、增益值等等)，以获得一张亮度均匀的高质量原始图像；

b.相机镜头本身的畸变校正。

本发明中提供的相机校正标定方法，大致分为两个步骤：

第一步、为标定动作，通过该步骤得到相机校正内外参数；采用九宫格标定方法，基于halcon算法库实现，采用120mm*120mm浮法玻璃标定板，其上均匀分布7*7个圆点，每个圆点的印刷工艺精度为1um。标定过程为在相机视野中移动标定板，均匀分布9个位置，分别取相，进行计算。

第二步、为图像校正，通过第一步得出的校正参数，对获取的原始图像进行畸变校正，还原出校正后的真实的图像画面。

步骤三：图像处理

通过单/多模板匹配算法，同时图像结合形态学分析，几何图形(如点、线、圆弧)的拟合等等方式，将获取的图像与预先设定的多种产品特征进行匹配，以确定当前来料类型与来料的中心点坐标和旋转角度。

第一，建立模板并确定模板

建模及模型匹配具体分为三个子步骤：

a.建立模板，作为预备工作，先通过相机拍摄来料图像，在根据来料特征，选取一个或多个特征区域，建立模板；

b.模板匹配，在模板建立完成后，调整模板位置及姿态，以现有产品图像数据进行匹配处理，观察匹配效果，如匹配效果不理想(匹配分数达不到预设分数)，那么需要重新示教模板，或者调整模板参数(调整匹配分数或调整模板角度)，从而优化模板。

c.对于无明显特征的产品或者单纯模板匹配精度不满足要求的来料，可选择在模板匹配后，同时图像结合形态学分析，通过几何图形(如点、线、圆弧)的拟合等等方式，进一步对产品进行定位和识别。

第二，关联坐标系

基于来料的位置图像建立图像坐标系，在图像上随机选择五个标定点，根据五点标定法来关联图像坐标系与设备运动坐标系，同时决定像素比例。将来料模型与图像坐标系结合确定当前来料在设备运动坐标系中的中心点坐标和旋转角度。

步骤四：轨迹编辑

通过已确定的产品类型自动切换产品配方并调取对应预设轨迹；根据已确定的中心坐标和旋转角度，对预设轨迹进行校正，确定轨迹起始点(即落针点)，此后移动胶阀针头进入该点上方进行等待。

在该步骤中，需要先进行模板轨迹示教，作为预备工作，可采取多种方式(包含但不限于手动示教、图像示教、dxf导入、轨迹自动识别、轨迹拼接等)。

手动示教：通过手动操作程序界面/手持示教盒来移动点胶针头，通过肉眼对准对应点位进行轨迹编辑。

图像示教：通过拍摄一张产品的全局图片，鼠标在图像中选取对应点位或者滑动鼠标来示教轨迹。

dxf导入：通过导入预先编辑的dxf文件(cad编辑)，形成涂胶轨迹。

轨迹自动识别：通过产品实物图或者模拟图，采用图像自动识别以形成轨迹(比如白纸上画形状，拍照自动生成)。

轨迹拼接：对于比较大尺寸的产品，需要把多段轨迹进行合成，以形成整体轨迹。

步骤五：设备预行

胶阀针头进入落针点上方进行等待，通过组合旋转编码器和滚轮，以编码器信号反馈来监控速度变化，实时比对计算旋转编码器反馈的位置信息与产品触发拍摄时记录的位置信息及来料的运行速度。

步骤六：跟踪点胶

当产品进入涂胶区域时，移动胶阀针头进入轨迹起始点，以当前产品速度与产品进行同向运动，同时根据校正后的轨迹，与产品进行叠加相对运动，控制胶阀完成涂胶作业。

其具体步骤包括：

第一步，五点标定，在图像上随机选取五个标定点，通过五点标定方法，使图像坐标系与运动坐标系建立关系，同时确定像素比例；

第二步，三点标定，以三种不同姿态使点胶针头同时指向空间中的一点，通过该标定方法，示教针头对应的工具坐标系；

第三步，跟随运动标定，根据第一步建立的运动坐标关系，同时结合编码器反馈速度，使运动机构与产品同向跟随运动。但如果此时来料在流水线上所剩的位移距离已不满足涂胶作业所需距离，则该产品不进行涂胶。

步骤七：跟踪点胶

当产品涂胶完成，回清洁位启动胶阀清洁模块，清洁完成再进行下一片来料的作业；无如下一片来料或下一片来料因距离不足无法完成涂胶，则不进行涂胶。

当然也可以每涂胶多片来料后在回清洁位，启动胶阀清洁模块，进行清洁胶阀针头，合理规划能够提高加工效率。

本发明实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。