一种曲面基板激光锡焊动态补偿控制方法及系统

本发明涉及焊接控制领域，尤其涉及一种曲面基板激光锡焊动态补偿控制方法及系统。

背景技术：

1、在曲面电子、穿戴电子、共形电子等行业领域，大量精密电子元器件需要焊接于曲面基板上，现有多轴激光锡焊机、激光锡焊机器人等自动化设备体积大、价格高，难以适应产线工位桌面式锡焊作业需求；而且，电子制造以劳动密集、重复操作、流水线节拍驱动为核心特征，工人长期处于高强度、快节奏的作业状态，劳动强度大，易产生生理疲劳与心理压力，职业健康风险较为突出；因此，随着产业转型升级，业界亟需用于曲面基板产线工位的桌面式激光锡焊自动化设备，以便缩小设备占位空间，嵌入产线工位，降低工人劳动强度。

2、现有激光锡焊控制方法缺乏对曲面基板各焊点区域空间形态差异的感知与自适应调节能力，无法根据曲面局部特征动态优化运动轨迹、激光焦距、入射角度和焊料供给量，导致高曲率或高倾角区域焊锡液滴易发生滑移、扩散或局部堆积，平缓区域焊接效率受限，且缺乏焊接质量在线检测与参数闭环优化机制，降低了曲面基板各焊点焊接质量的稳定性与一致性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种曲面基板激光锡焊动态补偿控制方法及系统，通过建立曲面基板空间参数映射模型驱动多维度焊接参数协同自适应补偿，结合热影响分散路径规划与焊后三维质量评价闭环优化，实现了曲面基板各焊点在不同空间形态和热条件下的高质量自适应焊接，提升了焊接质量一致性与产品良率。

2、本发明的技术方案是这样实现的：第一方面，本发明提供了一种曲面基板激光锡焊动态补偿控制方法，包括以下步骤：

3、s1，对待焊区域进行图像采集，并进行图像预处理以识别焊盘区域及提取针脚焊点中心坐标，获得视觉检测结果；

4、s2，基于视觉检测结果建立用于表征焊点区域空间形态特征的曲面基板空间参数映射模型，所述空间参数映射模型包括各焊点区域的空间坐标、高度信息、局部曲率参数、表面倾角参数及曲面法向量方向参数；

5、s3，根据空间参数映射模型，对不同焊点区域的焊接参数进行动态补偿，生成焊接补偿数据，所述焊接参数包括焊接运动轨迹、激光焦距、激光入射角度及焊锡液滴喷出量；

6、s4，根据焊接补偿数据驱动三轴运动平台将激光锡焊笔和喷嘴定位至目标焊点位置，通过喷嘴将焊锡丝预热熔化后定量喷射焊锡液滴至焊点位置，并控制激光锡焊笔发射脉冲激光对焊锡液滴加热以实现焊接；

7、s5，在焊接完成后对焊点进行图像采集，并采用图像识别算法提取焊点区域形态参数；

8、s6，基于焊点区域形态参数结合预设的焊点质量评估模型，计算获得焊点综合质量评分，当焊点综合质量评分低于预设质量阈值时，判定该焊点为异常焊点并生成重焊标记。

9、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1包括以下子步骤：

10、s11，对待焊区域进行图像采集，获得原始图像；

11、s12，将原始图像转换为灰度图像，原始图像中的每个像素点在各通道中的像素值与对应预设权重系数相乘后进行求和，得到原始图像各像素点的灰度值；

12、s13，对灰度图像中每个像素点，以当前像素点为中心取预设大小的邻域窗口，将窗口内所有像素点的灰度值按大小排序，取排序后的中间值作为当前像素点滤波后的灰度值，得到灰度滤波图像；

13、s14，对灰度滤波图像进行自适应边缘增强，计算灰度滤波图像中每个像素点的局部灰度梯度幅值，根据每个像素点所在局部区域的灰度方差确定自适应增强系数，将当前像素点的滤波后灰度值与其局部灰度梯度幅值乘以自适应增强系数的积相加，得到增强后图像；

14、s15，对增强后图像进行自适应阈值分割，采用otsu算法确定最优分割阈值，将增强后图像中各像素点的灰度值与最优分割阈值进行比较，若像素点的灰度值大于或等于最优分割阈值，则将该像素点赋值为前景像素值，否则赋值为背景像素值，获得二值图像；

15、s16，对二值图像进行8邻域连通域标记，得到若干个连通区域，计算每个连通区域的面积特征、圆形度特征和长宽比特征，所述圆形度特征等于四倍圆周率乘以当前区域面积再除以当前区域周长的平方；将面积特征位于预设面积范围内、圆形度特征大于或等于预设圆形度阈值，且长宽比特征小于或等于预设长宽比阈值的连通区域识别为焊盘区域，将识别出的焊盘区域的面积作为理论焊盘面积，将识别出的焊盘区域的质心坐标作为理论焊盘中心坐标；

16、s17，采用灰度重心法提取识别出的每个焊盘区域的亚像素级中心坐标，以焊盘区域内各像素点的增强后灰度值作为权重，分别计算各像素点横坐标的加权平均值和纵坐标的加权平均值，作为当前焊盘区域对应针脚焊点的中心坐标；

17、s18，将每个焊盘区域的理论焊盘面积、理论焊盘中心坐标与对应的针脚焊点中心坐标进行关联存储，建立焊盘理论参数与针脚焊点之间的对应关系。

18、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2包括以下子步骤：

19、s21，通过视觉标定参数将提取的各针脚焊点中心的图像平面坐标映射为相机坐标系下的三维空间坐标，根据识别出的焊盘区域轮廓，以区域内所有像素点的深度信息均值作为该焊点区域的高度信息；

20、s22，对每个焊点区域内的三维点云采用二次曲面拟合算法提取局部曲率参数，以最小二乘法拟合二次曲面方程，根据拟合所得曲面系数计算对应焊点区域的平均曲率和高斯曲率；

21、s23，提取每个焊点区域的表面倾角参数，将拟合所得二次曲面的近似平面法向量与竖直方向单位向量的夹角作为该焊点区域的表面倾角；

22、s24，提取每个焊点区域的曲面法向量方向参数，将拟合所得二次曲面的近似平面法向量进行归一化处理，得到该焊点区域的曲面法向量方向参数；

23、s25，将每个焊点区域的三维空间坐标、高度信息、平均曲率、高斯曲率、表面倾角参数及曲面法向量方向参数进行整合，建立各焊点区域的空间参数映射向量，所有焊点区域的空间参数映射向量构成曲面基板空间参数映射模型。

24、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3中所述根据空间参数映射模型，对焊接运动轨迹及激光焦距进行动态补偿，包括以下子步骤：

25、提取曲面基板空间参数映射模型中各焊点区域的空间坐标和局部曲率参数，根据各焊点区域的高度信息设定z轴目标高度为当前焊点区域高度值与激光锡焊笔固定焦距偏移量之和；

26、当焊点区域的曲率变化率超过预设曲率阈值时，以基准运动步长除以一加曲率补偿系数与曲率变化率乘积之和的结果作为该焊点区域的优化运动步长，所述优化运动步长随曲率变化率的增大而单调减小；

27、以相邻两焊点之间的空间直线距离作为插补总长度，以优化运动步长作为插补间隔，在相邻两焊点之间等距插入插补点，依次连接所有插补点生成经高度补偿和曲率补偿后的三维运动轨迹；

28、提取三维运动轨迹中各插补点的z轴坐标值，以各插补点的z轴坐标值与固定焦距偏移量之和作为各插补点对应的激光焦距位置，生成与三维运动轨迹同步的z轴目标高度序列和激光焦距位置序列。

29、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3中所述根据空间参数映射模型，对激光入射角度进行动态补偿，包括：

30、提取曲面基板空间参数映射模型中各焊点区域的曲面法向量方向参数，计算当前焊点区域的曲面法向量方向与当前激光入射方向之间的夹角偏差；调节激光锡焊笔的出射方向，调整幅度为夹角偏差的大小，使激光入射方向与曲面法向量方向之间的夹角趋近于零，并控制夹角始终处于预设夹角范围内。

31、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3中所述根据空间参数映射模型，对焊锡液滴喷出量进行动态补偿，包括以下子步骤：

32、提取曲面基板空间参数映射模型中各焊点区域的表面倾角参数；

33、当表面倾角大于预设倾角阈值时，以基准喷出量乘以差值代数作为优化后喷出量，所述差值代数等于一减去倾角补偿系数与表面倾角之乘积，优化后喷出量随表面倾角的增大而单调减小；

34、当表面倾角小于或等于预设倾角阈值时，以基准喷出量乘以一加预设效率提升系数作为优化后喷出量；

35、对各焊点区域的优化后喷出量进行边界限幅处理，将超过预设最大喷出量的值限幅为预设最大喷出量，将低于预设最小喷出量的值限幅为预设最小喷出量；

36、根据各焊点区域经边界限幅后的优化后喷出量，生成各焊点对应的焊锡液滴喷出量序列。

37、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3中还包括热影响分散路径规划补偿，包括以下子步骤：

38、根据曲面基板空间参数映射模型中各焊点区域的空间坐标，计算任意两个焊点之间的欧氏距离并建立焊点邻接关系矩阵，将欧氏距离小于预设热影响阈值的焊点对标记为相邻焊点；

39、将焊点按空间位置进行m着色处理，使标记为相邻的焊点具有不同颜色，m为预设的着色颜色数量，每个颜色组内的焊点按空间坐标排序生成对应组的焊接子序列，所有颜色组的焊接子序列按组号依次连接形成非连续焊接顺序；

40、对于曲率参数超过预设曲率阈值的焊点，以基准焊接时间间隔乘以和值代数作为该焊点的焊接时间间隔，和值代数等于一加上曲率散热补偿系数与曲率参数之乘积，对于曲率参数未超过预设曲率阈值的焊点，以基准焊接时间间隔作为该焊点的焊接时间间隔；

41、实时统计连续焊接区域的累计焊接时间，当累计焊接时间达到预设热累积时间阈值时，插入预设固定值的等待时间并跳转至其他颜色组继续焊接，待经过预设散热时间后返回原颜色组的剩余焊点继续焊接。

42、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s6包括以下子步骤：

43、s61，获取焊点区域形态参数及对应的理论焊盘面积和理论焊盘中心坐标，焊点区域形态参数包括当前焊点的焊锡实际覆盖面积、焊点轮廓周长和实际焊点中心坐标；

44、s62，以焊锡实际覆盖面积除以理论焊盘面积，计算焊点覆盖率参数；以四倍圆周率与焊锡实际覆盖面积的乘积除以焊点轮廓周长的平方，计算焊点圆度参数；以实际焊点中心坐标与理论焊盘中心坐标之间的欧氏距离，计算焊点中心偏移参数；

45、s63，根据焊点覆盖率参数乘以第一权重系数加上焊点圆度参数乘以第二权重系数减去焊点中心偏移参数乘以第三权重系数，计算焊点综合质量评分；

46、s64，将焊点综合质量评分与预设质量阈值进行比较，若焊点综合质量评分小于预设质量阈值，则判定当前焊点为异常焊点并生成重焊标记，否则判定当前焊点为合格焊点。

47、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s6中判定当前焊点为异常焊点并生成重焊标记之后，还包括：

48、当判定为异常焊点需要进行重焊时，根据焊点综合质量评分对重焊的激光参数进行自适应调整；

49、提取曲面基板空间参数映射模型中当前焊点区域的曲面倾角参数，当焊点覆盖率参数降低时，以初始激光功率加上第一补偿系数与一减焊点覆盖率参数的差的乘积，再加上第二补偿系数与曲面倾角参数的乘积，计算得到优化后的激光输出功率；

50、根据焊点综合质量评分调整激光脉冲持续时间，以初始脉冲持续时间加上时间补偿系数与一减焊点综合质量评分的差的乘积，计算得到优化后的激光脉冲持续时间；

51、将优化后的激光输出功率和激光脉冲持续时间分别限幅至设备允许的功率范围和脉冲持续时间范围内，所述第一补偿系数、第二补偿系数和时间补偿系数均为预设固定值。

52、第二方面，本发明还提供了一种曲面基板激光锡焊动态补偿控制系统，采用曲面基板激光锡焊动态补偿控制方法所实现，系统包括：

53、数据采集模块，用于对待焊区域进行图像采集，并进行图像预处理以识别焊盘区域及提取针脚焊点中心坐标，获得视觉检测结果；

54、参数映射模块，用于基于视觉检测结果建立用于表征焊点区域空间形态特征的曲面基板空间参数映射模型，所述空间参数映射模型包括各焊点区域的空间坐标、高度信息、局部曲率参数、表面倾角参数及曲面法向量方向参数；

55、参数补偿模块，用于根据空间参数映射模型，对不同焊点区域的焊接参数进行动态补偿，生成焊接补偿数据，所述焊接参数包括焊接运动轨迹、激光焦距、激光入射角度及焊锡液滴喷出量；

56、执行焊接模块，用于根据焊接补偿数据驱动三轴运动平台将激光锡焊笔和喷嘴定位至目标焊点位置，通过喷嘴将焊锡丝预热熔化后定量喷射焊锡液滴至焊点位置，并控制激光锡焊笔发射脉冲激光对焊锡液滴加热以实现焊接；

57、二次采集模块，用于在焊接完成后对焊点进行图像采集，并采用图像识别算法提取焊点区域形态参数；

58、评估分析模块，用于基于焊点区域形态参数结合预设的焊点质量评估模型，计算获得焊点综合质量评分，当焊点综合质量评分低于预设质量阈值时，判定该焊点为异常焊点并生成重焊标记。

59、本发明的曲面基板激光锡焊动态补偿控制方法及系统相对于现有技术具有以下有益效果：

60、（1）通过识别焊盘并建立表征曲面基板各焊点区域空间形态特征的参数映射模型，驱动运动轨迹、激光焦距、入射角度及焊料供给量的多维度自适应补偿，结合预热液滴喷射与三维质量评价模型实现焊点覆盖率、圆度和中心偏移的量化评估与异常自动判定，构建了完整闭环控制链路，提高了曲面基板各焊点焊接质量的稳定性与一致性；

61、（2）通过采用加权灰度化、中值滤波及基于局部灰度方差的自适应边缘增强，根据反光强弱动态调整增强幅度，有效克服曲面基板高反光干扰；通过otsu自适应阈值分割与连通域几何特征三重筛选精准识别焊盘区域，灰度重心法提取亚像素级焊点中心坐标，并建立理论焊盘参数与焊点的关联存储，有效提高了识别的准确性；

62、（3）通过参数映射模型将曲面各焊点的高度、曲率、倾角和法向量分别映射至焦距、步长、喷出量和入射角度的补偿通道，实现基于同一空间基准的协同自适应调整；并引入热影响分散路径规划，通过非连续焊接顺序与曲率自适应时间间隔配合抑制热累积叠加效应，使曲面各焊点在不同空间形态和热条件下均能获得适配的焊接参数配置，提升了高倾角区域焊料铺展的稳定性与平缓区域的焊接效率，同时保证了密集焊点区域整体焊接质量的均匀性和一致性；

63、（4）通过焊点覆盖率、圆度和中心偏移的三维质量评价模型实现异常焊点的自动判定，并针对异常焊点根据覆盖率不足程度和曲面倾角自适应提高激光功率、根据综合评分自适应延长脉冲持续时间，经边界限幅后用于重焊操作，构建了焊接质量闭环，降低了异常焊点的二次不良率，保障了曲面基板各焊点的最终焊接质量与产品良率。