肖守柏

摘要：基于機器視覺的三軸點膠機定位控制系統(tǒng)是一套能夠大幅提高點膠機在直線與圓弧曲線涂膠上高性能、高精度的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了點膠機的三軸聯(lián)動，提高了點膠機在點膠時的工作效率，而且把視覺技術(shù)引入到點膠機的點膠位置測量計算過程中，很好地解決了以往傳統(tǒng)點膠技術(shù)在開環(huán)控制精度較低、穩(wěn)定性差的問題。為實現(xiàn)該控制系統(tǒng)中利用機器視覺代替人工輸入對點膠位置進性自動測量的功能，在控制系統(tǒng)中運用圖像預處理和形態(tài)學操作來實現(xiàn)膠點位置的識別算法，并對定位系統(tǒng)進行了標定和誤差分析，從硬件和軟件兩個方面實現(xiàn)了對三軸點膠機定位控制系統(tǒng)的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：機器視覺 點膠機 三軸聯(lián)動 定位控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0009-02

1 引言

點膠是微電子封裝工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)當中重要的工序之一，被廣泛用于集成電路的封裝與表面貼裝。在液體流量精確控制領(lǐng)域，點膠機是一種被用在芯片封裝、電磁屏蔽、防水密封、子元件的粘貼、汽車電子和音響器材等領(lǐng)域的精密施膠儀器。近年來，隨著電子芯片和封裝尺寸的不斷減小，高精度、高可靠性、高速率的點膠技術(shù)得到了迅速的發(fā)展[1]。

在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)加工當中，點膠機是一種需要多軸協(xié)同控制的自動化設(shè)備，它是一個復雜的系統(tǒng)，需要對膠點流量以及位置進行精確的控制操作。目前影響點膠精度的主要因素有四點：（1）產(chǎn)品尺寸精度；（2）點膠方式；（3）夾具設(shè)計；（4）控制方式。而機器視覺技術(shù)以其檢測精度高、動態(tài)響應快、可連續(xù)工作等一系列特點，被廣泛應用于電子封裝行業(yè)中的諸多領(lǐng)域。主流的非接觸式點膠技術(shù)是采用機器視覺系統(tǒng)輔助完成閉環(huán)控制的操作，以此來實現(xiàn)高精度、高頻率、高效率的點膠自動定位。

2 功能設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)領(lǐng)域的需求，點膠技術(shù)中的機器視覺與定位控制主要有以下功能：

（1）點膠工藝實施之前，對目標產(chǎn)品進行快速確定點膠位置，并自動生成點膠路徑。

（2）點膠工藝實施之后，對涂著的膠點進行觀察并測量，評估出膠點直徑或體積。

（3）能夠?qū)θS步進電機進行獨立控制，實現(xiàn)任意兩軸可以直線插補、圓弧插補等不規(guī)則路徑連續(xù)涂膠。脈沖輸出速度最大頻率可達到120kHz。

（4）能夠達到自動回原點、防止運動過界以及防撞的功能需求。

（5）能夠?qū)崿F(xiàn)多機互聯(lián)，以此來滿足生產(chǎn)線協(xié)同生產(chǎn)的需求。

（6）能夠脫機獨立運行，并且支持顯示啟動、停止和故障的狀態(tài)提示功能。

（7）可控制至少4個膠筒獨立涂膠，并且可與各種膠槍和儲膠桶連接。

（8）能夠達到與計算機連接可下載運動軌跡文件，另外可使用SD卡對系統(tǒng)進行升級。

上述2、3兩個功能可以在同一視覺系統(tǒng)中加以實現(xiàn)。其中，膠點檢測技術(shù)發(fā)展已較為成熟，不少文獻對此給出了較為完整的解決方案，市場上也已有類似產(chǎn)品出現(xiàn)。對于點膠位置的定位，由于目標產(chǎn)品的多樣性和工藝條件的不確定性等綜合因素的影響，業(yè)內(nèi)有著多種個性化的解決方案。針對熒光膠模組點膠工藝的具體應用，通過安裝于三軸點膠機Z軸上的視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)了對點膠位置的在線檢測。

3 工作原理

3.1 定位方法

通過機器視覺技術(shù)對點膠位置進行的自動檢測，此過程主要分為：圖像采集、圖像處理、位置坐標提取、位置坐標輸出三個部分。待定的芯片安裝完畢以后，CCD相機將根據(jù)點膠區(qū)域的分割對圖像進行分塊采集，并且將采集到的圖像存儲于工控機的內(nèi)存當中。

當完整的芯片圖像采集完畢之后，工控機將對所采集到的圖像依次進行處理，計算出點膠區(qū)域輪廓的幾何特征。最后，通過膠點中心與點膠區(qū)域輪廓的位置特征信息，提取出膠點中心的坐標數(shù)值，并根據(jù)工控機傳輸給機電執(zhí)行模塊，驅(qū)動運動平臺至正確的點膠位置。其技術(shù)路線，如圖1所示。

3.2 標定測量系統(tǒng)

通過圖像處理得到的點膠區(qū)域中心點坐標即為相機坐標系的像素坐標，此坐標不能直接用于驅(qū)動點膠機的運動平臺。要使之可行需要先行對測量系統(tǒng)進行標定，并實時地將點膠區(qū)域中心的像素坐標轉(zhuǎn)化為運動平臺的物理坐標。為此，還需完成以下幾點要求：

（1）確定相機的像素分辨率，運用標尺刻度與圖像像素數(shù)之間的關(guān)系，以此來計算得到每個像素的實際尺寸。

（2）采用打點法，即點膠機先在標定板的任意位置上點膠打點，然后移動工作臺使該點到達相機原點，依照前后點膠打點的坐標之差來標定相機與點膠機的相對位置關(guān)系，如圖2所示。

根據(jù)圖像坐標系與運動平臺坐標系之間關(guān)系的變換，可捕捉在工作臺坐標系下的絕對物理坐標（X，Y）：

公式中：（B0，B1）表示點膠機初始位置坐標；ε1表示CCD中心與點膠機中心的橫坐標之差；△0表示相機原點與運動平臺原點間的橫坐標之差；△1表示CCD原點與運動平臺原點間的縱坐標之差；（u，v）為圖像中心點的坐標；△表示像素分辨率。

4 視覺定位系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)目標

視覺定位的對象是具有復雜圖形的待加工印制電路板。

具體操作目標如下：（1）通過圖像分析，確定待點膠區(qū)域的中心位置；（2）控制驅(qū)動三軸運動平臺移動到恰當位置；（3）完成點膠機的定位。

4.2 系統(tǒng)選型

視覺定位系統(tǒng)包括以下三個模塊：（1）圖像采集模塊；（2）圖像分析模塊；（3）測量系統(tǒng)標定模塊。

圖像采集模塊主要負責獲取圖像并且使用合理的光源布置讓目標區(qū)域具有良好的對比度；圖像分析模塊主要負責對采集的圖像進行自動處理，提取點膠區(qū)域的中心坐標。測量系統(tǒng)標定模塊中將完成兩個任務：（1）確定相機的像素分辨率，一個像素代表的實際距離；（2）確定相機圖像坐標系和運動平臺坐標系之間的關(guān)系。

4.3 算法實現(xiàn)

系統(tǒng)的開發(fā)平臺為Visual C++，在結(jié)合開源計算機視覺庫對OPNECV圖像處理算法進行程序?qū)崿F(xiàn)的同時，將采集到的彩色圖像首先經(jīng)過灰度化處理、圖像平滑與消除噪聲，此步驟用來得到灰度圖。因為光照因素的影響，目標區(qū)域的亮度相對較高，因此可選取適當閾值來區(qū)分背景與目標區(qū)域，接著經(jīng)過二值化處理即可得到目標區(qū)域的雛形。因光照強度的改變而引起背景與目標區(qū)域灰度值產(chǎn)生的相對變化，需要將二值化操作中的閾值根據(jù)光照條件不同加以調(diào)節(jié)。

插補算法：使用逐點比較法，即每次僅向一個坐標軸輸出一個進給脈沖，而每走一步都要通過偏差函數(shù)計算，由此判斷偏差點的瞬時坐標同時規(guī)定加工軌跡之間的偏差。然后決定下一步的進給方向。每個插補循環(huán)由偏差判別、進給、偏差函數(shù)計算和終點判別個步驟組成。逐點比較法可以實現(xiàn)直線插補、圓弧插補、其他曲線插補。其特點是運算直觀、插補誤差小、脈沖輸出均勻、調(diào)節(jié)方便。

5 軟件實現(xiàn)的功能

系統(tǒng)采用了基于PWM的方法來達到控制直流電機的目的，其特點為：靈活、可靠、精度高。系統(tǒng)的運動軌跡文件采用G代碼存儲于Flash存儲器之中，系統(tǒng)啟動后便可以通過計算機從默認的從Flash存儲器中讀取軌跡文件序號，接著進行逐條的解析命令執(zhí)行。若是執(zhí)行運動指令，則執(zhí)行插補函數(shù)并輸出PWM控制電機的當前運行狀態(tài)，反則通過I/O口輸出高低信號電平，同時在運行過程中如果遇到限位信號、急停信號和停止信號，則立刻停止運動軌跡文件的解析執(zhí)行，等待系統(tǒng)復位以及下一次的啟動觸發(fā)。軟件脫機運行如圖3所示。

6 誤差分析

視覺檢測系統(tǒng)的測量誤差產(chǎn)生主要有：鏡頭畸變引起的光學誤差、相機與點膠機安裝平行度引起的模型誤差、圖像處理操作帶來的誤差三個部分組成。而相機安裝導致的模型誤差以及圖像處理造成的誤差都是可通過對相機模型的標定來解決。

相機實際的鏡頭是存在不同程度的畸變，其中主要包括：偏心畸變、徑向畸變與薄棱鏡畸變。假設(shè)在圖像坐標系下某個像點的理想位置是（Zn，Yn）由于成像產(chǎn)生的畸變，實際的為（Zm，Ym），二者之間的關(guān)系如下所示：

從式（3）、（4）二式子中可得出：成像畸變修正值的大小與像點的位置相關(guān)。

7 結(jié)語

隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來機械化操作將大量使用自動化設(shè)備代替人工操作，以此來滿足復雜控制、高精度、多軸聯(lián)動的運動控制。

本文研究了基于機器視覺的三軸點膠機定位控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，不僅利用CCD相機進行點膠區(qū)域?qū)崟r掃描，并采用平滑操作和二值化的方法對采集的圖像進行預處理，還運用了圖像形態(tài)學操作來對點膠位置坐標進行提取，很大程度上解決了傳統(tǒng)點膠方式開環(huán)控制精度低、效率低、穩(wěn)定性差等問題。實驗驗證，此系統(tǒng)經(jīng)測試和使用均能滿足要求，在長時間重復性工作極大減少人工的使用的同時對提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量也有很大提高。

參考文獻

[1]Liu Hua-yong.Research on The Micro-jetting and Control Technology of High Viscosity Fluids[D].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2013.

[2]Shen Xin-hai.Basic rules of dispensing[J].Electronics Process Technology，2012，20（6）.

4.3 算法實現(xiàn)

系統(tǒng)的開發(fā)平臺為Visual C++，在結(jié)合開源計算機視覺庫對OPNECV圖像處理算法進行程序?qū)崿F(xiàn)的同時，將采集到的彩色圖像首先經(jīng)過灰度化處理、圖像平滑與消除噪聲，此步驟用來得到灰度圖。因為光照因素的影響，目標區(qū)域的亮度相對較高，因此可選取適當閾值來區(qū)分背景與目標區(qū)域，接著經(jīng)過二值化處理即可得到目標區(qū)域的雛形。因光照強度的改變而引起背景與目標區(qū)域灰度值產(chǎn)生的相對變化，需要將二值化操作中的閾值根據(jù)光照條件不同加以調(diào)節(jié)。

插補算法：使用逐點比較法，即每次僅向一個坐標軸輸出一個進給脈沖，而每走一步都要通過偏差函數(shù)計算，由此判斷偏差點的瞬時坐標同時規(guī)定加工軌跡之間的偏差。然后決定下一步的進給方向。每個插補循環(huán)由偏差判別、進給、偏差函數(shù)計算和終點判別個步驟組成。逐點比較法可以實現(xiàn)直線插補、圓弧插補、其他曲線插補。其特點是運算直觀、插補誤差小、脈沖輸出均勻、調(diào)節(jié)方便。

5 軟件實現(xiàn)的功能

系統(tǒng)采用了基于PWM的方法來達到控制直流電機的目的，其特點為：靈活、可靠、精度高。系統(tǒng)的運動軌跡文件采用G代碼存儲于Flash存儲器之中，系統(tǒng)啟動后便可以通過計算機從默認的從Flash存儲器中讀取軌跡文件序號，接著進行逐條的解析命令執(zhí)行。若是執(zhí)行運動指令，則執(zhí)行插補函數(shù)并輸出PWM控制電機的當前運行狀態(tài)，反則通過I/O口輸出高低信號電平，同時在運行過程中如果遇到限位信號、急停信號和停止信號，則立刻停止運動軌跡文件的解析執(zhí)行，等待系統(tǒng)復位以及下一次的啟動觸發(fā)。軟件脫機運行如圖3所示。

6 誤差分析

視覺檢測系統(tǒng)的測量誤差產(chǎn)生主要有：鏡頭畸變引起的光學誤差、相機與點膠機安裝平行度引起的模型誤差、圖像處理操作帶來的誤差三個部分組成。而相機安裝導致的模型誤差以及圖像處理造成的誤差都是可通過對相機模型的標定來解決。

相機實際的鏡頭是存在不同程度的畸變，其中主要包括：偏心畸變、徑向畸變與薄棱鏡畸變。假設(shè)在圖像坐標系下某個像點的理想位置是（Zn，Yn）由于成像產(chǎn)生的畸變，實際的為（Zm，Ym），二者之間的關(guān)系如下所示：

從式（3）、（4）二式子中可得出：成像畸變修正值的大小與像點的位置相關(guān)。

7 結(jié)語

隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來機械化操作將大量使用自動化設(shè)備代替人工操作，以此來滿足復雜控制、高精度、多軸聯(lián)動的運動控制。

本文研究了基于機器視覺的三軸點膠機定位控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，不僅利用CCD相機進行點膠區(qū)域?qū)崟r掃描，并采用平滑操作和二值化的方法對采集的圖像進行預處理，還運用了圖像形態(tài)學操作來對點膠位置坐標進行提取，很大程度上解決了傳統(tǒng)點膠方式開環(huán)控制精度低、效率低、穩(wěn)定性差等問題。實驗驗證，此系統(tǒng)經(jīng)測試和使用均能滿足要求，在長時間重復性工作極大減少人工的使用的同時對提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量也有很大提高。

參考文獻

[1]Liu Hua-yong.Research on The Micro-jetting and Control Technology of High Viscosity Fluids[D].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2013.

[2]Shen Xin-hai.Basic rules of dispensing[J].Electronics Process Technology，2012，20（6）.

4.3 算法實現(xiàn)

系統(tǒng)的開發(fā)平臺為Visual C++，在結(jié)合開源計算機視覺庫對OPNECV圖像處理算法進行程序?qū)崿F(xiàn)的同時，將采集到的彩色圖像首先經(jīng)過灰度化處理、圖像平滑與消除噪聲，此步驟用來得到灰度圖。因為光照因素的影響，目標區(qū)域的亮度相對較高，因此可選取適當閾值來區(qū)分背景與目標區(qū)域，接著經(jīng)過二值化處理即可得到目標區(qū)域的雛形。因光照強度的改變而引起背景與目標區(qū)域灰度值產(chǎn)生的相對變化，需要將二值化操作中的閾值根據(jù)光照條件不同加以調(diào)節(jié)。

插補算法：使用逐點比較法，即每次僅向一個坐標軸輸出一個進給脈沖，而每走一步都要通過偏差函數(shù)計算，由此判斷偏差點的瞬時坐標同時規(guī)定加工軌跡之間的偏差。然后決定下一步的進給方向。每個插補循環(huán)由偏差判別、進給、偏差函數(shù)計算和終點判別個步驟組成。逐點比較法可以實現(xiàn)直線插補、圓弧插補、其他曲線插補。其特點是運算直觀、插補誤差小、脈沖輸出均勻、調(diào)節(jié)方便。

5 軟件實現(xiàn)的功能

系統(tǒng)采用了基于PWM的方法來達到控制直流電機的目的，其特點為：靈活、可靠、精度高。系統(tǒng)的運動軌跡文件采用G代碼存儲于Flash存儲器之中，系統(tǒng)啟動后便可以通過計算機從默認的從Flash存儲器中讀取軌跡文件序號，接著進行逐條的解析命令執(zhí)行。若是執(zhí)行運動指令，則執(zhí)行插補函數(shù)并輸出PWM控制電機的當前運行狀態(tài)，反則通過I/O口輸出高低信號電平，同時在運行過程中如果遇到限位信號、急停信號和停止信號，則立刻停止運動軌跡文件的解析執(zhí)行，等待系統(tǒng)復位以及下一次的啟動觸發(fā)。軟件脫機運行如圖3所示。

6 誤差分析

視覺檢測系統(tǒng)的測量誤差產(chǎn)生主要有：鏡頭畸變引起的光學誤差、相機與點膠機安裝平行度引起的模型誤差、圖像處理操作帶來的誤差三個部分組成。而相機安裝導致的模型誤差以及圖像處理造成的誤差都是可通過對相機模型的標定來解決。

相機實際的鏡頭是存在不同程度的畸變，其中主要包括：偏心畸變、徑向畸變與薄棱鏡畸變。假設(shè)在圖像坐標系下某個像點的理想位置是（Zn，Yn）由于成像產(chǎn)生的畸變，實際的為（Zm，Ym），二者之間的關(guān)系如下所示：

從式（3）、（4）二式子中可得出：成像畸變修正值的大小與像點的位置相關(guān)。

7 結(jié)語

隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來機械化操作將大量使用自動化設(shè)備代替人工操作，以此來滿足復雜控制、高精度、多軸聯(lián)動的運動控制。

本文研究了基于機器視覺的三軸點膠機定位控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，不僅利用CCD相機進行點膠區(qū)域?qū)崟r掃描，并采用平滑操作和二值化的方法對采集的圖像進行預處理，還運用了圖像形態(tài)學操作來對點膠位置坐標進行提取，很大程度上解決了傳統(tǒng)點膠方式開環(huán)控制精度低、效率低、穩(wěn)定性差等問題。實驗驗證，此系統(tǒng)經(jīng)測試和使用均能滿足要求，在長時間重復性工作極大減少人工的使用的同時對提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量也有很大提高。

參考文獻

[1]Liu Hua-yong.Research on The Micro-jetting and Control Technology of High Viscosity Fluids[D].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2013.

[2]Shen Xin-hai.Basic rules of dispensing[J].Electronics Process Technology，2012，20（6）.