趙大興，原振方，王 博

（湖北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，武漢 430068）

基于機器視覺FPC缺陷檢測對位系統(tǒng)研究

趙大興，原振方，王 博

（湖北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，武漢 430068）

0 引言

根據(jù)FPC補強片缺陷檢測流程圖如圖1所示可以看出，工件初始的位置精度直接決定了后續(xù)檢測工序中缺陷識別的準(zhǔn)確率。如果不能將定位孔的定位精度控制在誤差范圍內(nèi)，在后續(xù)的檢測過程中，工件的位置可能出現(xiàn)偏差，尤其是在FPC補強片的缺角、溢膠等缺陷檢測中，對補強片輪廓邊界較大依賴性和對位不精準(zhǔn)的問題很容易造成工件缺陷的誤檢和漏檢，進而影響FPC的成品率。

工件移動速度和檢測準(zhǔn)確率是影響FPC缺陷檢測自動化設(shè)備效率的關(guān)鍵因素，在常規(guī)的缺陷檢測中，待檢對象的初始位姿和目標(biāo)位姿是事先規(guī)定的，而檢測定位精度只能由生產(chǎn)線的定位精度來保證。FPC具有質(zhì)量輕、可撓性強和加工精度要求高等特點，依靠傳統(tǒng)機械定位難以實現(xiàn)FPC的定位。機器視覺具有非接觸、精度高、速度快等特性，為解決柔板特性造成的定位困難找到了突破口。利用機器視覺進行缺陷檢測時，可以通過視覺系統(tǒng)實時準(zhǔn)確地識別柔板的位置變化，相應(yīng)調(diào)整動作進行糾偏定位，從而保證缺陷檢測的精度和效率。

圖1 FPC補強片缺陷檢測流程圖

1 檢測流程

根據(jù)FPC的型號和大小、測量精度的實際需要，確定運動工作臺的移動速度，調(diào)整相機位置、鏡頭角度、光照強度等使成像效果達到最佳；由運動控制卡配合伺服電機完成FPC的定位，待FPC定位完成后，PLC通過驅(qū)動器控制十字工作臺運動，圖像采集完畢后經(jīng)圖像采集卡處理后傳送至工控機，進而通過軟件進行缺陷判別。工作平臺運動軌跡圖如圖2所示。

圖2 運動軌跡圖

X軸步進電機運動將待檢FPC補強片從A點沿AB方向移動，逐一將待檢片送到相機視場下，待第一行（圖示從上往下）檢測完畢，Y軸步進電機運動將待檢FPC補強片向下移動一定距離將待檢補強片送到相機視場，然后沿BA方向逐一檢測，流程大致如下：

2 平臺的相機的標(biāo)定

視覺系統(tǒng)通過相機獲取的圖像來計算三維環(huán)境中物體位置、形狀、尺寸等幾何信息,圖像坐標(biāo)系中每個像素位置都與空間物體的實際幾何模型存在映射關(guān)系,相關(guān)參數(shù)的求取過程即為相機標(biāo)定。相機標(biāo)定主要完成兩項工作，一是完成橫縱向的物理分辨率的計算，二是對由于畸變產(chǎn)生的圖像進行矯正[1]。

標(biāo)定參數(shù)分為內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。物體由世界坐標(biāo)系到圖像平面坐標(biāo)系間的變換關(guān)系如式(1)、式(2)所示。

其中，m（u,v）是點投影在圖像平面的坐標(biāo)，A是相機的內(nèi)參矩陣，矩陣參數(shù)fx，fy為以像素為單位的焦距，（cx,cy）是圖像的基準(zhǔn)點，旋轉(zhuǎn)-平移矩陣[R|t]稱為外參矩陣，M為世界坐標(biāo)系中的一個點[2]。

本系統(tǒng)采用大恒MER-500-7UM/UC彩色CMOS相機，分辨率為2592(H)×1944(V)，配套的鏡頭采用大恒M5018-MP2型號，焦距為50mm，光源采用藍色同軸光配合彩色低角度環(huán)形光的組合光源。選用10×10邊長為1mm×1mm的標(biāo)準(zhǔn)棋盤，如圖3所示，選取9張標(biāo)定板進行常規(guī)線性標(biāo)定[3]，每幅圖像的標(biāo)定誤差如表1所示，標(biāo)定參數(shù)如表2所示。

圖3 標(biāo)定的棋盤圖

棋盤的標(biāo)定模式是指通過棋盤黑白格之間的角點的像素距離與實際距離之間的比率來計算出其物理分辨率，因為棋盤在制作時可達到具有極高精度和極小誤差的要求，為了得到更加全面而精準(zhǔn)的標(biāo)定數(shù)據(jù)，利用橫、縱向像素距離期望的數(shù)學(xué)方法來求取所代表的物理分辨率。設(shè)角點之間的橫向像素距離為Xi，縱向距離為Yj,I,J分別為橫向與縱向標(biāo)定ROI的角點數(shù)目，則物理分辨率為Vx、Vy，其計算公式如下：

檢測到的棋盤角點如圖4所示。

圖4 棋盤角點圖

表1 每幅圖像的標(biāo)定誤差

表2 相機標(biāo)定參數(shù)表

其中，k1、k2為鏡頭的徑向形變系數(shù)，p1、p2為切向形變系數(shù)[4]。由CAD設(shè)計圖紙得到零件的外觀尺寸為257.56mm×136.18mm，每塊補強片的尺寸為20.12mm×9.34mm為保證視場中可同時出現(xiàn)4塊補強片以達到同時檢測從而提高檢測效率的要求，同時考慮到補強片之間的間距以及光學(xué)設(shè)計、設(shè)備裝調(diào)、測量精度等方面的原因，本文設(shè)計FOV視場為95mm×45mm，通過鏡頭矯正、誤差分析計算得出該系統(tǒng)相機的物理分辨率Sx、Sy等于0.045mm/pixel[5]。

3 平臺的定位

由于FPC為柔性電路軟板，其材質(zhì)薄且質(zhì)量輕，極容易受外界的一些干擾使軟板在載物平臺上發(fā)生一定偏移，即使使用精確的定位機構(gòu)也難以保證其定位效果。由于定位偏差會影響到平臺的路徑，有可能致使處理的ROI模塊中無法出現(xiàn)補強片的完整圖像，這將對FPC的補強片ROI檢測產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，使整個檢測平臺無法正常工作[6]。針對FPC電路軟板難以硬件定位的問題，我們使用雙Mark點的機器視覺定位方法完成運動控制平臺和補強片之間的路徑問題，通過圖像的像素坐標(biāo)、圖像的物理坐標(biāo)、相機的世界坐標(biāo)、運動控制平臺的世界坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換,即使在軟板發(fā)生一定的偏移，只要Mark點的在初次搜索的相機視場內(nèi)，都可以完成運動平臺的定位工作[7]。

為了方便介紹此方法，我們假設(shè)平臺的機械坐標(biāo)為Owp（X0，Y0），并以該坐標(biāo)為運動控制原點，即X0=0，Y0=0。為了能精確實現(xiàn)此標(biāo)定方法中，選取一個標(biāo)準(zhǔn)位置十分重要，標(biāo)準(zhǔn)位置的相關(guān)數(shù)據(jù)可以事先通過測量工具的精確測量與多次的實驗得到，如圖5所示。通過最小二乘法檢測定位圓[8]，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)模式下Mark1點視場左上方的機械坐標(biāo)（參考位置選取FOV1左上端）為F1（Xwb1，Ywb1），Mark1點的圖像坐標(biāo)為O1（xpb1，ypb1），同理可以計算出Mark2點視場左上方坐標(biāo)F2（Xwb2，Ywb2），其圓心的圖像坐標(biāo)為O2（xpb2，ypb2），為了計算旋轉(zhuǎn)角度，必須額外加一個參數(shù)θ，表示Mark1孔的圓心坐標(biāo)與運動方向X的夾角[9]。

圖5 FPC標(biāo)準(zhǔn)位置定位圖

設(shè)相機在X與Y方向的物理分辨率為Vx、Vy。則有Mark1和Mark2以O(shè)wp為原點的世界坐標(biāo)為Ow1（xwo1，ywo1）、Ow2（xwo2，ywo2），其計算公式下所示：

則標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)θb的計算公式為：

當(dāng)定位好標(biāo)準(zhǔn)模式后，如圖6為FPC電路軟板任意位置在運動控制平臺的位置圖。

圖6 FPC任意方向的位置定位圖

設(shè)任意方向新的FOV左上端的坐標(biāo)為F11（Xw1，Yw1），Mark1的圖像坐標(biāo)為O11（xp1，yp1），Mark2點視場F2（Xw2，Yw2），其圓心的圖像坐標(biāo)為O2（xp2，yp2）。采用剛性旋轉(zhuǎn)平移公式可以計算出任意方向的FPC電路軟板在運動控制平臺的位置，新位置下的FPC電路軟板任意點的位置可以看做是標(biāo)準(zhǔn)位置經(jīng)過一次平移和旋轉(zhuǎn)得到的，為了使問題更加簡化，得到新位置下的Mark1的運動坐標(biāo)，可以簡化為只看做繞其中心點旋轉(zhuǎn)，為此設(shè)以下變量[10]。

同理新位置下的Mark1和Mark2運動平臺下的坐標(biāo)為Owo11（xwno1，ywno1）、Owo22（xwno2，ywno2），其計算公式如下所示。

其任意方向Mark中心點連線與運動平臺X的夾角參數(shù)θ的計算公式為：

那么其旋轉(zhuǎn)角度設(shè)為θΔ，其表達式為：

設(shè)剛性變換后FPC電路軟板任意一點為橫縱坐標(biāo)為Q（Xq，Yq），設(shè)該點的圖像坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)位置（即其與運動控制平臺相互平行的虛擬位置）相對于Mark1的實際坐標(biāo)為qb（xqb，yqb），坐標(biāo)值通過實際零件FPC的CAD標(biāo)注尺寸得到，當(dāng)軟板沿Mark1的中心旋轉(zhuǎn)θΔ后，在虛擬位置下的坐標(biāo)可以通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)計算出來，設(shè)為qb1(xqb1，yqb1)，其計算公式為：

最終相對于運動控制平臺的坐標(biāo)Q(Xq，Yq)為：

其中，θΔ為表示偏轉(zhuǎn)角度，注意其正負符號。

通過以上算法就可以在不精確定位FPC的情況下，通過Mark雙孔來精確定位FPC每塊補強片的位置，且定位精度很高，減少了生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

針對FPC電路板缺陷檢測的功能需求，結(jié)合FPC特性，可以看出基于機器視覺的FPC缺陷檢測對位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是高精度地獲得FPC的位姿坐標(biāo)。本文所提出的雙Mark點的機器視覺定位方法，利用最小二乘法對圓孔進行定位，選用距離較遠的雙Mark點對工件位置進行識別定位，大幅提高了定位精度，同時也降低了角度誤差對精度的影響。該方法可以有效防止柔板彎曲和模組安裝不垂直對定位精度的影響，可以高精度地標(biāo)定目標(biāo)位置。

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A research on alignment system about FPC defect detection based on machine vision

ZHAO Da-xing, YUAN Zhen-fang, WANG Bo

結(jié)合FPC電路板自動化生產(chǎn)線檢測對位的需求，研究了針對FPC補強片缺陷檢測對位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：系統(tǒng)標(biāo)定和FPC圖像識別與定位，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于機器視覺的FPC缺陷檢測對位系統(tǒng)，提出了一種雙Mark點的機器視覺定位方法。首先借助標(biāo)定板實現(xiàn)相機標(biāo)定，然后通過工件移動實現(xiàn)視覺坐標(biāo)與運動坐標(biāo)的標(biāo)定，最后通過雙Mark點和目標(biāo)位置的調(diào)節(jié)實現(xiàn)FPC補強片目標(biāo)位置的標(biāo)定，此方法可以在不精確定位FPC的情況下，實現(xiàn)FPC上每塊補強片的精確定位，具有速度快，精度高的特點。

FPC；機器視覺；Mark點識別；系統(tǒng)標(biāo)定

趙大興（1972 -），男，湖北崇陽人，教授，博士，研究方向為計算機圖形學(xué)、虛擬設(shè)計、圖像處理與模式識別。

TP399

A

1009-0134(2015)12(上)-0032-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.09

2015-08-25

湖北省科技廳重大專項（2014BEC06）；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃青年人才項目（Q20141404）