霍亮生 劉輝 夏凱旋 阮晨詩涵 王鑫

北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院

PET離型膜自動檢測分揀系統(tǒng)的研制

霍亮生 劉輝 夏凱旋 阮晨詩涵 王鑫

北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院

基于模塊化技術(shù)設(shè)計了可用于PET離型膜貼片缺陷檢測和產(chǎn)品分揀的自動檢測分揀系統(tǒng)。系統(tǒng)由產(chǎn)品圖片獲取、信息識別、產(chǎn)品分揀三個子系統(tǒng)組成。使用Linea系列數(shù)字線陣相機(jī)獲取產(chǎn)品圖像，通過專門的程序?qū)D像特征識別，然后根據(jù)識別結(jié)果驅(qū)動真空吸盤機(jī)械臂對檢測產(chǎn)品進(jìn)行分揀。利用STM32控制器實現(xiàn)對PET離型膜貼片尺寸、偏移、臟污、毛邊等缺陷的自動化檢測和產(chǎn)品分揀，統(tǒng)一質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)，提高生產(chǎn)效率。

PET離型膜 自動檢測 分揀 線陣

一、引言

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對手機(jī)的使用頻率越來越廣泛。而用于手機(jī)半導(dǎo)體及環(huán)氧覆銅板表面的PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）離型膜貼片[1]（如圖1所示）的需求也越來越大。由于生產(chǎn)工藝的局限，對其缺陷的檢測大多是人工通過顯微鏡檢測，效率極低，而且由于質(zhì)檢員的個人因素以及個體之間的差異，不能保證質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)的一致性，造成一定的不合格率，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，阻礙行業(yè)的發(fā)展。采用自動檢測分揀系統(tǒng)代替手工操作來檢測分揀貼片，既能剔除人為因素的影響，統(tǒng)一質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)，保證合格率，又能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)分揀，提高工作效率，減少人工成本。對于自動化技術(shù)的發(fā)展以及PET離型膜貼片的發(fā)展有著巨大的推動作用，因此設(shè)計一款運用于PET離型膜貼片的自動檢測分揀系統(tǒng)具有十分重要的意義。

圖1 PET離型膜貼片

文章設(shè)計的自動檢測分揀系統(tǒng)利用滾軸式輸送帶與產(chǎn)品生產(chǎn)線相連接，產(chǎn)品在離開生產(chǎn)線后直接進(jìn)入檢測環(huán)節(jié)，節(jié)約大量時間。輸送帶的運行速度可以達(dá)到3m/min 。大大提高檢測的速度。采用2000萬像素的數(shù)字線陣攝像機(jī)獲取產(chǎn)品圖像，同時利用專業(yè)的圖像識別技術(shù)進(jìn)行識別，保證統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，剔除眾多不確定因素，確保質(zhì)檢結(jié)果。隨后的真空吸盤機(jī)械臂可直接對產(chǎn)品進(jìn)行分揀，大大節(jié)約時間，提高效率。

該裝置的特點如下：①與生產(chǎn)線直接連接，輸送帶輸送，避免中間環(huán)節(jié)的影響；②利用專門的圖像識別技術(shù)對缺陷進(jìn)行識別，避免外界因素的影響，統(tǒng)一質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)；③添加真空吸盤機(jī)械臂對產(chǎn)品進(jìn)行分揀，更好地進(jìn)行分類，便于后期的處理；④利用STM32單片機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行控制，實現(xiàn)自動化處理，提高精準(zhǔn)度。⑤輸送帶與相機(jī)相結(jié)合保證掃描穩(wěn)定性和快速性問題。

二、總體方案設(shè)計

現(xiàn)在模塊化設(shè)計方法已經(jīng)廣泛運用與制造產(chǎn)業(yè)中，包括汽車、航天航空、機(jī)械電子以及程序代碼編寫中[2]?；谀K化設(shè)計的思想，文章設(shè)計的PET離型膜貼片自動檢測分揀系統(tǒng)的總體方案如圖2所示?？傮w分為三部分：產(chǎn)品圖片獲取模塊、信息識別模塊以及產(chǎn)品分揀模塊。各模塊相互獨立有密切聯(lián)系。密切聯(lián)系是指模塊之間需要組合起來才能搭建一個完整的系統(tǒng)[3]。

圖2 系統(tǒng)框圖

（一）產(chǎn)品圖片獲取模塊

該模塊的作用是獲取PET離型膜的圖片信息，為產(chǎn)品缺陷的自動化識別做準(zhǔn)備。由滾軸式輸送帶和線性相機(jī)組成。

文章設(shè)計的滾軸式輸送帶貫穿裝置全程，保證貼片的正常輸送。滾軸的直徑為12mm，兩滾軸之間的距離為36mm，保證長條貼片在前進(jìn)的過程中不發(fā)生變形而影響圖片的采集。輸送帶使用HST2802M 42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。該電機(jī)的優(yōu)點是與驅(qū)動器連為一體，結(jié)構(gòu)輕盈，安裝方便；速度可調(diào)節(jié)范圍較大。可以很好地調(diào)節(jié)輸送速度來保證圖片的清晰度。

圖片的獲取采用Linea系列數(shù)字線陣攝像機(jī)，型號是LA-GM-02K08A-00-R。鏡頭使用索尼鏡頭，光源使用同軸光。擁有較完善的平場校正功能；利用顏色插值算法將Linea彩色線陣相機(jī)在RGB全彩模式下達(dá)到比Spyder3彩色線陣相機(jī)高50%的速度；掃描頻率在500線每秒到2000線每秒之間，可調(diào)節(jié)范圍較大?？蛇_(dá)到2000萬的像素，高速高靈敏地捕獲輸送帶上前行貼片的圖像。

（二）信息識別模塊

利用程序編寫上位機(jī)對獲取的圖像信息進(jìn)行識別。接收產(chǎn)品圖片獲取模塊的信息，根據(jù)特定算法對圖片信息進(jìn)行識別判斷，與標(biāo)準(zhǔn)圖片進(jìn)行對比分析得到匹配分值與閾值進(jìn)行比較從而確定是否有缺陷的存在。

（三）產(chǎn)品分揀模塊

作用是將檢測的產(chǎn)品進(jìn)行分類——將有缺陷的和完好的分開，以便后期的處理。主要部分為兩軸機(jī)械臂和真空吸盤。兩軸機(jī)械臂實現(xiàn)X-Z兩個方向的移動，如圖3所示。X軸利用皮帶模組進(jìn)行傳動，Z軸傳動裝置為滾珠絲杠。兩軸的移動帶動移動桿的運動使真空吸盤進(jìn)行工作，將輸送帶上的PET離型膜貼片按照規(guī)劃路線分為兩部分從而達(dá)到分揀的效果。

圖3 兩軸機(jī)械臂示意圖

STM32芯片單片機(jī)貫穿整套系統(tǒng)，在產(chǎn)品圖片獲取模塊中控制輸送帶的運行速度以及相機(jī)工作的時間；在信息識別模塊中接收識別軟件的信號；在產(chǎn)品分揀模塊中控制機(jī)械臂的運動以及真空吸盤的工作完成對貼片進(jìn)行分揀。實現(xiàn)產(chǎn)品檢測分揀的自動化。

三、運動與控制方案

（一）機(jī)械驅(qū)動控制

設(shè)計的檢測分揀系統(tǒng)有兩處為機(jī)械驅(qū)動，分別是滾軸輸送帶機(jī)械驅(qū)動和兩軸機(jī)械臂機(jī)械驅(qū)動。全部使用HST2802M 42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，該電機(jī)與配套驅(qū)動器無縫接合。驅(qū)動器電壓為3.3V-5V,12V-24V兩者可選，使用十分方便。同時配有信號接收端口，可以實現(xiàn)自動化控制。

1.滾軸輸送帶驅(qū)動

滾軸輸送帶是由滾軸、鏈條及框架構(gòu)成，一系列的滾軸通過鏈條連接從而達(dá)到同步傳動的效果。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動鏈條的運動，鏈條的運動使所有滾軸同時運轉(zhuǎn)，輸送帶工作。本次設(shè)計選擇的滾軸外徑為12mm。輸送帶傳送速度公式為：

其中：n為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速；d為滾軸外徑。

在保證貼片采集圖片清晰度的前提下確定的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1.3r/s,滾軸輸送帶的速度為3m/min 。

2.兩軸機(jī)械臂運動控制

兩軸機(jī)械臂是絲杠模組傳動以及皮帶輸送帶傳動，兩者的工作過程不同，但原理相同，都是通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動，帶動絲杠或者皮帶進(jìn)行傳動，來實現(xiàn)某個方向的運動。

皮帶傳動的運動原理與滾軸輸送帶的工作原理一致，滾軸轉(zhuǎn)動的線速度即為皮帶運動的速度。驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

其中：n為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速；d為驅(qū)動軸外徑，本系統(tǒng)的數(shù)值為mm。

設(shè)計要求皮帶的速度達(dá)到20cm/s，即12m/min 。則n為192r/min 。

絲杠模組是利用絲杠的轉(zhuǎn)動進(jìn)行傳動，本次設(shè)計選用單頭的滾珠絲杠，具有良好的自鎖功能，并且傳動平穩(wěn)。絲杠模組由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，為保證絲杠模組呢能夠恰好地匹配系統(tǒng)的運動需要對其速度進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)設(shè)計要求絲杠模組的滑塊的前進(jìn)速度要達(dá)到0.02m/s.根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計暫定導(dǎo)程S=5mm ，則絲杠平均轉(zhuǎn)速

（二）信息采集與識別

圖像處理就是對圖像信息進(jìn)行加工以滿足人的視覺心理應(yīng)用需要的行為[4]。圖像處理的手段有光學(xué)方法和數(shù)學(xué)方法[5]。本系統(tǒng)的設(shè)計使用數(shù)學(xué)方法。利用數(shù)字計算機(jī)或其他設(shè)備，對從圖像信息轉(zhuǎn)換而得的電信號進(jìn)行某些數(shù)字運算，從而提高圖像的實用性。

1.信息采集

圖像采集使用Linea系列的線陣攝像機(jī)。在同軸光作為光源的條件下進(jìn)行工作。采集流程如圖4所示。相機(jī)與電腦之間使用網(wǎng)口連接，可以快速地對信息進(jìn)行處理。

線陣攝像機(jī)使用CMOS傳感器作為圖像觸感器，所獲取的圖案是一條一維的線，隨著被測物的移動，傳感器連續(xù)不斷地進(jìn)行掃描，這樣數(shù)據(jù)就可以拼湊成完整的圖像。對物體的尺寸和長度沒有限制，可以很好地運用于工業(yè)生產(chǎn)。

圖4 圖像采集過程

2.圖像識別

圖像識別的過程包含圖像輸入、圖像預(yù)處理、圖像特征提取和分類以及圖像匹配四部分。圖像識別是對獲取的圖像進(jìn)行處理，判斷是否存在尺寸、偏移、臟污、毛邊等方面的缺陷。

（1）圖像的輸入

圖像的輸入即從存儲設(shè)備里提取出所需要識別的信息，這是圖像識別的首要步驟。

（2）圖像的預(yù)處理

圖像的預(yù)處理是為了去除圖像信息中的噪聲，保證信息的準(zhǔn)確性，以便于正確提特征。

為了能夠真實且直觀地反應(yīng)圖像的特征，對獲取的圖像信息提取方向圖，方法如下：

①將圖像分割成足夠小的方塊。文章將圖像分為16×l6的非重疊小塊；

②對分割方塊上的點利用Sobel算法分別計算x-y兩方向的梯度，具體公式如下：

其中公式中的Sx，Sy表示Sobel；f(i,j)表示各像素的灰度值。

③根據(jù)計算得到的梯度值，計算每一個分割塊的方向：

其中w表示圖像塊的寬度，在文章中數(shù)值設(shè)定為為16，得到θ值后再量化為8個方向，就可得到圖像的方向。

同時對于一些不能夠明顯顯現(xiàn)的特征可以有選擇的進(jìn)行增強(qiáng)，文章選用Gabor濾波方法進(jìn)行實現(xiàn)。將函數(shù)的實部部分作為模板就可得到最接近真實的圖像特征。具體公式如下：

（3）圖像特征提取與分類

對圖像的端點以及分歧點利用一個3×3的矩陣進(jìn)行特征提取，如圖5所示，N是待檢測的點，順時針排列的P1，P2，P3，···P8是它的8個鄰域點，R(1)，R(2)，R(3)···R(8)分別是P2，P3，···P8,P1的灰度值。

圖5 特征提取矩陣

如果N是端點，則它的鄰域點滿足公式：

如果N為分支點，則它的鄰域點滿足公式：

通過分析數(shù)據(jù)特征，就可以找到相應(yīng)的特征點，同時記錄特征點的類型和位置。

（4）圖像匹配

自動檢測分揀系統(tǒng)使用的圖像匹配方法是細(xì)節(jié)匹配。細(xì)節(jié)點模式中細(xì)節(jié)點特征向量集合P包括M個細(xì)節(jié)點，表示為輸入細(xì)節(jié)點模式中細(xì)節(jié)點特征向量集合Q包括N個細(xì)節(jié)點，表示為：

在特征集合表示方法的基礎(chǔ)上，匹配問題表述為：搜索集合P和Q中點的最佳對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系下相應(yīng)細(xì)節(jié)點的數(shù)目得到匹配分值MS，并與相應(yīng)的閾值T比較，如果MS≥T ，則兩個細(xì)節(jié)點模式匹配，反之則不匹配。

通過線陣攝像機(jī)獲取的產(chǎn)品圖像與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品圖像特征的對比就可以判斷檢測產(chǎn)品是否存在缺陷，從而達(dá)到檢測的目的。

（三）電氣控制

運動控制采用的是ST公司的STM32F411RET6 MCU，為LQFP64封裝，擁有100MHz的頻率。工作電壓是1.7V～3.6V。具有低功耗、低價格、高性能的特點。文章主要用到模塊包括UART、PWM、TIM、A/D以及GPIO等。在保證PWM占空比固定的基礎(chǔ)上改變PWM脈沖周期即可進(jìn)行調(diào)速。配置對應(yīng)的IO口工作方式使能SPI模塊即可。以STM32為核心，將控制模塊所用到的引腳引出，即可設(shè)計出控制模塊的核心部分。

四、實驗驗證

實驗驗證分為兩個模塊，一是調(diào)節(jié)輸送帶的輸送速度來獲取清晰的圖像從而進(jìn)行判斷，二是設(shè)置合理的兩軸模組運動速度對樣品進(jìn)行分揀。

（一）圖像獲取及處理

由于CMOS傳感器的特殊性，需要保證樣品以特定的速度從相機(jī)下通過才能準(zhǔn)確掃描。在可適應(yīng)范圍內(nèi)，給定30組不同的輸送帶驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度獲取圖像。實驗測試結(jié)果為：在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1r/s～1.5r/s的范圍內(nèi)可以獲取可被信號處理軟件識別的圖像，獲取圖像如圖6所示。

圖6 相機(jī)獲取貼片圖像

線陣攝像機(jī)獲取的圖像通過網(wǎng)線傳送給圖像識別軟件進(jìn)行處理識別，經(jīng)過預(yù)處理以及特征提取之后通過匹配無缺陷貼片的信息判定該樣品的缺陷為偏移。

（二）分揀處理

分揀模塊設(shè)定完成后，接收控制器的命令進(jìn)行工作，通過觀察分揀的時間以及分揀效果即可證明其實用性和穩(wěn)定性。模塊是由兩軸機(jī)械和真空吸盤臂實現(xiàn)的，真空吸盤工作的關(guān)鍵點在于工作時間點以及吸盤給力的大小。兩軸機(jī)械臂工作關(guān)鍵在于兩周的運動速度配合。給定15組兩軸的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，驅(qū)動皮帶以及絲杠的運動，觀察樣品分揀的效果。實驗結(jié)果為：X軸的皮帶模組步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度在185r/min ～201r/min 之間，Z軸絲杠的步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度在296r/min～303r/min 之間能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行分揀操作。

綜上所述，通過實驗證明設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)PET離型膜貼片的自動檢測分揀要求。

五、結(jié)論

文章所述PET離型膜貼片自動檢測分揀系統(tǒng)以STM32單片機(jī)控制器為核心，通過模塊化設(shè)計方法，綜合機(jī)械機(jī)構(gòu)、圖像信息處理以及產(chǎn)品分揀技術(shù)，實現(xiàn)了對PET離型膜貼片的自動化檢測與分揀。系統(tǒng)可與生產(chǎn)線無縫銜接，檢測分揀過程全部由計算機(jī)控制，實現(xiàn)真正意義上的自動化，極大地提高生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品的合格率。通過反復(fù)的試驗以及技術(shù)改進(jìn)，證明文章設(shè)計研制的檢測分揀系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對PET離型膜貼片的自動化檢測與分揀，穩(wěn)定性良好。

[1]林裕衛(wèi),蔡朝輝,吳耀根.耐高溫復(fù)合型離型膜材的成型加工技術(shù).廣州化工.2013.10.

[2]任傳波.汽車產(chǎn)品開發(fā)[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[3]袁清珂.現(xiàn)代設(shè)計方法與產(chǎn)品開發(fā)[M].電子工業(yè)出版社, 2010.

[4]顏發(fā)根,劉健群,陳興.機(jī)器視覺及其在制造業(yè)中的應(yīng)用.機(jī)械制造[J],2004.42（11）：483.

[5]西安交通大學(xué)自動控制研究所.Xavis機(jī)器視覺組態(tài)軟件使用說明[P].2009.12.