葛曉森

目前公司傳統(tǒng)的高性能滴膠防偽產(chǎn)品是利用人工來(lái)控制膠閥進(jìn)行手工滴膠，生產(chǎn)效率低并且不能保證產(chǎn)品的滴膠公差范圍尺寸，隨著產(chǎn)品需求量的不斷增加，要求在保證滴膠尺寸精度的情況下提高工作效率，于是發(fā)揮公司的技術(shù)力量，計(jì)劃開(kāi)發(fā)出一種高精度機(jī)械手滴膠設(shè)備，來(lái)解決目前的生產(chǎn)瓶頸狀況。利用“先工藝后設(shè)備”的指導(dǎo)思想，做工藝性試驗(yàn)。

首先提出了技術(shù)要求，利用設(shè)備廠家的現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行工藝測(cè)試，滴膠精度由原來(lái)的±0.06g降為現(xiàn)在的±0.03g，能滿足產(chǎn)品精度。于是著手分步開(kāi)發(fā)此設(shè)備：

智能機(jī)械手滴膠機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)備，需要對(duì)滴膠的流量和點(diǎn)膠位置精確的控制，影響滴膠精度控制的主要因素有：產(chǎn)品尺寸、夾具方式、滴膠方式、控制方式。最后我們決定要實(shí)現(xiàn)高難度的精度滴膠，必須引進(jìn)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)保證其檢測(cè)精度高、動(dòng)作響應(yīng)快、可連續(xù)工作等特點(diǎn)。

滴膠的視覺(jué)系統(tǒng)的功能：

①在滴膠工藝前必須對(duì)滴膠產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確定位、自動(dòng)生產(chǎn)滴膠的路徑。

②在滴膠工藝后，對(duì)滴的膠進(jìn)行觀察和測(cè)量，評(píng)估涂膠的尺寸和體積的一致性。

滴膠的工作原理

1.定位方法

通過(guò)機(jī)器視覺(jué)對(duì)點(diǎn)膠位置自動(dòng)檢測(cè)，主要分為圖像采集、圖像處理和位置坐標(biāo)的提取與輸出3個(gè)部分。待定的產(chǎn)品正確裝夾后，相機(jī)（CCD）按照滴膠區(qū)域的分割進(jìn)行圖像的分塊采集，并將采集到的圖像存儲(chǔ)于工控機(jī)內(nèi)存中，當(dāng)完整的產(chǎn)品圖片采集后，工控機(jī)依次對(duì)所采集到的圖像進(jìn)行處理，擬定出滴膠位置區(qū)域輪廓的幾何特征。最后依據(jù)滴膠中心和滴膠區(qū)域輪廓的幾何特征，提取膠點(diǎn)中心的坐標(biāo)數(shù)值，并通過(guò)工控機(jī)傳輸給機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)到移動(dòng)至正確的點(diǎn)膠位置。

2.圖像處理

滴膠中心位置的識(shí)別通常需要根據(jù)給定條件，或者點(diǎn)膠區(qū)域輪廓的幾何特征來(lái)進(jìn)行。針對(duì)應(yīng)用的具體對(duì)象，細(xì)間距、不規(guī)則圖案的產(chǎn)品采用閥值化與形態(tài)學(xué)的處理算法，在圖中矩形區(qū)域?yàn)榇龣z測(cè)的滴膠區(qū)域，長(zhǎng)條區(qū)域?yàn)橐€區(qū)域。首先把得到的彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰色圖，以便于進(jìn)一步的圖像處理操作，為了減少圖像的噪聲，對(duì)灰度化的圖像進(jìn)行了平滑處理，通過(guò)灰度圖像的閥值選取，獲得了反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。這既有利于提高目標(biāo)輪廓的對(duì)比度，又便于圖像的簡(jiǎn)化處理，減小數(shù)據(jù)量提高處理速度。同時(shí)閥值的可調(diào)性也大大提高了系統(tǒng)對(duì)工作的環(huán)境的適應(yīng)性，即增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)不同對(duì)象的識(shí)別能力。

由于被測(cè)區(qū)域并非為完整矩形而是包含了長(zhǎng)條形的區(qū)域，因此可采用形態(tài)學(xué)處理，使用矩形結(jié)構(gòu)元對(duì)圖像進(jìn)行操作，比這個(gè)區(qū)域小的部分將被剔除掉，腐蝕操作具有對(duì)稱性，在減少識(shí)別區(qū)域面積的同時(shí)，并不改變所選區(qū)域的中心位置坐標(biāo)。隨后通過(guò)膨脹操作使識(shí)別區(qū)域恢復(fù)到原來(lái)面積，得到完整的矩形，最后通過(guò)矩形擬合提取識(shí)別得到識(shí)別區(qū)域的中心坐標(biāo)。

3.測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定

經(jīng)過(guò)圖像處理得到的滴膠區(qū)域中心點(diǎn)坐標(biāo)為相機(jī)坐標(biāo)系的像素坐標(biāo)，不能直接用于滴膠機(jī)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，需要先行對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，不能直接用于點(diǎn)膠機(jī)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，需要先行對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)施將滴膠區(qū)域中心的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的物理坐標(biāo)。首先確定CCD的像素分辨率，運(yùn)用標(biāo)尺刻度與圖像像素?cái)?shù)之間的關(guān)系來(lái)計(jì)算得到每個(gè)圖像的實(shí)際尺寸。標(biāo)定采用打點(diǎn)法，即滴膠機(jī)在標(biāo)定板的任意位置上滴膠打點(diǎn)，移動(dòng)工作臺(tái)使該點(diǎn)到達(dá)CCD原點(diǎn)，根據(jù)前后滴膠打點(diǎn)的坐標(biāo)之差來(lái)標(biāo)定相機(jī)與點(diǎn)膠機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系。

4.誤差分析

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差主要來(lái)自鏡頭畸變引起的光學(xué)誤差、相機(jī)與膠點(diǎn)機(jī)安裝平行度引起的模型誤差以及圖像處理操作帶來(lái)的誤差等3個(gè)部分。其中相機(jī)安裝導(dǎo)致的模型誤差和圖像處理造成的誤差可通過(guò)對(duì)相機(jī)模型的標(biāo)定來(lái)加以修正。

相機(jī)實(shí)際的鏡頭并非理想的透視成像，而是存在不同程度的畸變，主要包括徑向畸變、軸向畸變、偏心畸變等。

視覺(jué)定位系統(tǒng)的的實(shí)現(xiàn)

視覺(jué)定位對(duì)象是具有較為復(fù)雜圖形的帶加工印制芯片的電路板，具體操作目標(biāo)如下：通過(guò)圖像分析，確定待點(diǎn)膠區(qū)域的中心位置，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到恰當(dāng)位置，完成滴膠機(jī)的定位。

1.整體樣機(jī)系統(tǒng)

整體三坐標(biāo)點(diǎn)膠系統(tǒng)包括臺(tái)式機(jī)器人、氣動(dòng)電磁閥、點(diǎn)膠機(jī)、圖像采集系統(tǒng)及工控機(jī)5個(gè)部分。其中氣動(dòng)電磁閥位于機(jī)器人的上部，通過(guò)壓氣管道與滴膠閥相連，滴膠閥安裝于機(jī)器人的機(jī)械手臂上，可按照輸入路徑進(jìn)行三軸精密移動(dòng);相機(jī)安裝在機(jī)械手臂略微偏左位置，按裝高度依據(jù)相機(jī)的光學(xué)參數(shù)而定，便于采集到清晰圖像，光源置于相機(jī)左下側(cè)。

2.視覺(jué)系統(tǒng)的選型

整個(gè)視覺(jué)定位系統(tǒng)包括3個(gè)模塊：圖像采集模塊、圖像分析模塊和測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定模塊。圖像采集模塊負(fù)責(zé)獲取圖像，并通過(guò)合理的光源布置，使目標(biāo)區(qū)域有合理的對(duì)比度，圖像分析模塊對(duì)采集的圖形進(jìn)行自動(dòng)處理，提取點(diǎn)膠區(qū)域中心坐標(biāo)，該坐標(biāo)是相對(duì)于相機(jī)圖像坐標(biāo)系而言;測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定模塊有兩個(gè)任務(wù)：①確定相機(jī)的像素分辨率，即一個(gè)像素代表的實(shí)際距離。②確定相機(jī)圖像坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，將滴膠中心的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的物理坐標(biāo)。

根據(jù)被測(cè)物體的特點(diǎn)，為獲得對(duì)比度良好的圖像，光源的布置方式通常有兩種：①直接明場(chǎng)正面照射，點(diǎn)膠區(qū)域?yàn)椴Ａ斜P，其反射性強(qiáng)于背景，因而亮度較高，甚至達(dá)到飽和。②采用直接暗場(chǎng)正面照射，點(diǎn)膠區(qū)域是玻璃托盤，暗場(chǎng)照明也可突出這些部分，考慮到實(shí)施的便利性，采用了第一種光源布置方式。

3.算法實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)

以VC++作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，對(duì)圖像處理算法進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn)。采集到的彩色圖像首先經(jīng)過(guò)灰度化處理，帶經(jīng)過(guò)圖像平滑，消除了部分噪聲得到了灰度圖，由于光照因素，目標(biāo)區(qū)域亮度相對(duì)較高，選取適當(dāng)閥值來(lái)區(qū)分背景與目標(biāo)區(qū)域，經(jīng)過(guò)二值化處理即可得到粗略的目標(biāo)區(qū)域。光照強(qiáng)度的改變，引起背景與目標(biāo)區(qū)域的灰度值的相對(duì)變化，因此二值化操作中的閥值需要根據(jù)光照條件的不同加以調(diào)節(jié)。為了得到規(guī)則矩形，便于中心坐標(biāo)的提取，對(duì)二值化后的圖像進(jìn)行多次操作，則圖中比矩形區(qū)域面積小的“尾巴”將被慢慢去掉，得到中心位置不變的圖形陣列，再對(duì)其進(jìn)行膨脹操作，即得到完整的矩形陣列。

通過(guò)矩形擬合，提取出各個(gè)矩形中心坐標(biāo)，左側(cè)U、V分別為各個(gè)中心位置在圖像坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)，右側(cè)X、Y則為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的在機(jī)床坐標(biāo)系下的實(shí)際坐標(biāo)。通過(guò)模擬滴膠試驗(yàn)，證明了該結(jié)果的準(zhǔn)確性，其定位精度也滿足了精確滴膠的需求。

結(jié)論

研究了基于機(jī)器視覺(jué)的滴膠機(jī)定位系統(tǒng)，利用CCD相機(jī)對(duì)芯片的滴膠區(qū)域進(jìn)行掃描，采用平滑操作和二值化的方法對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理。再運(yùn)用圖像形態(tài)學(xué)操作提取點(diǎn)膠位置坐標(biāo)，解決了傳統(tǒng)點(diǎn)膠方式開(kāi)環(huán)控制精度低，穩(wěn)定性差等問(wèn)題，試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)點(diǎn)膠位置的定位精度可達(dá)0.016mm，能滿足產(chǎn)品高精度點(diǎn)膠的要求。

通過(guò)兩年多自主創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)的研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，成功解決了滴膠效率低、成品率的問(wèn)題，工作效率提高4倍，人工比以前減少9人，成品率由原來(lái)的73%提高到97%，當(dāng)年為公司節(jié)約資金約467萬(wàn)元。

作者單位：山東泰寶防偽技術(shù)產(chǎn)品有限公司

責(zé)任編輯：李倩 liqian@cprint.cn