陳亞星,王安紅,呂琴紅,王增琴

(1.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,太原 030024;2.中國電子科技集團公司第二研究所,太原 030024)

低溫共燒陶瓷(Low-temperature co-fired ceramics,LTCC)技術(shù)[1]是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉經(jīng)過流延制成厚度精確且致密的生瓷帶,作為電路基板材料,在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形,并將多個無源元件埋入其中疊壓在一起,在900 ℃下燒結(jié)制成無源集成組件或基板。

熱切工藝[2]在LTCC產(chǎn)品加工過程中起著關(guān)鍵作用,要求對層壓后的帶有Mark標識的生瓷片進行預(yù)加熱,并沿Mark連線切割成單品,單品作為組件可被廣泛應(yīng)用于汽車、通訊、航空航天等領(lǐng)域[3-4]。熱切機的切割過程直接影響最終單品的外形尺寸和后續(xù)裝框工藝的精度及合格率[5],一般而言,機械砂輪[6]由于陶瓷硬度高,刀具磨損量大,磨削效率低,只能進行直線劃切,磨削過程中很容易破裂,而激光切割[7]步驟復(fù)雜,小功率的激光切割效率低,大功率激光加工的熱效應(yīng)明顯,存在熔融凝固層缺陷和裂紋的問題。因此,熱切機采用刀刃對層壓后的帶有Mark標識的多層生瓷坯體在一定加熱溫度條件下進行切割。

傳統(tǒng)的熱切切割設(shè)備[8]均為手動上下料,容易造成生瓷片變形,且生產(chǎn)效率較低。將機器視覺與熱切需求結(jié)合的技術(shù)可減少人工參與、提高效率,文獻[9-12]提出的視覺系統(tǒng)及文獻[13-14]的標定算法使視覺精度得以提高。由此,肖方生等人將機器視覺應(yīng)用于熱切機上,趙忠志等人結(jié)合機器視覺方法,對熱切機視覺系統(tǒng)進一步完善。但采用上述文獻切割方法的視覺定位算法依賴多次參數(shù)輸入,影響實時加工。

本文研究滿足生瓷片實時熱切工藝的視覺系統(tǒng),旨在提出一種基于圖像處理的熱切機切割自動定位方法,通過圖像處理直接給出刀體切割的直線位置。對此,首先分析工作臺運動的幾何關(guān)系,通過圖像處理得到待加工生瓷片的Y向移動量及角度偏移量,然后提出一種針對遠心鏡頭的標定方法以建立工作臺與圖像坐標的關(guān)系。最后,通過對Y向移動量的誤差進行補償提高精度。實驗結(jié)果表明,所提出的定位算法在配合熱切機自動定位中取得0.03 mm的加工精度。

1 熱切器的視覺定位系統(tǒng)介紹

熱切機視覺定位系統(tǒng)的硬件部分如圖1所示,其中帶有遠心鏡頭的雙相機(CCD),可以提高視覺精度并避免采用單相機對分辨率的過高要求。其次,為配合視覺自動定位,工作臺吸附帶有Mark的生瓷片,并可360度旋轉(zhuǎn)及沿Y向移動;另外,橫置在左右相機中間的刀體執(zhí)行切割任務(wù)。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram

視覺定位系統(tǒng)的工作流程是:左右相機采集圖像傳回上位PC機,PC機的軟件平臺進行圖像實時處理,包括識別初始刀痕位置、識別Mark中心位置并計算工作臺的位置信息,位置信息反饋到運動控制系統(tǒng)以引導(dǎo)工作臺旋轉(zhuǎn)或移動,最后刀體驅(qū)動電機進行切割。

2 基于圖像處理的切割定位算法

2.1 工作臺運動的幾何關(guān)系分析

在切割前的初始位置,工作臺吸附的生瓷片與刀體有一定夾角,不符合刀體的切割位置。因此,視覺系統(tǒng)切割定位算法的設(shè)計目標就是通過圖像處理識別生瓷片左右兩邊Mark點的空間連線,保證空間連線與刀體直線重合,以使刀體可以沿空間連線進行生瓷片切割。

對此,首先將工作臺生瓷片旋轉(zhuǎn)至Mark連線與刀體平行的位置,設(shè)轉(zhuǎn)角為θ;然后驅(qū)動工作臺沿Y向移動一定距離my,以使Mark連線與刀體直線重合,這個直線便是刀體的切割直線,可實現(xiàn)沿著切割直線直接進行切割。

圖2 工作臺運動分析Fig.2 Geometry analysis of worktable

(1)

設(shè)直線B1B2在Y向平移my到達刀痕線,如圖2所示,則my由兩部分組成,一是Mark到刀痕線的距離,二是旋轉(zhuǎn)所引起Mark點的移動距離。以左相機為例,根據(jù)公式(2)可得Y向平移量my為:

my=h1+l1

(2)

其中:l1為左Mark點移動的距離,同理可得右Mark點移動的距離為l2.由圖3可知:若旋轉(zhuǎn)中心不變,旋轉(zhuǎn)任意角度所引起的左右Mark移動距離的比值不變,即公式(3)恒成立:

圖3 旋轉(zhuǎn)關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of rotation relationship

(3)

其中:m1、m2分別為任意角度旋轉(zhuǎn)后引起的左右Mark移動的距離。則:

(4)

2.2 切割定位算法流程

根據(jù)視覺定位系統(tǒng)設(shè)計目標及工作臺運動分析,設(shè)計了切割定位的圖像處理算法,如圖4所示。

圖4 切割定位算法流程圖Fig.4 Flow chart of overall architecture

上位PC端接收到圖像后,首先通過模板匹配的方法檢測Mark圖像的中心位置,通過灰度值的變化確定刀痕圖像(刀體在初始位置切割形成的圖像)的刀痕直線位置。然后分別計算左右視場Mark到刀痕直線的距離h1、h2,并將圖像信息轉(zhuǎn)換到工作臺坐標系下,最后計算Y向移動量my和旋轉(zhuǎn)偏移量θ,若符合要求則輸出my和θ,若不滿足,進行誤差修正。

2.3 Mark中心檢測

(5)

2.4 刀痕直線檢測

為了判斷切刀的位置,在生瓷片空白處進行初步切割以形成刀痕印記并拍照,對刀痕圖像進行處理,提取出刀痕直線位置。首先左右相機分別對印記進行拍照,得到左刀痕圖及右刀痕圖。以左刀痕圖C為例,對C反色得圖像C1,對C1在旋轉(zhuǎn)角度α=[-2,2]的范圍內(nèi)逐次進行仿射變換,并對變換后圖像按行求和,記錄所有角度下行像素和的最大值Max,尋找Max對應(yīng)的行索引y_pos及角度αmax,根據(jù)公式(6)確定刀痕線在圖像C1中的首、尾位置坐標p(xs,ys)、p(xl,yl).

(6)

y1=A1x+B1

(7)

通過左右視場中檢測出的Mark坐標與刀痕線直線方程可得到距離H1、H2.依據(jù)點到直線的關(guān)系根據(jù)公式(8)可得到如下:

(8)

其中:(x1,y1)、(x2,y2)分別是左、右Mark的中心坐標。

2.5 參數(shù)標定

以上圖像處理算法只是求出了圖像坐標下的距離,為了確定遠心鏡頭下圖像坐標系與工作臺坐標系的轉(zhuǎn)化關(guān)系,需要對工作臺參數(shù)進行標定[15-16]。主要包括對工作臺坐標系Y方向與圖像坐標系的列方向的比例以及工作臺旋轉(zhuǎn)角度θ0所引起的Y方向坐標變化進行標定。

首先確定Y方向與圖像坐標系的列方向比例關(guān)系。如圖5所示,設(shè)工作臺Y向移動固定距離0.5 mm,左相機、右相機分別拍攝移動前后的Mark圖像,利用模板匹配方法提取出Mark的中心坐標,計算Mark中心點對應(yīng)的移動距離dist1、dist2,則可求出左、右視場Y方向的比例關(guān)系K1=dist1、K2=dist2.

圖5 確定Y方向的比例關(guān)系mm/pixelFig.5 Determine mm/pixel in Y direction

CYX然后確定旋轉(zhuǎn)角度所引起的坐標變化關(guān)系。如圖6所示,若旋轉(zhuǎn)中心不變,旋轉(zhuǎn)任意角度所引起的左右Mark移動距離的比值不變。將轉(zhuǎn)心設(shè)為位于工作臺轉(zhuǎn)心處,旋轉(zhuǎn)角度θ0為0.5°,選擇位于機構(gòu)轉(zhuǎn)心處的一對Mark作為標記,并將其移動至相機視場中間位置,工作臺分別拍攝旋轉(zhuǎn)前后左右相機的Mark圖像。由四個Mark的中心坐標,分別求得左右Mark中心點的移動距離L1、L2,由Y向標定結(jié)果可根據(jù)公式(9)得到在工作坐標系下的距離m1、m2,并由此得到m1、m2滿足公式(10)的等式。

圖6 確定旋轉(zhuǎn)角度的pixel/度系數(shù)Fig.6 Determine the pixel/degree coefficient of the rotation angle

m1=L1/K1m2=L2/K2

(9)

(10)

2.6 計算Y向移動量my和旋轉(zhuǎn)偏移量θ

由工作臺Y方向標定可得h1、h2為:

(11)

由旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)標定可得工作臺旋轉(zhuǎn)角度θ為:

(12)

然后,將式(11)、式(4)代入式(2),可得到工作臺Y方向平移量my:

(13)

令mθ=sinθ,所以式(12)、式(13)可整理為:

(14)

其中:

(15)

2.7 誤差分析

實驗發(fā)現(xiàn)Y方向移動量有誤差,可通過以下步驟對Y方向進行修正,即將平均誤差E作為系統(tǒng)誤差補償?shù)絤y中。

當Mark在視野上方(表達式為:yy_pos),刀將向正向移動,系統(tǒng)誤差將作為正值補償:

(16)

其中:y是Mark的垂直坐標。

3 實驗結(jié)果

3.1 實驗測試及結(jié)果

本節(jié)選取三組Mark對圖像處理算法進行實驗驗證,其樣本圖如圖7所示。

圖7 三組Mark樣本圖Fig.7 Three sets of Mark samples

實驗結(jié)果如表1所示。由表中發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度幾乎為0,結(jié)果保持穩(wěn)定。所以只對Y方向移動距離進行誤差分析與矯正。

表1 控制量計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of control quantity

3.2 誤差分析與修正

如表2所示,選取生瓷片上的兩列Mark,拍攝位置是相機拍攝到含有Mark時工作臺的Y向坐標位置,Mark位置1是當Mark空間連線與刀體重合時的Y向坐標位置,Mark位置2是圖像中Mark的像素位置。

表2 實驗基礎(chǔ)條件設(shè)置Tab.2 Experimental basic condition settings

表3中結(jié)果1、2分別是Mark空間連線與刀體重合時工作臺Y方向移動的實際距離和實驗測試距離,誤差為二者差值。

表3 實驗結(jié)果Tab.3 Experimental result

通過表3可以得到系統(tǒng)誤差平均值E為0.148 25 mm.將誤差平均值代入誤差修正模型后,實驗誤差結(jié)果如表4所示。

表4 誤差修正結(jié)果Tab.4 Error correction results

實驗表明系統(tǒng)測量與實際測量的誤差在Mark寬度(0.2 mm)范圍內(nèi),且達到0.03 mm的加工精度,滿足視覺系統(tǒng)設(shè)計精度需求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合熱切機的熱切工序原理,對熱切機工作臺運動幾何關(guān)系進行分析,提出了一種基于圖像處理的熱切機切割自動定位算法。通過模板匹配檢測Mark中心坐標,利用灰度值的變化確定刀痕直線。然后對工作臺參數(shù)進行標定得到圖像坐標系與工作臺坐標系的關(guān)系,計算Y方向移動量和角度偏移量。最后對Y方向移動量與實際測量結(jié)果進行了誤差分析并改進。所提出的定位算法在配合熱切機自動定位中取得0.03 mm的加工精度,提高了系統(tǒng)自動定位的便捷程度、精度。