基于壓電陶瓷的錫膏三維檢測(cè)投影光柵移相設(shè)計(jì)

劉金生，余義斌，羅兵

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基于壓電陶瓷的錫膏三維檢測(cè)投影光柵移相設(shè)計(jì)

劉金生，余義斌，羅兵

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

錫膏三維檢測(cè)儀控制光柵移相的壓電陶瓷存在的非線性、遲滯和蠕變效應(yīng)，使傳統(tǒng)方法測(cè)定的控制電壓誤差較大. 采用基于圖像灰度匹配的方法對(duì)壓電陶瓷的控制電壓值進(jìn)行測(cè)定校正，提高了移相控制的精度和速度，仿真實(shí)例驗(yàn)證了方法的有效性.

壓電陶瓷；錫膏檢測(cè)；三維測(cè)量；相位測(cè)量輪廓術(shù)；機(jī)器視覺(jué)

錫膏的印刷質(zhì)量將直接影響數(shù)字印刷電路板元器件的焊接質(zhì)量，因此對(duì)表面貼片安裝技術(shù)生產(chǎn)線的錫膏印刷缺陷進(jìn)行檢測(cè)可以降低最終產(chǎn)品的缺陷率、提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量. 目前，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)了錫膏三維自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，但價(jià)格昂貴. 我國(guó)現(xiàn)有的基于激光三角法的錫膏檢測(cè)設(shè)備存在速度慢、精度低、無(wú)法在線實(shí)時(shí)檢測(cè)等問(wèn)題，為此對(duì)基于光柵投影相位測(cè)量輪廓術(shù)的錫膏檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究. 本文研究了基于光柵投影相位測(cè)量輪廓術(shù)的錫膏三維檢測(cè)儀的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、投影光柵移相裝置的設(shè)計(jì). 由于光柵移相裝置中壓電陶瓷存在非線性、遲滯、蠕變效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致移相測(cè)定不準(zhǔn)確，本文采用基于圖像灰度的方法對(duì)壓電陶瓷的電壓值進(jìn)行較正，以提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和速度.

1 錫膏檢測(cè)硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括圖像采集部分和光柵投影部分，光柵投影與圖像采集相機(jī)之間有一個(gè)固定的夾角. 圖像采集部分包括計(jì)算機(jī)、圖像采集卡、CCD相機(jī)、鏡頭、偏振片；光柵投影部分包括LED光源、聚光透鏡、物理光柵、壓電陶瓷、遠(yuǎn)心鏡頭，錫膏檢測(cè)原理參見(jiàn)文獻(xiàn)[1-2].

光柵投影系統(tǒng)的主要作用是投射出亮度呈正弦變化的光源到錫膏表面. 工作流程：LED點(diǎn)光源經(jīng)過(guò)聚光透鏡變成一束平行光，再通過(guò)正弦物理光柵（用壓電陶瓷移動(dòng)物理光柵以改變其初始相位）調(diào)制成亮度成正弦變化的光源，最后由遠(yuǎn)心鏡頭投射到錫膏上. 遠(yuǎn)心鏡頭的作用是確保最終投射到錫膏表面上的光源亮度呈正弦變化.

1.1 LED光源

LED光源廣泛應(yīng)用于生活照明和工業(yè)照明，其選型需要考慮亮度、對(duì)比度、均勻性等要素. 當(dāng)光源不夠亮?xí)r，會(huì)導(dǎo)致圖像的對(duì)比度不夠[3]，拍攝的錫膏圖像噪聲大；不均勻的光源會(huì)使攝像頭視野范圍內(nèi)部分區(qū)域的光比其他區(qū)域多，從而造成物體表面反射不均勻. 在設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)時(shí)，采用5 W的大功率LED燈珠（適用電流范圍為0～750 mA），通過(guò)電源適配器調(diào)節(jié)電流以控制其亮度. 在燈珠的頂部，安裝LED散熱模塊，防止LED燈因長(zhǎng)時(shí)間工作被燒壞. 在燈珠的前端是聚光透鏡，可使點(diǎn)光源變成一束平行光.

1.2 正弦光柵

光柵是能等寬等間隔地分割入射光的、具有空間周期性結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件[4]. 本文所用的正弦光柵，是一塊刻有大量平行等寬等距狹縫的、透射率為正弦函數(shù)的平面玻璃，其線數(shù)量為5線/毫米，即（線寬）一個(gè)周期是200 μm. 理論上，光柵線數(shù)量越多錫膏檢測(cè)精度越高，然而，光柵線數(shù)量越多，其制作也會(huì)越困難，且很難保證光柵的精度.

1.3 壓電陶瓷微位移控制器

壓電陶瓷具有控制精度高、響應(yīng)速度快、位移分辨率高、輸出力大等優(yōu)點(diǎn)[5]，在光柵投影系統(tǒng)中，壓電陶瓷可以作為移相裝置，以納米級(jí)精度來(lái)控制正弦光柵的移相.

圖1 壓電陶瓷

本設(shè)計(jì)采用壓電陶瓷作為移相裝置來(lái)控制光柵的移動(dòng). 如圖1所示，壓電陶瓷的位移行程可達(dá)250 μm，分辨率為5 nm，光柵的周期為200 μm. 在其中間放置正弦光柵，可實(shí)現(xiàn)沿光柵周期方向作一維微納米的微小移動(dòng).

1.4 移相控制與圖像采集軟件的集成

錫膏檢測(cè)硬件系統(tǒng)的目的是采集光柵投影到錫膏上的圖像，可分為2個(gè)步驟：壓電陶瓷對(duì)光柵進(jìn)行移相、相機(jī)拍攝圖像. 為了方便完成圖像采集工作，用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)對(duì)壓電陶瓷、相機(jī)進(jìn)行控制，在Delphi軟件環(huán)境下，完成了對(duì)壓電陶瓷、相機(jī)的軟件集成工作.

編程時(shí)，先對(duì)串口進(jìn)行初始化，成功后通過(guò)串口線分別將50 μm、100 μm、150 μm、200 μm位移所需的電壓值命令發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電源，由驅(qū)動(dòng)電源直接驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷進(jìn)行移位. 由于壓電陶瓷的蠕變特性，需要延時(shí)100 ms再拍攝圖像.

2 基于灰度圖像的壓電陶瓷定位精度校正

2.1 壓電陶瓷微定位實(shí)驗(yàn)

遲滯、非線性、蠕變效應(yīng)等將最終影響壓電陶瓷的走位精度，給后續(xù)錫膏的三維重建帶來(lái)困難，故在壓電陶瓷定位精度校正實(shí)驗(yàn)中，需得到更準(zhǔn)確的與固定位移對(duì)應(yīng)的電壓值，以保證壓電陶瓷的走位精度.

由公式

先對(duì)測(cè)微儀測(cè)得的初始電壓值進(jìn)行走位，拍攝圖像后選取其中第500行沿移相方向的100個(gè)像素點(diǎn)作為對(duì)比像素點(diǎn)，微調(diào)電壓直到圖像灰度差較小為止. 表1為這100個(gè)像素點(diǎn)在走位前后圖像上的灰度差的均值、標(biāo)準(zhǔn)差. 圖2為其中40個(gè)像素點(diǎn)在用測(cè)微儀測(cè)得的控制電壓值控制走位前后的灰度曲線對(duì)比圖，圖3為基于圖像灰度匹配的方法微調(diào)電壓值后拍攝走位前后圖像灰度曲線對(duì)比圖. 圖2、3中紅、藍(lán)曲線分別為走位前后的圖像灰度.

表1 對(duì)100個(gè)像素點(diǎn)采樣計(jì)算數(shù)據(jù)

從圖2可以看出，正弦光柵投在白紙上的圖像灰度也是呈正弦變化的，但兩條曲線的重合性不是很好，即兩幅圖像中同一像素點(diǎn)的灰度值相差較大（平均相差20個(gè)灰度）. 如圖3所示，經(jīng)過(guò)微調(diào)壓電陶瓷固定位移的電壓值后，兩條曲線具有很好的重合性，兩幅圖中的圖像灰度值很接近（平均灰度差為2），即壓電陶瓷的走位達(dá)到了所期望的行程.

圖2 未校正前的圖像灰度對(duì)比圖

圖3 校正后的圖像灰度對(duì)比圖

2.2 錫膏三維重建實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

較傳統(tǒng)的激光三角法，基于光柵投影相位測(cè)量輪廓術(shù)所設(shè)計(jì)的錫膏三維檢測(cè)系統(tǒng)，由于采用物理光柵作為面結(jié)構(gòu)投影光源，一次可以測(cè)量整幅圖像，提高了測(cè)量速度，但它對(duì)移相控制和投影光學(xué)部分的精度要求較高. 針對(duì)壓電陶瓷控制移相中非線性和蠕變等問(wèn)題，用基于圖像灰度匹配的方法對(duì)壓電陶瓷的控制電壓值進(jìn)行較正后，大大減小了壓電陶瓷控制電壓不準(zhǔn)帶來(lái)的移相誤差，三維重建結(jié)果準(zhǔn)確反映了錫膏的立體信息，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度.

圖4 焊膏局部灰度圖像

圖5 錫膏的三維重建結(jié)果

[1] 寇冠中，羅兵. 焊膏機(jī)器視覺(jué)測(cè)厚儀圖像采集模塊設(shè)計(jì)[J]. 五邑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011, 25(1): 50-55.

[2] 周賢善，羅兵. 基于機(jī)器視覺(jué)的SMT焊膏印刷缺陷自動(dòng)三維檢測(cè)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010, 31(24): 1 5363-5366.

[3] 曾歆懿. 貼片產(chǎn)品機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)中的圖像獲取與處理[D]. 廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2007.

[4] 劉莉. 光柵應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2009, 23(5): 23-27.

[5] 韓同鵬，李國(guó)平，沈杰. 基于壓電陶瓷微位移執(zhí)行器的精密定位技術(shù)研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2010, 29(2):1 51-53.

Piezoelectric Ceramic-based Phase-shifting Design of Solder Paste 3D Detection Grating Projection

LIUJin-sheng, YUYi-bin, LUOBing

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In the hardware system designing of solder paste three-dimensional testers based on grating projection phase measuring profilometry, the adoption of conventional calibration method in the control of grating phase-shifting piezoelectric nonlinearity, hysteresis and creep effect can result in great error in voltage control. The adoption of the method based on gray level image matching for piezoelectric ceramic control voltage value determination and correction can improve the control precision. Experimental results show the effectiveness of the method.

piezoelectric ceramic; solder paste inspection; 3D measurement; phase measurement profilometry; machine vision

1006-7302（2012）01-0049-04

TP216.1

A

2011-10-27

教育部廣東省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（2010B090400026）；江門市科技計(jì)劃項(xiàng)目（〔2010〕210）

劉金生（1987—），男，江西贛州人，在讀碩士生，研究方向?yàn)閳D像處理、機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用.