基于機(jī)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(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068）

基于機(jī)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(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068）

0 引言

根據(jù)FPC補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)片的缺角、溢膠等缺陷檢測中，對補(bǔ)強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)和加工精度要求高等特點(diǎn)，依靠傳統(tǒng)機(jī)械定位難以實(shí)現(xiàn)FPC的定位。機(jī)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(jī)器視覺進(jìn)行缺陷檢測時，可以通過視覺系統(tǒng)實(shí)時準(zhǔn)確地識別柔板的位置變化，相應(yīng)調(diào)整動作進(jìn)行糾偏定位，從而保證缺陷檢測的精度和效率。

圖1 FPC補(bǔ)強(qiáng)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(shí)際需要，確定運(yùn)動工作臺的移動速度，調(diào)整相機(jī)位置、鏡頭角度、光照強(qiáng)度等使成像效果達(dá)到最佳；由運(yùn)動控制卡配合伺服電機(jī)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(yùn)動，圖像采集完畢后經(jīng)圖像采集卡處理后傳送至工控機(jī)，進(jìn)而通過軟件進(jìn)行缺陷判別。工作平臺運(yùn)動軌跡圖如圖2所示。

圖2 運(yùn)動軌跡圖

X軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動將待檢FPC補(bǔ)強(qiáng)片從A點(diǎn)沿AB方向移動，逐一將待檢片送到相機(jī)視場下，待第一行（圖示從上往下）檢測完畢，Y軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動將待檢FPC補(bǔ)強(qiáng)片向下移動一定距離將待檢補(bǔ)強(qiáng)片送到相機(jī)視場，然后沿BA方向逐一檢測，流程大致如下：

2 平臺的相機(jī)的標(biāo)定

視覺系統(tǒng)通過相機(jī)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(shí)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(jī)標(biāo)定。相機(jī)標(biāo)定主要完成兩項(xiàng)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(jìn)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(diǎn)投影在圖像平面的坐標(biāo)，A是相機(jī)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(diǎn)，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(diǎn)[2]。

本系統(tǒng)采用大恒MER-500-7UM/UC彩色CMOS相機(jī)，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(lán)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(jìn)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(diǎn)的像素距離與實(shí)際距離之間的比率來計算出其物理分辨率，因?yàn)槠灞P在制作時可達(dá)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)如圖4所示。

圖4 棋盤角點(diǎn)圖

表1 每幅圖像的標(biāo)定誤差

表2 相機(jī)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(bǔ)強(qiáng)片的尺寸為20.12mm×9.34mm為保證視場中可同時出現(xiàn)4塊補(bǔ)強(qiáng)片以達(dá)到同時檢測從而提高檢測效率的要求，同時考慮到補(bǔ)強(qiáng)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(jī)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(jī)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(bǔ)強(qiáng)片的完整圖像，這將對FPC的補(bǔ)強(qiáng)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(diǎn)的機(jī)器視覺定位方法完成運(yùn)動控制平臺和補(bǔ)強(qiáng)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(jī)的世界坐標(biāo)、運(yùn)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(diǎn)的在初次搜索的相機(jī)視場內(nèi)，都可以完成運(yùn)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(jī)械坐標(biāo)為Owp（X0，Y0），并以該坐標(biāo)為運(yùn)動控制原點(diǎn)，即X0=0，Y0=0。為了能精確實(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)視場左上方的機(jī)械坐標(biāo)（參考位置選取FOV1左上端）為F1（Xwb1，Ywb1），Mark1點(diǎn)的圖像坐標(biāo)為O1（xpb1，ypb1），同理可以計算出Mark2點(diǎn)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(yùn)動方向X的夾角[9]。

圖5 FPC標(biāo)準(zhǔn)位置定位圖

設(shè)相機(jī)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(diǎn)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(yùn)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(diǎn)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(yùn)動控制平臺的位置，新位置下的FPC電路軟板任意點(diǎn)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(yùn)動坐標(biāo)，可以簡化為只看做繞其中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，為此設(shè)以下變量[10]。

同理新位置下的Mark1和Mark2運(yùn)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(diǎn)連線與運(yùn)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(dá)式為：

設(shè)剛性變換后FPC電路軟板任意一點(diǎn)為橫縱坐標(biāo)為Q（Xq，Yq），設(shè)該點(diǎn)的圖像坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)位置（即其與運(yùn)動控制平臺相互平行的虛擬位置）相對于Mark1的實(shí)際坐標(biāo)為qb（xqb，yqb），坐標(biāo)值通過實(shí)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(yùn)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(fù)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(bǔ)強(qiáng)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(jī)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(diǎn)的機(jī)器視覺定位方法，利用最小二乘法對圓孔進(jìn)行定位，選用距離較遠(yuǎn)的雙Mark點(diǎn)對工件位置進(jìn)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(bǔ)強(qiáng)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(jī)器視覺的FPC缺陷檢測對位系統(tǒng)，提出了一種雙Mark點(diǎn)的機(jī)器視覺定位方法。首先借助標(biāo)定板實(shí)現(xiàn)相機(jī)標(biāo)定，然后通過工件移動實(shí)現(xiàn)視覺坐標(biāo)與運(yùn)動坐標(biāo)的標(biāo)定，最后通過雙Mark點(diǎn)和目標(biāo)位置的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)FPC補(bǔ)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)FPC上每塊補(bǔ)強(qiáng)片的精確定位，具有速度快，精度高的特點(diǎn)。

FPC；機(jī)器視覺；Mark點(diǎn)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?yàn)橛嬎銠C(jī)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(xiàng)（2014BEC06）；湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃青年人才項(xiàng)目（Q20141404）