三維視覺(jué)點(diǎn)膠機(jī)控制系統(tǒng)研究

吳 曉，宋 驕

（南通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

1 引言

在電子工業(yè)生產(chǎn)與加工中，點(diǎn)膠機(jī)扮演者重要的角色，例如在半導(dǎo)體的元器件的粘貼，一些精密微型的器械條紋印刷和封裝等行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的點(diǎn)膠技術(shù)只實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化，因?yàn)樗枰斯とゴ_定和輸入點(diǎn)膠位置，點(diǎn)膠的路徑也是人工設(shè)定的，不僅耗費(fèi)人力而且不可避免的造成人為誤差。此外點(diǎn)膠機(jī)內(nèi)部的機(jī)械傳動(dòng)裝置，點(diǎn)膠的方式，夾具的設(shè)計(jì)精度以及待點(diǎn)膠產(chǎn)品的精度都會(huì)對(duì)點(diǎn)膠的精度造成影響。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)業(yè)趨向于微型化，精密化，集成化，因此單純的人工點(diǎn)膠已經(jīng)無(wú)法滿足市場(chǎng)需求。

基于機(jī)器視覺(jué)的閉環(huán)控制勢(shì)必要取代高成本、高耗時(shí)、精度低、隨機(jī)性大的開環(huán)人工點(diǎn)膠方式，其構(gòu)成的主流的系統(tǒng)是基于視覺(jué)的非接觸式系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：（1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快；（2）精度高；（3）可靠性高；（4）量程大；（5）效率高[1]。

這里介紹的是一個(gè)自建的點(diǎn)膠平臺(tái)，它既可以實(shí)現(xiàn)高精度高效率的點(diǎn)膠操作，并且具有對(duì)點(diǎn)膠誤差自行檢測(cè)的功能。

2 系統(tǒng)的硬件組態(tài)

該系統(tǒng)主要由視覺(jué)檢測(cè)定位系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)這三個(gè)子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示[2]。視覺(jué)系統(tǒng)：由PC機(jī)、相機(jī)和光源控制器組成。相機(jī)對(duì)工件進(jìn)行圖像采集，由PC機(jī)上的視覺(jué)軟件進(jìn)行圖像加強(qiáng)、二值化處理，邊緣提取，幾何特征匹配并獲取中心點(diǎn)坐標(biāo)。光源控制器是照明系統(tǒng)的核心部件，調(diào)節(jié)光照亮度，提高圖像采集的精度。控制系統(tǒng)：包括運(yùn)動(dòng)控制器和外圍電氣線路，運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，由它負(fù)責(zé)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而控制伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)：本系統(tǒng)是三軸機(jī)械系統(tǒng)，故X軸、Y軸、Z軸三軸均配有伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System Structure Diagram

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備配置，如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)備配置表Tab.1 System Equipment Configuration Table

3 工作原理

3.1 點(diǎn)膠機(jī)系統(tǒng)的工作流程

點(diǎn)膠機(jī)的工作原理，如圖2所示。相機(jī)采集圖像信息，傳送到PC機(jī)上，通過(guò)視覺(jué)軟件對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理得到中心點(diǎn)坐標(biāo)，傳送到運(yùn)動(dòng)控制器中，將邊緣坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成點(diǎn)膠機(jī)的絕對(duì)坐標(biāo)，控制點(diǎn)膠機(jī)運(yùn)動(dòng)[3]。

圖2 點(diǎn)膠機(jī)的工作原理圖Fig.2 Working Principle of the Dispenser

3.2 測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定

視覺(jué)相機(jī)采集到的圖像信息實(shí)際是圖像坐標(biāo)系下的像素坐標(biāo)，進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸平臺(tái)的控制。這其中既包含圖像坐標(biāo)系和物理坐標(biāo)系的平移關(guān)系，也包含兩個(gè)坐標(biāo)系的倍率關(guān)系。

3.2.1 倍率的確定

3.2.2 圖像坐標(biāo)和物理坐標(biāo)關(guān)系

圖像坐標(biāo)系和三軸平臺(tái)物理坐標(biāo)系的模型關(guān)系，如圖3所示。x0y為物理坐標(biāo)系，u0v為圖像坐標(biāo)系，（u，v）和（x，y）分別是相機(jī)的中心點(diǎn)P在圖像坐標(biāo)系和物理坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，點(diǎn)M是點(diǎn)膠機(jī)物理原點(diǎn)坐標(biāo)。

圖3 圖像坐標(biāo)系和物理坐標(biāo)系Fig.3 Image Coordinate System and Physical Coordinate System

為了求得式（1）中的倍率變換矩陣和偏移量，提出了定點(diǎn)法，即設(shè)定三個(gè)物理坐標(biāo)點(diǎn)（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），然后通過(guò)視覺(jué)相機(jī)對(duì)這三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)讀取，在軟件中對(duì)三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行處理后讀取這三點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（u1，v1），（u2，v2），（u3，v3）。

即設(shè)：

分別將三點(diǎn)的圖像坐標(biāo)和物理坐標(biāo)代入（2）式中并化簡(jiǎn)得：

將式（3）進(jìn)行Doolittle迭代變換得：

則

式中：P—單位行變換矩陣。

求得H1、H2、H3、H4、H5、H6，再將圖像的中心點(diǎn)坐標(biāo)代入式（2）中就可以獲得物理坐標(biāo)。

3.3 圖像處理與坐標(biāo)提取

3.3.1 圖像增強(qiáng)算法

灰度圖像增強(qiáng)一般采用頻率域或空間域的方法，頻率域又分為高通濾波、低通濾波等。

由于工件表面粗糙程度，平滑程度，光源噪聲等存在，造成采集到的初始圖像會(huì)存在各種噪聲，因此要使用低通濾波去除圖像的噪聲干擾。獲得圖像的中心點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確提取邊緣信息，而高通濾波可以增強(qiáng)斑點(diǎn)的邊緣，提高圖像邊緣的清晰度[4-6]。

3.3.2 二值化算法

由于灰度圖像本身就存在一個(gè)輪廓過(guò)度的問(wèn)題，為了提高圖像邊緣的精度必須對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，如圖4所示。

圖4 初始圖像Fig.4 Initial Image

圖5 二值化后的圖像Fig.5 Image After Two Values

在X-sight軟件中調(diào)用分塊處理任務(wù)二值化自適應(yīng)算法求得閾值T，使圖像的對(duì)比更為清晰。二值化后圖像[7-8]，如圖5所示。

式中：M（u，ν）和M′（u，ν）分別為二值化前后的圖像在（u，v）點(diǎn)的像素灰度值。0則代表區(qū)域?yàn)榘咨?55則代表區(qū)域?yàn)楹谏?。通過(guò)閾值分割后，使圖像對(duì)比更加的明顯，解決了灰度圖像輪廓過(guò)渡的問(wèn)題。

4 中心點(diǎn)坐標(biāo)提取

中心點(diǎn)坐標(biāo)的提取采用“弦端點(diǎn)”法，從理論上來(lái)說(shuō)，想要求出圓心的坐標(biāo)，只要在圓上任意找到兩條弦，即作兩條分別平行于X軸和Y軸的弦，然后分別作垂線。

算法原理，如圖6所示。分別作M條平行于X軸直線Ki（i=1～M）和N條平行于Y軸的直線Li（i=1～N）。直線Ki與圓有兩個(gè)交點(diǎn)分別為PiL（xiL，yiL）和PiR（xiR，yiR）；同樣地，直線Li與圓也有兩個(gè)交點(diǎn)ViB（xiB，yiB）和ViT（xiT，yiT）[9]。則可得圓心坐標(biāo)：

由式（5）可知，只要測(cè)得若干條X方向上直線與圓相交的左右端點(diǎn)和Y方向上的與圓相交的上下端點(diǎn)，即求出圓心的坐標(biāo)。將圓心坐標(biāo)代入（2）式中，便可控制三軸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠操作。

圖6 算法原理圖Fig.6 Algorithm Diagram

5 軟件實(shí)現(xiàn)

搭建好整個(gè)硬件平臺(tái)，確定相機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器和伺服控制器的相互通信正常，在XDC軟件編程環(huán)境下編寫程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人平臺(tái)的控制。首先伺服系統(tǒng)使能，然后再對(duì)X軸、Y軸、Z軸分別設(shè)定原點(diǎn)；接著機(jī)械臂使能，控制機(jī)械臂動(dòng)作，獲取工件圖像，提取目標(biāo)點(diǎn)邊緣坐標(biāo)，選取具有代表性的像素點(diǎn)，配置坐標(biāo)輸出，使用RECR函數(shù)讀取坐標(biāo)并轉(zhuǎn)換；最后整個(gè)機(jī)器人使能，然后必須設(shè)置一個(gè)延時(shí)，再使用RBPATH指令實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)按采集的坐標(biāo)路徑運(yùn)動(dòng)，并將點(diǎn)膠的效果顯示在觸摸屏上[10]。

6系統(tǒng)精度與誤差分析

6.1 系統(tǒng)誤差

6.1.1 光學(xué)誤差

視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)依據(jù)的光學(xué)測(cè)量原理，因此透鏡畸變產(chǎn)生的誤差不可避免。由于鏡頭畸變會(huì)導(dǎo)致理想的圖像坐標(biāo)和實(shí)際的圖像坐標(biāo)存在偏移關(guān)系：

式中：（ud，vd）—實(shí)際的圖像坐標(biāo)；（uu，vu）—理想的圖像坐標(biāo)；δx和δy—畸變量，，k1、k2、k3—透鏡的畸變系數(shù)與光學(xué)中心位置有直接關(guān)系，可以通過(guò)改變光學(xué)中心的位置來(lái)減小中心偏移的失真。

6.1.2 機(jī)械誤差

本系統(tǒng)中X軸、Y軸、Z軸分別由三個(gè)伺服電機(jī)控制點(diǎn)膠頭在絲桿上滑動(dòng)，絲桿的制造工藝，Z軸和X0Y平面的傾斜度以及點(diǎn)膠過(guò)程中的抖動(dòng)等都會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成一定的誤差，這些統(tǒng)稱為機(jī)械誤差[10]。

6.2 誤差控制

視覺(jué)相機(jī)的優(yōu)劣決定光學(xué)誤差的大小，因?yàn)楣鈱W(xué)中心位置直接影響中心偏移量的大小。事實(shí)上，一個(gè)好的透鏡中心偏移是很小的5×10-4mm。

點(diǎn)膠過(guò)程中，引入了直線插補(bǔ)法，即首先假設(shè)點(diǎn)膠頭從起始點(diǎn)在X軸方向上走一個(gè)脈沖當(dāng)量，發(fā)現(xiàn)終點(diǎn)在曲線的下方則在下一條線段沿Y軸方向上走一個(gè)脈沖當(dāng)量，如此往復(fù)，提高點(diǎn)膠的精度[11-12]。

將三維的坐標(biāo)投影到x0y平面，則曲線上的一個(gè)點(diǎn)P坐標(biāo)用參數(shù)r的方程表示即：

空間內(nèi)點(diǎn)P在P0和P1之間運(yùn)動(dòng)，P隨著參數(shù)u作線性運(yùn)動(dòng)得到軌跡。P0到P1這段曲線上，P、P0、P1分別對(duì)應(yīng)0、r、1，從而可得：

6.3 系統(tǒng)的精度

取一把70mm的直尺測(cè)本系統(tǒng)的精度，由視覺(jué)軟件X-sight測(cè)得圖像坐標(biāo)系下長(zhǎng)度1272Pixel，距離倍率Δs=1272/70。視覺(jué)相機(jī)采集直尺實(shí)物圖，如圖7所示。

圖7 相機(jī)采集的直尺實(shí)物圖Fig.7 Camera Ruler Drawing

控制膠頭運(yùn)行70mm直尺距離并用視覺(jué)相機(jī)采集起點(diǎn)和終點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，重復(fù)進(jìn)行此記錄數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 距離重復(fù)性實(shí)驗(yàn)（單位：Pixel）Tab.2 Distance Repeated Experiments（Unit：Pixel）

使用以下計(jì)算式進(jìn)行距離重復(fù)性誤差分析：

RD=0.57Pixel=0.03mm

由距離重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可得，系統(tǒng)誤差精度達(dá)到0.03mm。

7 總結(jié)

研究了視覺(jué)檢測(cè)的智能點(diǎn)膠系統(tǒng)。通過(guò)視覺(jué)相機(jī)快速采集圖像信息，并進(jìn)行增強(qiáng)、濾波等處理從而獲取中心點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)配置Modbus輸出將坐標(biāo)信息傳送到運(yùn)動(dòng)控制器中，實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)點(diǎn)膠。與傳統(tǒng)的點(diǎn)膠相比，本設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）引入了機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)膠自動(dòng)化，并且通過(guò)的實(shí)驗(yàn)，摸索出了實(shí)用且精度高的視覺(jué)標(biāo)定方法；

（2）從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看XD系列PLC的內(nèi)部插補(bǔ)等算法已經(jīng)比較成熟，點(diǎn)膠精度可以達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的需要。