視覺對(duì)位系統(tǒng)在封帽機(jī)中的應(yīng)用

王瑞鵬，郝鵬飛,陰增光

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

隨著機(jī)器視覺系統(tǒng)越來越成熟，其在工業(yè)領(lǐng)域的使用也越來越廣。所謂機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺技術(shù)在檢測(cè)精度方面具有極大優(yōu)勢(shì)，配置高性能的相機(jī)和鏡頭進(jìn)行圖像采集，利用一系列圖像處理算法，在檢測(cè)精度上可達(dá)到亞微米級(jí)別[1]。將機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用到光器件的封裝過程中，可以大大提高產(chǎn)品精度和自動(dòng)化程度。

隨著光通訊行業(yè)迅猛發(fā)展，用于高速傳輸信號(hào)的TO光器件產(chǎn)品的要求也越來越高。TO光器件的工藝流程主要有管殼原材料、PD貼片、LD貼片、金絲鍵合、封帽，其中封帽是工藝流程的最后一道工序，也是生產(chǎn)線上的核心工序，其封裝質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能和可靠性[2]。目前，封帽機(jī)廣泛采用機(jī)械氣夾來確保管座與管帽的同軸度，但這種定位方式易受氣夾的加工精度、安裝方式等諸多工藝因素的影響和制約，產(chǎn)品的同軸精度提升受到一定的限制。所以本文就是把視覺對(duì)位系統(tǒng)應(yīng)用于封帽機(jī)提高產(chǎn)品的同軸度。

1 封帽機(jī)工藝介紹

封帽機(jī)是主要用于TO管帽與TO管座封裝的自動(dòng)化設(shè)備。LD芯片(Laser Diode激光二極管，電轉(zhuǎn)換光的器件，發(fā)射激光信號(hào))共晶焊接在TO管座的熱沉上，如圖1。TO光器件作為光傳輸?shù)闹匾d體，用來發(fā)射和接收光信號(hào)，同軸度差會(huì)影響光器件的耦合效率，進(jìn)而影響產(chǎn)品光電轉(zhuǎn)換效率，所以行業(yè)內(nèi)對(duì)TO光器件的同軸度要求越來越高。目前設(shè)備主要應(yīng)用傳統(tǒng)的機(jī)械對(duì)位來保證管帽邊緣與管座邊緣的同軸度，對(duì)于LD貼片造成的偏差無法糾正。應(yīng)用視覺對(duì)位系統(tǒng)，則會(huì)根據(jù)產(chǎn)品精度的最終檢測(cè)要求自動(dòng)對(duì)每個(gè)產(chǎn)品的管帽透鏡中心與管座LD芯片的發(fā)光點(diǎn)進(jìn)行對(duì)位、補(bǔ)償，這樣可糾正LD貼片造成的偏差，使得產(chǎn)品的性能得到進(jìn)一步提高。

圖1 TO光器件

2 視覺對(duì)位系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

視覺對(duì)位系統(tǒng)運(yùn)用高分辨率相機(jī)對(duì)管帽透鏡中心與管座LD芯片的發(fā)光點(diǎn)的圖像進(jìn)行采集，基于圖像處理獲取管帽透鏡中心與管座LD芯片的發(fā)光點(diǎn)的位置，然后把分析計(jì)算的偏差數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送給控制系統(tǒng)PLC，由PLC控制驅(qū)動(dòng)平臺(tái)對(duì)LD芯片進(jìn)行X、Y方向上的位置補(bǔ)償，完成高精度對(duì)位。視覺對(duì)位系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

圖2 視覺對(duì)位硬件框架圖

視覺對(duì)位系統(tǒng)主要分為硬件選型與軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

2.1 硬件選型

視覺對(duì)位系統(tǒng)硬件主要包括工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭、光源、視覺控制器和驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。

工業(yè)相機(jī)：工業(yè)相機(jī)是視覺對(duì)位系統(tǒng)獲取圖像信息的主要器件，其作用是通過光學(xué)系統(tǒng)聚焦于成像平面的光線生成圖像，相機(jī)的質(zhì)量直接影響了采集圖像的質(zhì)量[3]。所要觀察的管帽透鏡中心直徑大小為0.1 mm。整個(gè)LD芯片尺寸為0.2 mm×0.1 mm，其中芯片的發(fā)光點(diǎn)只有10μm。由于芯片的發(fā)光點(diǎn)太小，為了盡可能地提高精度，降低圖形的畸變度，我們選擇了500萬像素相機(jī)，分辨率為2448×2044，像元尺寸為3.45μm。

工業(yè)鏡頭：在視覺系統(tǒng)中，鏡頭通過收集目標(biāo)物體反射光束，使目標(biāo)物體聚焦在相機(jī)傳感器上，并將其倒立的成像投影至相機(jī)上。通常根據(jù)目標(biāo)物體的大小，相機(jī)分辨率，相機(jī)成像面大小，系統(tǒng)選擇相應(yīng)的倍數(shù)、焦距、分辨率的鏡頭。由于管帽透鏡成像尺寸0.1 mm，LD芯片成像尺寸為0.2 mm×0.1 mm，所以選擇高倍率遠(yuǎn)心鏡頭，參數(shù)如下：10倍光學(xué)倍率，55.2 mm工作距離，顯微鏡級(jí)的分辨率。最后，成像視野為0.8 mm×0.7 mm，理論分辨率可以達(dá)到0.345μm，滿足視覺對(duì)位精度1μm的要求。

光源：光源也是影響視覺對(duì)位系統(tǒng)采集圖像質(zhì)量的重要因素。適當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計(jì)，可以放大目標(biāo)物體的特征以及削弱背景和降低噪聲的影響，提高系統(tǒng)的定位和測(cè)量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到提高。根據(jù)光器件的特殊性和具體工況，我們選擇了白色的點(diǎn)光源，便于安裝。

視覺控制器：在工業(yè)視覺中，視覺控制器可以說是“大腦”。它主要是把采集來的圖像進(jìn)行處理，包括圖像增強(qiáng)、特征抽取、圖像識(shí)別與理解、數(shù)據(jù)編碼和傳輸?shù)?。?jīng)過這些處理后，輸出的圖像質(zhì)量得到很大的改善，既改善了圖像的視覺效果，也便于對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，把結(jié)果快速、準(zhǔn)確地傳輸給設(shè)備的控制器。針對(duì)封帽機(jī)的高精度和高效率，選擇了四核、i7處理器、以太網(wǎng)通訊接口、數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到百兆級(jí)別的視覺控制器，滿足設(shè)備的需求。

驅(qū)動(dòng)平臺(tái)：根據(jù)設(shè)備的精度要求和效率，作為視覺對(duì)位系統(tǒng)的最后一環(huán)，也是最重要的一個(gè)步驟，選擇高精度的XY驅(qū)動(dòng)平臺(tái)電機(jī)。對(duì)位系統(tǒng)把偏差數(shù)據(jù)傳遞給PLC，由PLC把數(shù)據(jù)下發(fā)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)上進(jìn)行定位補(bǔ)償。這里我們選擇的電機(jī)定位精度達(dá)到1μm，重復(fù)定位精度達(dá)到0.5μm，在控制驅(qū)動(dòng)中，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)脈沖當(dāng)量設(shè)置為0.1μm，盡可能地減少因機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素而造成產(chǎn)品精度差的影響。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于全自動(dòng)封帽機(jī)設(shè)備，視覺對(duì)位系統(tǒng)軟件功能主要包含三個(gè)方面：管帽透鏡光斑圓心的提取，LD芯片發(fā)光點(diǎn)的提取，兩者位置偏差的計(jì)算。

管帽透鏡光斑圓心提?。河捎邳c(diǎn)光源在管帽透鏡頂點(diǎn)位置留下圓形的光斑，如圖3所示，常用的圓心提取方法有斑點(diǎn)重心和圓形掃描邊緣擬合。在實(shí)際情況中，由于管帽與相機(jī)的垂直度在設(shè)備運(yùn)行中會(huì)有一定的偏差，導(dǎo)致成像外形發(fā)生變化，相比斑點(diǎn)重心方式，運(yùn)用圓形掃描邊緣擬合方式獲取的圓心坐標(biāo)更加準(zhǔn)確，所以運(yùn)用該方法來確定管帽透鏡中心圖像的像素坐標(biāo)位置。

圖3 管帽透鏡光斑

圖4 LD芯片發(fā)光點(diǎn)提取

LD芯片發(fā)光點(diǎn)的提取：LD芯片在相機(jī)中成像如圖4所示，通過模板匹配方法找到發(fā)光點(diǎn)的大致位置，然后找到方形的邊線，擬合出三條直線，得到兩個(gè)交點(diǎn)，兩交點(diǎn)連線取中點(diǎn)則定為發(fā)光點(diǎn)的中心位置，得到LD芯片發(fā)光點(diǎn)圖像的像素坐標(biāo)位置。

相機(jī)標(biāo)定：相機(jī)標(biāo)定采用了16點(diǎn)標(biāo)定法，標(biāo)定時(shí)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)mark點(diǎn)測(cè)試出mark點(diǎn)在視野內(nèi)的三個(gè)極限物理坐標(biāo)并輸入到相應(yīng)的編輯框內(nèi)，自動(dòng)形成4×4的陣列，平臺(tái)會(huì)帶動(dòng)mark點(diǎn)依次運(yùn)動(dòng)到這16個(gè)位置，記錄下物理坐標(biāo)和像素坐標(biāo)，運(yùn)用最小二乘法擬合出像素與物理尺寸的關(guān)系。

兩者偏差的計(jì)算：基于管帽透鏡光斑圓心和LD芯片發(fā)光點(diǎn)的兩個(gè)像素坐標(biāo)值，計(jì)算出兩者X、Y的像素偏差值。再根據(jù)標(biāo)定計(jì)算出兩者實(shí)際的物理偏差值，然后視覺系統(tǒng)把偏差值傳輸給PLC，最后驅(qū)動(dòng)平臺(tái)電機(jī)進(jìn)行精確補(bǔ)償，完成高精度對(duì)位。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證結(jié)果，取同一批次的物料，分別運(yùn)用機(jī)械氣夾對(duì)位和視覺對(duì)位系統(tǒng)各自自動(dòng)封焊了200只產(chǎn)品，隨機(jī)抽檢其中50只，進(jìn)行產(chǎn)品同軸精度檢測(cè)。圖5所示為機(jī)械氣夾對(duì)位得到的同軸度值，圖6所示為視覺對(duì)位得到的同軸度值。

通過數(shù)據(jù)分析可知，機(jī)械對(duì)位封焊的產(chǎn)品同軸度穩(wěn)定在±25μm以內(nèi)，視覺對(duì)位系統(tǒng)封焊的產(chǎn)品同軸度穩(wěn)定在±10μm以內(nèi)，同軸度得到明顯提升。

圖5 機(jī)械對(duì)位

圖6 視覺對(duì)位

4 結(jié)論

目前設(shè)備已發(fā)往客戶現(xiàn)場(chǎng)投入正常生產(chǎn)使用，全天24 h工作，產(chǎn)品的良品率達(dá)到99.7%，獲得客戶的高度認(rèn)可！視覺對(duì)位系統(tǒng)被譽(yù)為“機(jī)器的眼睛”，相信在未來，它將在工業(yè)生產(chǎn)中扮演更加重要的角色。