基于視覺引導(dǎo)的LED打標(biāo)移送進(jìn)給控制系統(tǒng)研究

梅陽寒，劉志偉，舒雨鋒

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 東莞523808）

0 引 言

近年來，政府對半導(dǎo)體行業(yè)的大力支持推動了我國LED 封裝行業(yè)的跨域式發(fā)展。經(jīng)過十多年的發(fā)展，中國已成為世界LED 封裝器件的制造中心，但是在LED 晶片過程中，往往忽略了引線支架移送定位精度對焊線質(zhì)量的影響[1]，在設(shè)備運(yùn)動工作中，送料進(jìn)給系統(tǒng)是直接通過傳動機(jī)構(gòu)推動支架移動，其性能將直接影響到支架移動的定位精度及可靠性。在實際LED 晶片打標(biāo)過程中，設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境是比較復(fù)雜的，特別是進(jìn)給控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，比較容易受外部環(huán)境的影響。另外，進(jìn)給移動速度的變化是非線性的，使得實際控制過程難于達(dá)到很好的定位效果[2]。針對存在的這些缺陷及問題，本研究設(shè)計的一種基于視覺檢測反饋的微進(jìn)給控制系統(tǒng)，采用了一套粗微控制進(jìn)給運(yùn)動機(jī)構(gòu)，構(gòu)建了其動力學(xué)模型，通過測試檢驗，有效地縮短了遠(yuǎn)距離運(yùn)行時間，保證了近距離精確定位效果。

1 進(jìn)給控制系統(tǒng)總體設(shè)計

LED 晶片進(jìn)給控制系統(tǒng)是由電動機(jī)、螺桿機(jī)構(gòu)、單自由度的粗微移動控制裝置構(gòu)成，設(shè)計的主要思路為：在粗工作臺運(yùn)動過程中，微結(jié)構(gòu)隨動不起作用，完成主要長距離的進(jìn)給；而微結(jié)構(gòu)運(yùn)動時，粗工作臺不參與工作，完成短距離的微進(jìn)給，如圖1 所示。具體工作過程為：在系統(tǒng)接受到運(yùn)動控制信號后，電動機(jī)帶動螺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，實現(xiàn)工作平臺的粗位移，視覺檢測系統(tǒng)獲取了粗位置后，給微運(yùn)動發(fā)出控制信號，壓電陶瓷動作帶動平臺完成微進(jìn)給。

圖1 進(jìn)給機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 控制接線圖

LED 晶片打標(biāo)工作臺的粗進(jìn)給運(yùn)動主要由工控機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)來實現(xiàn)，軟件主要控制過程由視覺檢測系統(tǒng)對工作平臺末端位置進(jìn)行檢測，與標(biāo)定的位置進(jìn)行比較，通過圖像采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理，識別出實際位差，再把位差信號傳輸給電動機(jī)控制系統(tǒng)，作為電動機(jī)、螺桿驅(qū)動控制信號，當(dāng)粗進(jìn)給作用使工作臺到達(dá)預(yù)定位置，電動機(jī)開始減速直到停止，在到達(dá)精密控制階段之前，控制接口發(fā)送信號使電動機(jī)停止工作，實現(xiàn)粗定位；工作臺的微進(jìn)給控制是由壓電陶瓷來實現(xiàn)，控制信號也是由視覺檢測系統(tǒng)獲得圖像信息進(jìn)行后處理獲得的，工作臺的目標(biāo)位置標(biāo)定是實現(xiàn)精確定位的關(guān)鍵，總之，系統(tǒng)運(yùn)行是分兩部分：1）采用步進(jìn)電動機(jī)、螺桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)毫米級到微米級的長距離操作；2）采用壓電精密驅(qū)動器實現(xiàn)微米級到亞納米級的微位移[3]。

2 粗微工作臺模型構(gòu)建

LED 晶片打標(biāo)機(jī)移送系統(tǒng)主要是通過移送控制系統(tǒng)把支架上的燈杯位一個一個地移送到打標(biāo)指定位置，在這個過程需要移送進(jìn)給工作臺有很好的動態(tài)響應(yīng)特性和定位精度。為了達(dá)到這些特性要求，設(shè)計采用螺母絲桿機(jī)構(gòu)傳動、壓電陶瓷為驅(qū)動相結(jié)合的粗微進(jìn)給控制機(jī)構(gòu)。粗微進(jìn)給工作臺在工作的過程中受到靜態(tài)和動態(tài)的作用力，在常規(guī)控制中，主要是通過改變響應(yīng)頻率和控制系統(tǒng)阻尼等來提高工作臺的動態(tài)響應(yīng)特性，但在實際使用中受壓電陶瓷材料本身具有磁滯特性的影響，壓電陶瓷驅(qū)動器性能受到一定的制約[4-5]。因此，通過建立粗微工作臺的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，對于提高工作臺的抗干擾和瞬態(tài)響應(yīng)，提高工作臺的動態(tài)特性具有重要的意義。

構(gòu)建螺母絲桿傳動、壓電陶瓷為驅(qū)動相結(jié)合的粗微進(jìn)給控制機(jī)構(gòu)動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，采用的構(gòu)建方法是將系統(tǒng)簡化為彈簧、質(zhì)量和阻尼三者組成的二階系統(tǒng)。為了方便建立模型，將粗、微工作臺考慮為動態(tài)耦合和串聯(lián)系統(tǒng)，且為雙輸入-雙輸出系統(tǒng)，即粗、微位移輸入和粗、微位移輸出。

圖4 進(jìn)給系統(tǒng)模型

根據(jù)后續(xù)的檢測分析和以往經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析表明，從粗微進(jìn)給驅(qū)動位置精度保持性能等方面來看，模型分析推算得出當(dāng)粗微工作臺特性參數(shù)基本相同時，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和定位性能達(dá)到最佳狀態(tài)，滿足了打標(biāo)的質(zhì)量要求。

3 視覺檢測的LED圖像標(biāo)定

設(shè)計選用深圳市迪奧科技有限公司的TEO黑白工業(yè)攝像機(jī)，該相機(jī)主要完成自動焊線機(jī)的打標(biāo)頭的視覺引導(dǎo)和LED支架移動位置的檢測，CCD相機(jī)固定在打標(biāo)平臺的上方。為了準(zhǔn)備獲取微進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動距離與檢測圖像位置的關(guān)系，需要對相機(jī)進(jìn)行匹配標(biāo)定。

Sapera Processing 5是基于Windows R 的圖像處理和分析的高度優(yōu)化圖像庫，采用MMXTM, SSETM(Streaming SIMD Extensions) 及SSE2 進(jìn)行優(yōu)化，由整套圖像處理分析功能模塊組成。Sapera Processing 5 圖像處理系統(tǒng)提供包括圖像數(shù)據(jù)處理、圖像數(shù)據(jù)搜索和各種條形碼解碼等工具箱數(shù)據(jù)庫調(diào)用[6]，該設(shè)計基于迪奧科技的TEO工業(yè)相機(jī)和Sapera Processing 圖像處理軟件提供的函數(shù)庫來實現(xiàn)指定的功能，即初始化指定設(shè)備，提取感興趣區(qū)域（ROI區(qū)域），模板匹配找出對應(yīng)圖像位置。

圖5 LED支架移送平臺

LED支架移送過程中，主要是依靠進(jìn)給系統(tǒng)的移送定位精度來保證打標(biāo)的質(zhì)量，特別是晶片位的聯(lián)排數(shù)量多且打標(biāo)尺寸點比較小，所以對圖像定位誤差的檢測精度要求非常高，如圖3所示。具體設(shè)計的實施流程為：相機(jī)標(biāo)定確定相機(jī)圖像位置與進(jìn)給系統(tǒng)移動位置匹配關(guān)系后，先通過獲取當(dāng)前CCD圖像中感興趣的LED支架燈杯位置坐標(biāo)（Xold，0），然后控制系統(tǒng)驅(qū)動LED支架移動相應(yīng)的距離，這段距離包含粗位移和微調(diào)距離，到達(dá)目標(biāo)位置后，再獲取位置坐標(biāo)(Xnew，0)感興趣的X坐標(biāo)值，最終根據(jù)相機(jī)標(biāo)定匹配的對應(yīng)位置參數(shù)，進(jìn)而驗證實際進(jìn)給控制系統(tǒng)的定位精度及定位誤差。

在實際的測試中，發(fā)現(xiàn)由于圖像在屏幕中的坐標(biāo)與進(jìn)給控制工作臺上的實際位置沒有固定的線性或者函數(shù)關(guān)系，并且又受機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工業(yè)相機(jī)安裝位置的影響，因此在不同的LED支架產(chǎn)品、不同工作臺和不同的相機(jī)安裝位等情況下存在不同的映射關(guān)系，必須對檢測系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定，找到具有映射匹配關(guān)系的數(shù)學(xué)參數(shù)模型，通過相機(jī)標(biāo)定后，確定了屏幕上圖像位置的變化與工作臺距離的變化關(guān)系，當(dāng)進(jìn)給系統(tǒng)發(fā)出一定的指令脈沖后，移送工作臺推動LED支架移動一定距離與圖像模板相對也移動相應(yīng)的距離存在一個關(guān)系，也就是當(dāng)量脈沖與圖像像素的關(guān)系［7-8］。由于在實際的設(shè)備制造和安裝中存在很多的不定因素，工作臺的實際坐標(biāo)位置和圖像坐標(biāo)位置關(guān)系的不一致，比如安裝出現(xiàn)角度偏差等形位誤差，所以通過移動進(jìn)給機(jī)構(gòu)聯(lián)動操作決定相機(jī)標(biāo)定的模型參數(shù)。為了建立工作臺位置與圖像上對應(yīng)像素位置關(guān)系，先假設(shè)為：工作臺的相對位置變化為(ΔU，0)，圖像像素變化的相對位置關(guān)系為(ΔI，0)，并且假定像素在移動過程中質(zhì)量良好且不發(fā)生失真，定義位置的變化都是相對統(tǒng)一的坐標(biāo)參考點出發(fā)的，則有：

1）根據(jù)工作臺的移動，攝取支架移送圖像，將圖像的一個唯一特征區(qū)域標(biāo)記為模板，并記錄當(dāng)前的坐標(biāo)相對于初始參考位置的坐標(biāo)變化（LStart，0），并記錄下工作臺的當(dāng)前位置坐標(biāo)值（UStart，0）。

2）基于當(dāng)前的（UStart，0）坐標(biāo)位置，左右移動工作臺，移動的距離一致，并獲取移動前后的圖像。

3）進(jìn)而獲取圖像上模板的位置，分別記錄下左右兩點相對參考原點的坐標(biāo)位置(LLeft，0)和(LRight，0)。

4）同時記錄下工作臺的實際左右移動的位置坐標(biāo)值（ULeft，0）和（URight，0）。

5）最后移動進(jìn)給工作臺，如果只能找到一個且只有一個，則說明模板匹配成功。最終依據(jù)校準(zhǔn)標(biāo)定后的數(shù)據(jù)，計算出左右移動相應(yīng)的像素和平臺變化值。

獲取的CCD圖像盡可能滿足人的肉眼視覺看圖方向，也就是盡量考慮CCD的內(nèi)參數(shù)和視角等因素的影響，保證視圖的偏差角與移動進(jìn)給工作臺的方向一致，如果角度偏差過大的話，圖像模板匹配識別的響應(yīng)時間就會加長，檢測效率會下降。

由于設(shè)計的是單自由度工作臺，驅(qū)動LED支架的引導(dǎo)軌是直的且平行的，考慮安裝要求，即平行度比較高（理論絕對平行）。即：ΔUx=AΔIx是成立的。根據(jù)CCD相機(jī)標(biāo)定的過程，記錄和得出具體的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，為了保證模型參數(shù)的有效性，獲取了多組數(shù)據(jù)，以A的均值代替單次A的數(shù)據(jù)，以減少由于工作臺等其他因素的影響所造成的系數(shù)A的變化，則有

表1 進(jìn)給移動位置與圖像像素對應(yīng)參數(shù)

在相機(jī)的模板標(biāo)定時，確定系數(shù)A的相關(guān)特征參數(shù)的具體大小，因此，在實際的進(jìn)給控制過程中，根據(jù)運(yùn)行時獲取的圖像像素的相對坐標(biāo)位置，推算出實際工作臺需要插補(bǔ)移動的位移，以達(dá)到實際的定位精度要求。

4 進(jìn)給控制測試分析

在實際的測試中，由于運(yùn)動方向上工作的距離最多只有0.5 m，所以為了減少數(shù)據(jù)獲取和計算的工作量，總共選取3個具有代表性的點，且每個點進(jìn)行5次重復(fù)的定位測試實驗，分別控制微進(jìn)給機(jī)構(gòu)實現(xiàn)5 μm、1×103μm和5×104μm的三個區(qū)間內(nèi)進(jìn)行視覺檢測反饋的閉環(huán)控制。最后獲得采樣周期為10 ms、輸出間隔為0.1 s、步距為0.1 μm的時間-位移曲線如圖6所示。

圖6 時間位移定位誤差曲線

采用式（10）～式（12）對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，得出了基于視覺反饋的粗微進(jìn)給運(yùn)動平臺各項運(yùn)動精度指標(biāo)，具體結(jié)果分析數(shù)據(jù)如表2所示，統(tǒng)計學(xué)計算分析獲得的定位精度為3.468×10-2μm。

表2 定位精度數(shù)據(jù)表 μm

5 結(jié) 語

從仿真和實驗研究的結(jié)果來看，仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠，針對LED支架打標(biāo)高精度和穩(wěn)定性要求，所建立的動力模型能夠比較準(zhǔn)確地描述微進(jìn)給系統(tǒng)的動力學(xué)特性。進(jìn)行閉環(huán)控制實驗研究，在50 mm行程范圍內(nèi)，實現(xiàn)步距為0.1 μm的微位移直線運(yùn)動，定位精度達(dá)到3.468×10-2μm。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的位移輸出精度，驗證了仿真分析結(jié)果的正確性，在實際打標(biāo)應(yīng)用中也得到好評。