基于圖像處理的熱切機(jī)切割自動(dòng)定位算法

陳亞星,王安紅,呂琴紅,王增琴

(1.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,太原 030024;2.中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所,太原 030024)

低溫共燒陶瓷(Low-temperature co-fired ceramics,LTCC)技術(shù)[1]是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉經(jīng)過流延制成厚度精確且致密的生瓷帶,作為電路基板材料,在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形,并將多個(gè)無源元件埋入其中疊壓在一起,在900 ℃下燒結(jié)制成無源集成組件或基板。

熱切工藝[2]在LTCC產(chǎn)品加工過程中起著關(guān)鍵作用,要求對(duì)層壓后的帶有Mark標(biāo)識(shí)的生瓷片進(jìn)行預(yù)加熱,并沿Mark連線切割成單品,單品作為組件可被廣泛應(yīng)用于汽車、通訊、航空航天等領(lǐng)域[3-4]。熱切機(jī)的切割過程直接影響最終單品的外形尺寸和后續(xù)裝框工藝的精度及合格率[5],一般而言,機(jī)械砂輪[6]由于陶瓷硬度高,刀具磨損量大,磨削效率低,只能進(jìn)行直線劃切,磨削過程中很容易破裂,而激光切割[7]步驟復(fù)雜,小功率的激光切割效率低,大功率激光加工的熱效應(yīng)明顯,存在熔融凝固層缺陷和裂紋的問題。因此,熱切機(jī)采用刀刃對(duì)層壓后的帶有Mark標(biāo)識(shí)的多層生瓷坯體在一定加熱溫度條件下進(jìn)行切割。

傳統(tǒng)的熱切切割設(shè)備[8]均為手動(dòng)上下料,容易造成生瓷片變形,且生產(chǎn)效率較低。將機(jī)器視覺與熱切需求結(jié)合的技術(shù)可減少人工參與、提高效率,文獻(xiàn)[9-12]提出的視覺系統(tǒng)及文獻(xiàn)[13-14]的標(biāo)定算法使視覺精度得以提高。由此,肖方生等人將機(jī)器視覺應(yīng)用于熱切機(jī)上,趙忠志等人結(jié)合機(jī)器視覺方法,對(duì)熱切機(jī)視覺系統(tǒng)進(jìn)一步完善。但采用上述文獻(xiàn)切割方法的視覺定位算法依賴多次參數(shù)輸入,影響實(shí)時(shí)加工。

本文研究滿足生瓷片實(shí)時(shí)熱切工藝的視覺系統(tǒng),旨在提出一種基于圖像處理的熱切機(jī)切割自動(dòng)定位方法,通過圖像處理直接給出刀體切割的直線位置。對(duì)此,首先分析工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系,通過圖像處理得到待加工生瓷片的Y向移動(dòng)量及角度偏移量,然后提出一種針對(duì)遠(yuǎn)心鏡頭的標(biāo)定方法以建立工作臺(tái)與圖像坐標(biāo)的關(guān)系。最后,通過對(duì)Y向移動(dòng)量的誤差進(jìn)行補(bǔ)償提高精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提出的定位算法在配合熱切機(jī)自動(dòng)定位中取得0.03 mm的加工精度。

1 熱切器的視覺定位系統(tǒng)介紹

熱切機(jī)視覺定位系統(tǒng)的硬件部分如圖1所示,其中帶有遠(yuǎn)心鏡頭的雙相機(jī)(CCD),可以提高視覺精度并避免采用單相機(jī)對(duì)分辨率的過高要求。其次,為配合視覺自動(dòng)定位,工作臺(tái)吸附帶有Mark的生瓷片,并可360度旋轉(zhuǎn)及沿Y向移動(dòng);另外,橫置在左右相機(jī)中間的刀體執(zhí)行切割任務(wù)。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram

視覺定位系統(tǒng)的工作流程是:左右相機(jī)采集圖像傳回上位PC機(jī),PC機(jī)的軟件平臺(tái)進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)處理,包括識(shí)別初始刀痕位置、識(shí)別Mark中心位置并計(jì)算工作臺(tái)的位置信息,位置信息反饋到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以引導(dǎo)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)或移動(dòng),最后刀體驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行切割。

2 基于圖像處理的切割定位算法

2.1 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系分析

在切割前的初始位置,工作臺(tái)吸附的生瓷片與刀體有一定夾角,不符合刀體的切割位置。因此,視覺系統(tǒng)切割定位算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是通過圖像處理識(shí)別生瓷片左右兩邊Mark點(diǎn)的空間連線,保證空間連線與刀體直線重合,以使刀體可以沿空間連線進(jìn)行生瓷片切割。

對(duì)此,首先將工作臺(tái)生瓷片旋轉(zhuǎn)至Mark連線與刀體平行的位置,設(shè)轉(zhuǎn)角為θ;然后驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)沿Y向移動(dòng)一定距離my,以使Mark連線與刀體直線重合,這個(gè)直線便是刀體的切割直線,可實(shí)現(xiàn)沿著切割直線直接進(jìn)行切割。

圖2 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析Fig.2 Geometry analysis of worktable

(1)

設(shè)直線B1B2在Y向平移my到達(dá)刀痕線,如圖2所示,則my由兩部分組成,一是Mark到刀痕線的距離,二是旋轉(zhuǎn)所引起Mark點(diǎn)的移動(dòng)距離。以左相機(jī)為例,根據(jù)公式(2)可得Y向平移量my為:

my=h1+l1

(2)

其中:l1為左Mark點(diǎn)移動(dòng)的距離,同理可得右Mark點(diǎn)移動(dòng)的距離為l2.由圖3可知:若旋轉(zhuǎn)中心不變,旋轉(zhuǎn)任意角度所引起的左右Mark移動(dòng)距離的比值不變,即公式(3)恒成立:

圖3 旋轉(zhuǎn)關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of rotation relationship

(3)

其中:m1、m2分別為任意角度旋轉(zhuǎn)后引起的左右Mark移動(dòng)的距離。則:

(4)

2.2 切割定位算法流程

根據(jù)視覺定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析,設(shè)計(jì)了切割定位的圖像處理算法,如圖4所示。

圖4 切割定位算法流程圖Fig.4 Flow chart of overall architecture

上位PC端接收到圖像后,首先通過模板匹配的方法檢測Mark圖像的中心位置,通過灰度值的變化確定刀痕圖像(刀體在初始位置切割形成的圖像)的刀痕直線位置。然后分別計(jì)算左右視場Mark到刀痕直線的距離h1、h2,并將圖像信息轉(zhuǎn)換到工作臺(tái)坐標(biāo)系下,最后計(jì)算Y向移動(dòng)量my和旋轉(zhuǎn)偏移量θ,若符合要求則輸出my和θ,若不滿足,進(jìn)行誤差修正。

2.3 Mark中心檢測

(5)

2.4 刀痕直線檢測

為了判斷切刀的位置,在生瓷片空白處進(jìn)行初步切割以形成刀痕印記并拍照,對(duì)刀痕圖像進(jìn)行處理,提取出刀痕直線位置。首先左右相機(jī)分別對(duì)印記進(jìn)行拍照,得到左刀痕圖及右刀痕圖。以左刀痕圖C為例,對(duì)C反色得圖像C1,對(duì)C1在旋轉(zhuǎn)角度α=[-2,2]的范圍內(nèi)逐次進(jìn)行仿射變換,并對(duì)變換后圖像按行求和,記錄所有角度下行像素和的最大值Max,尋找Max對(duì)應(yīng)的行索引y_pos及角度αmax,根據(jù)公式(6)確定刀痕線在圖像C1中的首、尾位置坐標(biāo)p(xs,ys)、p(xl,yl).

(6)

y1=A1x+B1

(7)

通過左右視場中檢測出的Mark坐標(biāo)與刀痕線直線方程可得到距離H1、H2.依據(jù)點(diǎn)到直線的關(guān)系根據(jù)公式(8)可得到如下:

(8)

其中:(x1,y1)、(x2,y2)分別是左、右Mark的中心坐標(biāo)。

2.5 參數(shù)標(biāo)定

以上圖像處理算法只是求出了圖像坐標(biāo)下的距離,為了確定遠(yuǎn)心鏡頭下圖像坐標(biāo)系與工作臺(tái)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系,需要對(duì)工作臺(tái)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定[15-16]。主要包括對(duì)工作臺(tái)坐標(biāo)系Y方向與圖像坐標(biāo)系的列方向的比例以及工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度θ0所引起的Y方向坐標(biāo)變化進(jìn)行標(biāo)定。

首先確定Y方向與圖像坐標(biāo)系的列方向比例關(guān)系。如圖5所示,設(shè)工作臺(tái)Y向移動(dòng)固定距離0.5 mm,左相機(jī)、右相機(jī)分別拍攝移動(dòng)前后的Mark圖像,利用模板匹配方法提取出Mark的中心坐標(biāo),計(jì)算Mark中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的移動(dòng)距離dist1、dist2,則可求出左、右視場Y方向的比例關(guān)系K1=dist1、K2=dist2.

圖5 確定Y方向的比例關(guān)系mm/pixelFig.5 Determine mm/pixel in Y direction

CYX然后確定旋轉(zhuǎn)角度所引起的坐標(biāo)變化關(guān)系。如圖6所示,若旋轉(zhuǎn)中心不變,旋轉(zhuǎn)任意角度所引起的左右Mark移動(dòng)距離的比值不變。將轉(zhuǎn)心設(shè)為位于工作臺(tái)轉(zhuǎn)心處,旋轉(zhuǎn)角度θ0為0.5°,選擇位于機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)心處的一對(duì)Mark作為標(biāo)記,并將其移動(dòng)至相機(jī)視場中間位置,工作臺(tái)分別拍攝旋轉(zhuǎn)前后左右相機(jī)的Mark圖像。由四個(gè)Mark的中心坐標(biāo),分別求得左右Mark中心點(diǎn)的移動(dòng)距離L1、L2,由Y向標(biāo)定結(jié)果可根據(jù)公式(9)得到在工作坐標(biāo)系下的距離m1、m2,并由此得到m1、m2滿足公式(10)的等式。

圖6 確定旋轉(zhuǎn)角度的pixel/度系數(shù)Fig.6 Determine the pixel/degree coefficient of the rotation angle

m1=L1/K1m2=L2/K2

(9)

(10)

2.6 計(jì)算Y向移動(dòng)量my和旋轉(zhuǎn)偏移量θ

由工作臺(tái)Y方向標(biāo)定可得h1、h2為:

(11)

由旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)標(biāo)定可得工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度θ為:

(12)

然后,將式(11)、式(4)代入式(2),可得到工作臺(tái)Y方向平移量my:

(13)

令mθ=sinθ,所以式(12)、式(13)可整理為:

(14)

其中:

(15)

2.7 誤差分析

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Y方向移動(dòng)量有誤差,可通過以下步驟對(duì)Y方向進(jìn)行修正,即將平均誤差E作為系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)絤y中。

當(dāng)Mark在視野上方(表達(dá)式為:yy_pos),刀將向正向移動(dòng),系統(tǒng)誤差將作為正值補(bǔ)償:

(16)

其中:y是Mark的垂直坐標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果

本節(jié)選取三組Mark對(duì)圖像處理算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其樣本圖如圖7所示。

圖7 三組Mark樣本圖Fig.7 Three sets of Mark samples

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表中發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度幾乎為0,結(jié)果保持穩(wěn)定。所以只對(duì)Y方向移動(dòng)距離進(jìn)行誤差分析與矯正。

表1 控制量計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of control quantity

3.2 誤差分析與修正

如表2所示,選取生瓷片上的兩列Mark,拍攝位置是相機(jī)拍攝到含有Mark時(shí)工作臺(tái)的Y向坐標(biāo)位置,Mark位置1是當(dāng)Mark空間連線與刀體重合時(shí)的Y向坐標(biāo)位置,Mark位置2是圖像中Mark的像素位置。

表2 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)條件設(shè)置Tab.2 Experimental basic condition settings

表3中結(jié)果1、2分別是Mark空間連線與刀體重合時(shí)工作臺(tái)Y方向移動(dòng)的實(shí)際距離和實(shí)驗(yàn)測試距離,誤差為二者差值。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental result

通過表3可以得到系統(tǒng)誤差平均值E為0.148 25 mm.將誤差平均值代入誤差修正模型后,實(shí)驗(yàn)誤差結(jié)果如表4所示。

表4 誤差修正結(jié)果Tab.4 Error correction results

實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)測量與實(shí)際測量的誤差在Mark寬度(0.2 mm)范圍內(nèi),且達(dá)到0.03 mm的加工精度,滿足視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度需求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合熱切機(jī)的熱切工序原理,對(duì)熱切機(jī)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系進(jìn)行分析,提出了一種基于圖像處理的熱切機(jī)切割自動(dòng)定位算法。通過模板匹配檢測Mark中心坐標(biāo),利用灰度值的變化確定刀痕直線。然后對(duì)工作臺(tái)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定得到圖像坐標(biāo)系與工作臺(tái)坐標(biāo)系的關(guān)系,計(jì)算Y方向移動(dòng)量和角度偏移量。最后對(duì)Y方向移動(dòng)量與實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行了誤差分析并改進(jìn)。所提出的定位算法在配合熱切機(jī)自動(dòng)定位中取得0.03 mm的加工精度,提高了系統(tǒng)自動(dòng)定位的便捷程度、精度。