基于機器視覺的三軸點膠機定位控制系統的設計與實現

肖守柏

摘要：基于機器視覺的三軸點膠機定位控制系統是一套能夠大幅提高點膠機在直線與圓弧曲線涂膠上高性能、高精度的控制系統。該系統不僅實現了點膠機的三軸聯動，提高了點膠機在點膠時的工作效率，而且把視覺技術引入到點膠機的點膠位置測量計算過程中，很好地解決了以往傳統點膠技術在開環控制精度較低、穩定性差的問題。為實現該控制系統中利用機器視覺代替人工輸入對點膠位置進性自動測量的功能，在控制系統中運用圖像預處理和形態學操作來實現膠點位置的識別算法，并對定位系統進行了標定和誤差分析，從硬件和軟件兩個方面實現了對三軸點膠機定位控制系統的設計。

關鍵詞：機器視覺 點膠機 三軸聯動 定位控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0009-02

1 引言

點膠是微電子封裝工業生產環節當中重要的工序之一，被廣泛用于集成電路的封裝與表面貼裝。在液體流量精確控制領域，點膠機是一種被用在芯片封裝、電磁屏蔽、防水密封、子元件的粘貼、汽車電子和音響器材等領域的精密施膠儀器。近年來，隨著電子芯片和封裝尺寸的不斷減小，高精度、高可靠性、高速率的點膠技術得到了迅速的發展[1]。

在現代化工業生產加工當中，點膠機是一種需要多軸協同控制的自動化設備，它是一個復雜的系統，需要對膠點流量以及位置進行精確的控制操作。目前影響點膠精度的主要因素有四點：（1）產品尺寸精度；（2）點膠方式；（3）夾具設計；（4）控制方式。而機器視覺技術以其檢測精度高、動態響應快、可連續工作等一系列特點，被廣泛應用于電子封裝行業中的諸多領域。主流的非接觸式點膠技術是采用機器視覺系統輔助完成閉環控制的操作，以此來實現高精度、高頻率、高效率的點膠自動定位。

2 功能設計

根據生產領域的需求，點膠技術中的機器視覺與定位控制主要有以下功能：

（1）點膠工藝實施之前，對目標產品進行快速確定點膠位置，并自動生成點膠路徑。

（2）點膠工藝實施之后，對涂著的膠點進行觀察并測量，評估出膠點直徑或體積。

（3）能夠對三軸步進電機進行獨立控制，實現任意兩軸可以直線插補、圓弧插補等不規則路徑連續涂膠。脈沖輸出速度最大頻率可達到120kHz。

（4）能夠達到自動回原點、防止運動過界以及防撞的功能需求。

（5）能夠實現多機互聯，以此來滿足生產線協同生產的需求。

（6）能夠脫機獨立運行，并且支持顯示啟動、停止和故障的狀態提示功能。

（7）可控制至少4個膠筒獨立涂膠，并且可與各種膠槍和儲膠桶連接。

（8）能夠達到與計算機連接可下載運動軌跡文件，另外可使用SD卡對系統進行升級。

上述2、3兩個功能可以在同一視覺系統中加以實現。其中，膠點檢測技術發展已較為成熟，不少文獻對此給出了較為完整的解決方案，市場上也已有類似產品出現。對于點膠位置的定位，由于目標產品的多樣性和工藝條件的不確定性等綜合因素的影響，業內有著多種個性化的解決方案。針對熒光膠模組點膠工藝的具體應用，通過安裝于三軸點膠機Z軸上的視覺系統，實現了對點膠位置的在線檢測。

3 工作原理

3.1 定位方法

通過機器視覺技術對點膠位置進行的自動檢測，此過程主要分為：圖像采集、圖像處理、位置坐標提取、位置坐標輸出三個部分。待定的芯片安裝完畢以后，CCD相機將根據點膠區域的分割對圖像進行分塊采集，并且將采集到的圖像存儲于工控機的內存當中。

當完整的芯片圖像采集完畢之后，工控機將對所采集到的圖像依次進行處理，計算出點膠區域輪廓的幾何特征。最后，通過膠點中心與點膠區域輪廓的位置特征信息，提取出膠點中心的坐標數值，并根據工控機傳輸給機電執行模塊，驅動運動平臺至正確的點膠位置。其技術路線，如圖1所示。

3.2 標定測量系統

通過圖像處理得到的點膠區域中心點坐標即為相機坐標系的像素坐標，此坐標不能直接用于驅動點膠機的運動平臺。要使之可行需要先行對測量系統進行標定，并實時地將點膠區域中心的像素坐標轉化為運動平臺的物理坐標。為此，還需完成以下幾點要求：

（1）確定相機的像素分辨率，運用標尺刻度與圖像像素數之間的關系，以此來計算得到每個像素的實際尺寸。

（2）采用打點法，即點膠機先在標定板的任意位置上點膠打點，然后移動工作臺使該點到達相機原點，依照前后點膠打點的坐標之差來標定相機與點膠機的相對位置關系，如圖2所示。

根據圖像坐標系與運動平臺坐標系之間關系的變換，可捕捉在工作臺坐標系下的絕對物理坐標（X，Y）：

公式中：（B0，B1）表示點膠機初始位置坐標；ε1表示CCD中心與點膠機中心的橫坐標之差；△0表示相機原點與運動平臺原點間的橫坐標之差；△1表示CCD原點與運動平臺原點間的縱坐標之差；（u，v）為圖像中心點的坐標；△表示像素分辨率。

4 視覺定位系統的實現

4.1 系統目標

視覺定位的對象是具有復雜圖形的待加工印制電路板。

具體操作目標如下：（1）通過圖像分析，確定待點膠區域的中心位置；（2）控制驅動三軸運動平臺移動到恰當位置；（3）完成點膠機的定位。

4.2 系統選型

視覺定位系統包括以下三個模塊：（1）圖像采集模塊；（2）圖像分析模塊；（3）測量系統標定模塊。

圖像采集模塊主要負責獲取圖像并且使用合理的光源布置讓目標區域具有良好的對比度；圖像分析模塊主要負責對采集的圖像進行自動處理，提取點膠區域的中心坐標。測量系統標定模塊中將完成兩個任務：（1）確定相機的像素分辨率，一個像素代表的實際距離；（2）確定相機圖像坐標系和運動平臺坐標系之間的關系。

4.3 算法實現

系統的開發平臺為Visual C++，在結合開源計算機視覺庫對OPNECV圖像處理算法進行程序實現的同時，將采集到的彩色圖像首先經過灰度化處理、圖像平滑與消除噪聲，此步驟用來得到灰度圖。因為光照因素的影響，目標區域的亮度相對較高，因此可選取適當閾值來區分背景與目標區域，接著經過二值化處理即可得到目標區域的雛形。因光照強度的改變而引起背景與目標區域灰度值產生的相對變化，需要將二值化操作中的閾值根據光照條件不同加以調節。

插補算法：使用逐點比較法，即每次僅向一個坐標軸輸出一個進給脈沖，而每走一步都要通過偏差函數計算，由此判斷偏差點的瞬時坐標同時規定加工軌跡之間的偏差。然后決定下一步的進給方向。每個插補循環由偏差判別、進給、偏差函數計算和終點判別個步驟組成。逐點比較法可以實現直線插補、圓弧插補、其他曲線插補。其特點是運算直觀、插補誤差小、脈沖輸出均勻、調節方便。

5 軟件實現的功能

系統采用了基于PWM的方法來達到控制直流電機的目的，其特點為：靈活、可靠、精度高。系統的運動軌跡文件采用G代碼存儲于Flash存儲器之中，系統啟動后便可以通過計算機從默認的從Flash存儲器中讀取軌跡文件序號，接著進行逐條的解析命令執行。若是執行運動指令，則執行插補函數并輸出PWM控制電機的當前運行狀態，反則通過I/O口輸出高低信號電平，同時在運行過程中如果遇到限位信號、急停信號和停止信號，則立刻停止運動軌跡文件的解析執行，等待系統復位以及下一次的啟動觸發。軟件脫機運行如圖3所示。

6 誤差分析

視覺檢測系統的測量誤差產生主要有：鏡頭畸變引起的光學誤差、相機與點膠機安裝平行度引起的模型誤差、圖像處理操作帶來的誤差三個部分組成。而相機安裝導致的模型誤差以及圖像處理造成的誤差都是可通過對相機模型的標定來解決。

相機實際的鏡頭是存在不同程度的畸變，其中主要包括：偏心畸變、徑向畸變與薄棱鏡畸變。假設在圖像坐標系下某個像點的理想位置是（Zn，Yn）由于成像產生的畸變，實際的為（Zm，Ym），二者之間的關系如下所示：

從式（3）、（4）二式子中可得出：成像畸變修正值的大小與像點的位置相關。

7 結語

隨著計算機技術和電子技術的迅猛發展，未來機械化操作將大量使用自動化設備代替人工操作，以此來滿足復雜控制、高精度、多軸聯動的運動控制。

本文研究了基于機器視覺的三軸點膠機定位控制系統的設計與實現，不僅利用CCD相機進行點膠區域實時掃描，并采用平滑操作和二值化的方法對采集的圖像進行預處理，還運用了圖像形態學操作來對點膠位置坐標進行提取，很大程度上解決了傳統點膠方式開環控制精度低、效率低、穩定性差等問題。實驗驗證，此系統經測試和使用均能滿足要求，在長時間重復性工作極大減少人工的使用的同時對提高生產效率和產品質量也有很大提高。

參考文獻

[1]Liu Hua-yong.Research on The Micro-jetting and Control Technology of High Viscosity Fluids[D].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2013.

[2]Shen Xin-hai.Basic rules of dispensing[J].Electronics Process Technology，2012，20（6）.

4.3 算法實現

系統的開發平臺為Visual C++，在結合開源計算機視覺庫對OPNECV圖像處理算法進行程序實現的同時，將采集到的彩色圖像首先經過灰度化處理、圖像平滑與消除噪聲，此步驟用來得到灰度圖。因為光照因素的影響，目標區域的亮度相對較高，因此可選取適當閾值來區分背景與目標區域，接著經過二值化處理即可得到目標區域的雛形。因光照強度的改變而引起背景與目標區域灰度值產生的相對變化，需要將二值化操作中的閾值根據光照條件不同加以調節。

插補算法：使用逐點比較法，即每次僅向一個坐標軸輸出一個進給脈沖，而每走一步都要通過偏差函數計算，由此判斷偏差點的瞬時坐標同時規定加工軌跡之間的偏差。然后決定下一步的進給方向。每個插補循環由偏差判別、進給、偏差函數計算和終點判別個步驟組成。逐點比較法可以實現直線插補、圓弧插補、其他曲線插補。其特點是運算直觀、插補誤差小、脈沖輸出均勻、調節方便。

5 軟件實現的功能

系統采用了基于PWM的方法來達到控制直流電機的目的，其特點為：靈活、可靠、精度高。系統的運動軌跡文件采用G代碼存儲于Flash存儲器之中，系統啟動后便可以通過計算機從默認的從Flash存儲器中讀取軌跡文件序號，接著進行逐條的解析命令執行。若是執行運動指令，則執行插補函數并輸出PWM控制電機的當前運行狀態，反則通過I/O口輸出高低信號電平，同時在運行過程中如果遇到限位信號、急停信號和停止信號，則立刻停止運動軌跡文件的解析執行，等待系統復位以及下一次的啟動觸發。軟件脫機運行如圖3所示。

6 誤差分析

視覺檢測系統的測量誤差產生主要有：鏡頭畸變引起的光學誤差、相機與點膠機安裝平行度引起的模型誤差、圖像處理操作帶來的誤差三個部分組成。而相機安裝導致的模型誤差以及圖像處理造成的誤差都是可通過對相機模型的標定來解決。

相機實際的鏡頭是存在不同程度的畸變，其中主要包括：偏心畸變、徑向畸變與薄棱鏡畸變。假設在圖像坐標系下某個像點的理想位置是（Zn，Yn）由于成像產生的畸變，實際的為（Zm，Ym），二者之間的關系如下所示：

從式（3）、（4）二式子中可得出：成像畸變修正值的大小與像點的位置相關。

7 結語

隨著計算機技術和電子技術的迅猛發展，未來機械化操作將大量使用自動化設備代替人工操作，以此來滿足復雜控制、高精度、多軸聯動的運動控制。

本文研究了基于機器視覺的三軸點膠機定位控制系統的設計與實現，不僅利用CCD相機進行點膠區域實時掃描，并采用平滑操作和二值化的方法對采集的圖像進行預處理，還運用了圖像形態學操作來對點膠位置坐標進行提取，很大程度上解決了傳統點膠方式開環控制精度低、效率低、穩定性差等問題。實驗驗證，此系統經測試和使用均能滿足要求，在長時間重復性工作極大減少人工的使用的同時對提高生產效率和產品質量也有很大提高。

參考文獻

[1]Liu Hua-yong.Research on The Micro-jetting and Control Technology of High Viscosity Fluids[D].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2013.

[2]Shen Xin-hai.Basic rules of dispensing[J].Electronics Process Technology，2012，20（6）.

4.3 算法實現

系統的開發平臺為Visual C++，在結合開源計算機視覺庫對OPNECV圖像處理算法進行程序實現的同時，將采集到的彩色圖像首先經過灰度化處理、圖像平滑與消除噪聲，此步驟用來得到灰度圖。因為光照因素的影響，目標區域的亮度相對較高，因此可選取適當閾值來區分背景與目標區域，接著經過二值化處理即可得到目標區域的雛形。因光照強度的改變而引起背景與目標區域灰度值產生的相對變化，需要將二值化操作中的閾值根據光照條件不同加以調節。

插補算法：使用逐點比較法，即每次僅向一個坐標軸輸出一個進給脈沖，而每走一步都要通過偏差函數計算，由此判斷偏差點的瞬時坐標同時規定加工軌跡之間的偏差。然后決定下一步的進給方向。每個插補循環由偏差判別、進給、偏差函數計算和終點判別個步驟組成。逐點比較法可以實現直線插補、圓弧插補、其他曲線插補。其特點是運算直觀、插補誤差小、脈沖輸出均勻、調節方便。

5 軟件實現的功能

系統采用了基于PWM的方法來達到控制直流電機的目的，其特點為：靈活、可靠、精度高。系統的運動軌跡文件采用G代碼存儲于Flash存儲器之中，系統啟動后便可以通過計算機從默認的從Flash存儲器中讀取軌跡文件序號，接著進行逐條的解析命令執行。若是執行運動指令，則執行插補函數并輸出PWM控制電機的當前運行狀態，反則通過I/O口輸出高低信號電平，同時在運行過程中如果遇到限位信號、急停信號和停止信號，則立刻停止運動軌跡文件的解析執行，等待系統復位以及下一次的啟動觸發。軟件脫機運行如圖3所示。

6 誤差分析

視覺檢測系統的測量誤差產生主要有：鏡頭畸變引起的光學誤差、相機與點膠機安裝平行度引起的模型誤差、圖像處理操作帶來的誤差三個部分組成。而相機安裝導致的模型誤差以及圖像處理造成的誤差都是可通過對相機模型的標定來解決。

相機實際的鏡頭是存在不同程度的畸變，其中主要包括：偏心畸變、徑向畸變與薄棱鏡畸變。假設在圖像坐標系下某個像點的理想位置是（Zn，Yn）由于成像產生的畸變，實際的為（Zm，Ym），二者之間的關系如下所示：

從式（3）、（4）二式子中可得出：成像畸變修正值的大小與像點的位置相關。

7 結語

隨著計算機技術和電子技術的迅猛發展，未來機械化操作將大量使用自動化設備代替人工操作，以此來滿足復雜控制、高精度、多軸聯動的運動控制。

本文研究了基于機器視覺的三軸點膠機定位控制系統的設計與實現，不僅利用CCD相機進行點膠區域實時掃描，并采用平滑操作和二值化的方法對采集的圖像進行預處理，還運用了圖像形態學操作來對點膠位置坐標進行提取，很大程度上解決了傳統點膠方式開環控制精度低、效率低、穩定性差等問題。實驗驗證，此系統經測試和使用均能滿足要求，在長時間重復性工作極大減少人工的使用的同時對提高生產效率和產品質量也有很大提高。

參考文獻

[1]Liu Hua-yong.Research on The Micro-jetting and Control Technology of High Viscosity Fluids[D].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2013.

[2]Shen Xin-hai.Basic rules of dispensing[J].Electronics Process Technology，2012，20（6）.