智能制造的高性能滴膠類防偽產品關鍵技術的研究及產業化

葛曉森

目前公司傳統的高性能滴膠防偽產品是利用人工來控制膠閥進行手工滴膠，生產效率低并且不能保證產品的滴膠公差范圍尺寸，隨著產品需求量的不斷增加，要求在保證滴膠尺寸精度的情況下提高工作效率，于是發揮公司的技術力量，計劃開發出一種高精度機械手滴膠設備，來解決目前的生產瓶頸狀況。利用“先工藝后設備”的指導思想，做工藝性試驗。

首先提出了技術要求，利用設備廠家的現有設備進行工藝測試，滴膠精度由原來的±0.06g降為現在的±0.03g，能滿足產品精度。于是著手分步開發此設備：

智能機械手滴膠機是一個復雜的系統設備，需要對滴膠的流量和點膠位置精確的控制，影響滴膠精度控制的主要因素有：產品尺寸、夾具方式、滴膠方式、控制方式。最后我們決定要實現高難度的精度滴膠，必須引進視覺檢測系統，來保證其檢測精度高、動作響應快、可連續工作等特點。

滴膠的視覺系統的功能：

①在滴膠工藝前必須對滴膠產品進行準確定位、自動生產滴膠的路徑。

②在滴膠工藝后，對滴的膠進行觀察和測量，評估涂膠的尺寸和體積的一致性。

滴膠的工作原理

1.定位方法

通過機器視覺對點膠位置自動檢測，主要分為圖像采集、圖像處理和位置坐標的提取與輸出3個部分。待定的產品正確裝夾后，相機（CCD）按照滴膠區域的分割進行圖像的分塊采集，并將采集到的圖像存儲于工控機內存中，當完整的產品圖片采集后，工控機依次對所采集到的圖像進行處理，擬定出滴膠位置區域輪廓的幾何特征。最后依據滴膠中心和滴膠區域輪廓的幾何特征，提取膠點中心的坐標數值，并通過工控機傳輸給機電執行機構，驅動運動平臺到移動至正確的點膠位置。

2.圖像處理

滴膠中心位置的識別通常需要根據給定條件，或者點膠區域輪廓的幾何特征來進行。針對應用的具體對象，細間距、不規則圖案的產品采用閥值化與形態學的處理算法，在圖中矩形區域為待檢測的滴膠區域，長條區域為引線區域。首先把得到的彩色圖像轉化為灰色圖，以便于進一步的圖像處理操作，為了減少圖像的噪聲，對灰度化的圖像進行了平滑處理，通過灰度圖像的閥值選取，獲得了反映圖像整體和局部特征的二值化圖像。這既有利于提高目標輪廓的對比度，又便于圖像的簡化處理，減小數據量提高處理速度。同時閥值的可調性也大大提高了系統對工作的環境的適應性，即增強了系統對不同對象的識別能力。

由于被測區域并非為完整矩形而是包含了長條形的區域，因此可采用形態學處理，使用矩形結構元對圖像進行操作，比這個區域小的部分將被剔除掉，腐蝕操作具有對稱性，在減少識別區域面積的同時，并不改變所選區域的中心位置坐標。隨后通過膨脹操作使識別區域恢復到原來面積，得到完整的矩形，最后通過矩形擬合提取識別得到識別區域的中心坐標。

3.測量系統的標定

經過圖像處理得到的滴膠區域中心點坐標為相機坐標系的像素坐標，不能直接用于滴膠機的運動平臺，需要先行對測量系統進行標定，不能直接用于點膠機的運動平臺，需要先行對測量系統進行標定，實施將滴膠區域中心的像素坐標轉化為運動平臺的物理坐標。首先確定CCD的像素分辨率，運用標尺刻度與圖像像素數之間的關系來計算得到每個圖像的實際尺寸。標定采用打點法，即滴膠機在標定板的任意位置上滴膠打點，移動工作臺使該點到達CCD原點，根據前后滴膠打點的坐標之差來標定相機與點膠機的相對位置關系。

4.誤差分析

視覺檢測系統的測量誤差主要來自鏡頭畸變引起的光學誤差、相機與膠點機安裝平行度引起的模型誤差以及圖像處理操作帶來的誤差等3個部分。其中相機安裝導致的模型誤差和圖像處理造成的誤差可通過對相機模型的標定來加以修正。

相機實際的鏡頭并非理想的透視成像，而是存在不同程度的畸變，主要包括徑向畸變、軸向畸變、偏心畸變等。

視覺定位系統的的實現

視覺定位對象是具有較為復雜圖形的帶加工印制芯片的電路板，具體操作目標如下：通過圖像分析，確定待點膠區域的中心位置，進而驅動三軸運動平臺移動到恰當位置，完成滴膠機的定位。

1.整體樣機系統

整體三坐標點膠系統包括臺式機器人、氣動電磁閥、點膠機、圖像采集系統及工控機5個部分。其中氣動電磁閥位于機器人的上部，通過壓氣管道與滴膠閥相連，滴膠閥安裝于機器人的機械手臂上，可按照輸入路徑進行三軸精密移動;相機安裝在機械手臂略微偏左位置，按裝高度依據相機的光學參數而定，便于采集到清晰圖像，光源置于相機左下側。

2.視覺系統的選型

整個視覺定位系統包括3個模塊：圖像采集模塊、圖像分析模塊和測量系統標定模塊。圖像采集模塊負責獲取圖像，并通過合理的光源布置，使目標區域有合理的對比度，圖像分析模塊對采集的圖形進行自動處理，提取點膠區域中心坐標，該坐標是相對于相機圖像坐標系而言;測量系統標定模塊有兩個任務：①確定相機的像素分辨率，即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，將滴膠中心的圖像坐標轉換為可以驅動平臺運動的物理坐標。

根據被測物體的特點，為獲得對比度良好的圖像，光源的布置方式通常有兩種：①直接明場正面照射，點膠區域為玻璃托盤，其反射性強于背景，因而亮度較高，甚至達到飽和。②采用直接暗場正面照射，點膠區域是玻璃托盤，暗場照明也可突出這些部分，考慮到實施的便利性，采用了第一種光源布置方式。

3.算法實現與實驗

以VC++作為開發平臺，結合開源計算機視覺庫，對圖像處理算法進行了程序實現。采集到的彩色圖像首先經過灰度化處理，帶經過圖像平滑，消除了部分噪聲得到了灰度圖，由于光照因素，目標區域亮度相對較高，選取適當閥值來區分背景與目標區域，經過二值化處理即可得到粗略的目標區域。光照強度的改變，引起背景與目標區域的灰度值的相對變化，因此二值化操作中的閥值需要根據光照條件的不同加以調節。為了得到規則矩形，便于中心坐標的提取，對二值化后的圖像進行多次操作，則圖中比矩形區域面積小的“尾巴”將被慢慢去掉，得到中心位置不變的圖形陣列，再對其進行膨脹操作，即得到完整的矩形陣列。

通過矩形擬合，提取出各個矩形中心坐標，左側U、V分別為各個中心位置在圖像坐標系中的像素坐標，右側X、Y則為對應點的在機床坐標系下的實際坐標。通過模擬滴膠試驗，證明了該結果的準確性，其定位精度也滿足了精確滴膠的需求。

結論

研究了基于機器視覺的滴膠機定位系統，利用CCD相機對芯片的滴膠區域進行掃描，采用平滑操作和二值化的方法對采集的圖像進行預處理。再運用圖像形態學操作提取點膠位置坐標，解決了傳統點膠方式開環控制精度低，穩定性差等問題，試驗結果表明，對點膠位置的定位精度可達0.016mm，能滿足產品高精度點膠的要求。

通過兩年多自主創新關鍵技術的研究及產品開發，成功解決了滴膠效率低、成品率的問題，工作效率提高4倍，人工比以前減少9人，成品率由原來的73%提高到97%，當年為公司節約資金約467萬元。

作者單位：山東泰寶防偽技術產品有限公司

責任編輯：李倩 liqian@cprint.cn