導電膠片上料方位偏差智能識別策略與分析計算

徐曉華，呂勇，張政潑

（桂林航天工業學院機電工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

導電膠條是廣泛應用于電子裝備的元件，需求量大[1-2]。導電膠條生產特別是最后剪切成形工序自動化程度還較低，開展自動化智能化剪切加工系統具有重要意義，也符合智能制造發展趨勢，但相關研究和應用報導還很少。雖然有關導電膠條生產過程自動上下料裝置方面已有個別研究報導[3]，但主要是關于結構介紹方面，涉及自動上料系統分析計算、誤差智能識別及算法等方面的研究報導還極少，開展這方面的研究很有意義。導電膠片智能剪切加工系統的重要組成部分之一是智能上料系統，涉及膠片上料過程方位偏差的智能識別。膠片智能剪切加工系統的基本流程是：矩形膠片智能化上料——剪切機自動雙工位雙方向剪切——形成規定規格的小膠片——自動下料。膠條剪切成形的前道工序已將膠片初切為近似矩形膠片，但具有一定的方形誤差，因此，作為確定導電膠片方向的基準線也和膠片邊緣也存在平行度誤差；另外，上料環節膠片在料框的堆放也呈一定的隨意狀態。由于上述原因，使得膠片在上料拾取時相對于理論位置和形狀要求，既存在矩形形狀誤差，也存在中心和方向誤差。形狀誤差影響夾緊和剪切起始與終止位置，方位誤差影響擺放位置和方向，最終影響膠片剪切利用率和膠條質量，須通過拾取過程進行誤差識別計算和確定，便于后續的誤差糾正控制。

導電膠片的形狀與方位誤差識別首先要涉及到圖像邊沿和交點的識別，需應用機器視覺和圖像處理技術[4-5]，而圖片邊沿和交點識別計算方法已相當成熟。本研究的重點是如何通過已識別的邊緣和交點坐標計算確定膠片的中心和方向偏差，便于后續糾正控制，從而達到最佳的膠片上料擺放狀態、加工效果和質量。本研究內容對于涉及膠片膠條自動輸送、包裝等裝備研究也具有借鑒和參考意義。

1 膠片形狀及方位偏差識別策略與分析計算

圖1為膠片上料機構和機器視覺檢測方案示意圖，方案示例采用桁架式機械手作為上料機構，與關節式機器人相比更具有簡便性和相對優勢[6]，機械手1采用氣動負壓方式從料框3中拾取待剪切膠片2，在桁架4上移動至某一適當位置通過攝像頭5攝像，通過常規圖像處理軟件識別膠片邊沿和四周交點坐標。采用所研究的識別策略和方法進行形狀判別、標志條紋線即基準線的方向角度偏差和中心位置偏差計算，給出形狀特征、基準線方向角度和中心位置誤差值，便于下一步的誤差糾正計算和控制。機械手拾取膠片數量可以是單片或兩片，拾取兩片的機構較為復雜但效率高，拾取單片的機構簡單但效率較低，根據整體方案綜合考慮，單片和雙片的識別計算方法相同。

圖1 上料機構和機器視覺示意圖

1.1 基準方向角度偏差識別策略與分析計算

通常導電膠片具有三條理論上平行但實際存在一定平行度誤差的基準線。膠片在料筐中的擺放位置具有一定的隨機性，基準線與上料系統的X軸也存在偏離誤差。同時實際的基準線也并不是理想的一條直線，而是三條基準線都為兩端小部分略有彎曲、中間基本平直的曲線。因此，首先對每條基準線的三條線段進行擬合，算出平均方向角度；再對三條基準線進行二次擬合，算出膠片基準方向角度。

1.1.1 單基準線形式及其方向確定

在膠片制造時，按工藝要求需要在其上下面分別覆蓋外保護層，但在兩側露出內工作層（導電層與絕緣層交替層疊而成），以便能通過裸露的三條白色基線識別膠片剪切基準方向，因此基準線被保護層分割成三段，如圖2所示。其中中間段被保護層隱藏。由于硫化會引起膠片變形，每條基線的三段線并沒有完全重疊于同一條直線上，需要綜合考慮幾何關系和膠片變形特性進行擬合。膠片形狀圖像識別點如圖2所示。假設膠片移動過程處于理想的水平狀態，忽略相機安裝誤差，圖中XOY為理論坐標系（也稱機器坐標系），三條基線分別為L1、L2、L3，假定第i（i=1、2、3）基準線的左、中、右線段分別是Li1、Li2、Li3。通過試驗考察，每條基準線的三個線段中，中間隱藏部分變形很小、較為平直，是基準線的主體部分，兩端顯露線段相對較短、彎曲較大，是基準線的次要部分，如圖3。

圖2 膠片狀態示意圖

由于基準線大部分隱藏在防護層里面，通過機器視覺系統攝像和圖像處理只能確定每條基準線兩側曲線段的端點（交點）在機器坐標系中的坐標Uij（xij，yij），而隱藏在保護層里中的基準線部分無法攝像而給出坐標，如圖3，因此整條基準線只能通過兩端曲線段的4個端點坐標進行擬合，求出方向角度；由于兩端曲線段變形特性與中間線段變形特性不一樣，不宜采用主要適用于各處變化隨機且特性相似的場合的最小二乘法。通過以上分析和試驗考察，有效且簡捷的基準線擬合識別策略為，將每條基準線的三段線近似為直線段，分別算出方向角度，再應用權重系數法[7-8]計算基準線方向角度。根據膠片變形特性，顯然中間段的權重系數大，兩端線段的權重系數要小得多，且可近似相等。得

圖3 基準線型及方向角度識別計算圖

式中，αi為第i根基準線的計算方向角；q13、q2分別為兩端線段、中間線段的權重系數，通常可取q2≥0.8。

7.2.14小葉病蘋果樹小葉病主要是由土壤缺鋅引起的一種生理病害，病重植株樹勢衰弱，長勢減緩，產量降低。

1.1.2 三條基準線方向角度的綜合擬合

每片導電膠片都設置有三條基準線，理論上應該是完全平行，但由于制造和處理過程發生一定變形，三條直線之間存在一定的平行度誤差，根據試驗，中間基準線變形相對較小，對決定膠片方向作用最大；而兩邊基準線變形相對較大。因此采用權重系數法計算綜合基準方向角度（簡稱方向角）：

式中，k1、k2、k3分別為三條基準線的權重系數，通過試驗統計確定。通常中間的較大，兩邊基準線的k1、k3較小且近似相等。

以上算法也可簡稱為兩次權重系數法。

1.2 膠片形狀確定和中心位置偏差計算

1.2.1 膠片內包矩形坐標計算

由上述知道，膠片矩形形狀存在誤差，由于剪切加工方向必須平行于基準線，因此膠片的計算中心應是膠片實際形狀的內包矩形中心，且內包矩形必須平行于基準線。通過上面分析已算出膠片的基準線方向角度α，如圖2，為方便膠片形狀和中心位置誤差分析計算，采用坐標旋轉變換方式，即將機器坐標系XOY繞原點O旋轉α，形成新的坐標系XNOYN，使新坐標系平行于膠片方向角，如圖4，在新坐標系下分析計算膠片內包矩形和中心位置坐標，然后再進行一次反向坐標旋轉變換，即可得到膠片在機器坐標系下的內包矩形和中心坐標值，表達、計算和理解方便。

圖4 膠片形狀和中心位置誤差計算圖

根據坐標旋轉變換規律[9]，膠片4個頂點A1、A2、A3、A4在新坐標系的坐標為

式中，{ANi}{Ai}分別為在新坐標系、機器坐標系下膠片4個頂點的坐標列陣；[R（α）]為旋轉角為α的旋轉變換矩陣，即

如圖4，在XNOYN坐標系下，膠片內包矩形頂點為Bi（i=1、2、3、4），顯然其坐標滿足如下

從而在新坐標系下內包矩形B1B2B3B4的中心坐標為Os（xNs，yNs），坐標值為

1.2.2 膠片中心位置偏差和廣義偏差

我們最終需要的是膠片中心在機器坐標系XOY下的坐標值，因此再次將坐標系XNOYN繞原點旋轉-α，返回到機器坐標系XOY，如圖5，在XOY坐標系下的膠片中心坐標即與在XNOYN下膠片中心坐標即的關系為

即

因此按式（3）（6）（7）（9）可計算出膠片中心在機器坐標系XOY下的坐標值，這就是膠片中心相對于理論中心的偏差，結合式（2），可得出包括膠片中心偏差和方向偏差的方位偏差Ds（xs，ys，α），由于是幾個不同方向和性質的偏差組合，也稱為廣義偏差量。

2 加工內控線設置和算法驗證

2.1 加工內控線設置

由于膠片存在兩邊不能實際使用的非保護部分，如圖5所示。在實際設計中，設置兩根用于確定裝夾線或加工極限位置的內控加工線Lk1、Lk2，其與內包矩形邊距離固定，根據試驗考察確定，既可完全將兩邊非保護部分排在加工區域外，又可滿足夾緊寬度和最大膠片利用率。

圖5 坐標系二次旋轉變換圖

2.2 仿真與實物試驗驗證

采用計算機仿真和實物試驗相結合的方式對膠片方位偏差識別和計算方法進行驗證。

（1）綜合計算方法驗證。設置若干組典型膠片偏離狀態坐標值，采用與實際相符的計算機模擬作圖形式，與計算值對比。

（2）基準線方向角度識別及計算方法驗證：

①采用若干導電膠片實物，對基準線外露端點進行測量，得出端點坐標值；

②根據上述計算方法對端點（交點）坐標計算，得出基準線方向角度；

③按計算基準線方向角度進行剪切試驗，檢查導電膠條疊層條紋偏差程度。

仿真和試驗驗證結果，上述識別和計算方法有效，符合實際狀況，能滿足應用要求。

同時，還可根據試驗驗證過程的符合程度進行權重系數的適當調整，進一步提高算法符合度。

3 結語

開展導電膠片剪切加工的自動化智能化研究和應用很有意義。由于前道工序和智能上料系統膠片原始放置的一定隨意性，使得膠片形狀、基準線方向和中心位置出現偏差。通過應用機器視覺對膠片進行攝像和圖像處理，給出膠片端點和交點坐標；采用兩次權重系數法進行基準線方向角度計算，采用兩次坐標旋轉變換法進行膠片內包矩形和中心位置坐標計算，從而求出膠片方位偏差或廣義偏差量，便于后續智能偏差糾正過程的實施。通過仿真和試驗驗證，所給出的識別和計算方法有效，符合實際狀況，滿足應用要求。