基于机器视觉的三轴点胶机定位控制系统的设计与实现

肖守柏

摘要：基于机器视觉的三轴点胶机定位控制系统是一套能够大幅提高点胶机在直线与圆弧曲线涂胶上高性能、高精度的控制系统。该系统不仅实现了点胶机的三轴联动，提高了点胶机在点胶时的工作效率，而且把视觉技术引入到点胶机的点胶位置测量计算过程中，很好地解决了以往传统点胶技术在开环控制精度较低、稳定性差的问题。为实现该控制系统中利用机器视觉代替人工输入对点胶位置进性自动测量的功能，在控制系统中运用图像预处理和形态学操作来实现胶点位置的识别算法，并对定位系统进行了标定和误差分析，从硬件和软件两个方面实现了对三轴点胶机定位控制系统的设计。

关键词：机器视觉 点胶机 三轴联动 定位控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0009-02

1 引言

点胶是微电子封装工业生产环节当中重要的工序之一，被广泛用于集成电路的封装与表面贴装。在液体流量精确控制领域，点胶机是一种被用在芯片封装、电磁屏蔽、防水密封、子元件的粘贴、汽车电子和音响器材等领域的精密施胶仪器。近年来，随着电子芯片和封装尺寸的不断减小，高精度、高可靠性、高速率的点胶技术得到了迅速的发展[1]。

在现代化工业生产加工当中，点胶机是一种需要多轴协同控制的自动化设备，它是一个复杂的系统，需要对胶点流量以及位置进行精确的控制操作。目前影响点胶精度的主要因素有四点：（1）产品尺寸精度；（2）点胶方式；（3）夹具设计；（4）控制方式。而机器视觉技术以其检测精度高、动态响应快、可连续工作等一系列特点，被广泛应用于电子封装行业中的诸多领域。主流的非接触式点胶技术是采用机器视觉系统辅助完成闭环控制的操作，以此来实现高精度、高频率、高效率的点胶自动定位。

2 功能设计

根据生产领域的需求，点胶技术中的机器视觉与定位控制主要有以下功能：

（1）点胶工艺实施之前，对目标产品进行快速确定点胶位置，并自动生成点胶路径。

（2）点胶工艺实施之后，对涂着的胶点进行观察并测量，评估出胶点直径或体积。

（3）能够对三轴步进电机进行独立控制，实现任意两轴可以直线插补、圆弧插补等不规则路径连续涂胶。脉冲输出速度最大频率可达到120kHz。

（4）能够达到自动回原点、防止运动过界以及防撞的功能需求。

（5）能够实现多机互联，以此来满足生产线协同生产的需求。

（6）能够脱机独立运行，并且支持显示启动、停止和故障的状态提示功能。

（7）可控制至少4个胶筒独立涂胶，并且可与各种胶枪和储胶桶连接。

（8）能够达到与计算机连接可下载运动轨迹文件，另外可使用SD卡对系统进行升级。

上述2、3两个功能可以在同一视觉系统中加以实现。其中，胶点检测技术发展已较为成熟，不少文献对此给出了较为完整的解决方案，市场上也已有类似产品出现。对于点胶位置的定位，由于目标产品的多样性和工艺条件的不确定性等综合因素的影响，业内有着多种个性化的解决方案。针对荧光胶模组点胶工艺的具体应用，通过安装于三轴点胶机Z轴上的视觉系统，实现了对点胶位置的在线检测。

3 工作原理

3.1 定位方法

通过机器视觉技术对点胶位置进行的自动检测，此过程主要分为：图像采集、图像处理、位置坐标提取、位置坐标输出三个部分。待定的芯片安装完毕以后，CCD相机将根据点胶区域的分割对图像进行分块采集，并且将采集到的图像存储于工控机的内存当中。

当完整的芯片图像采集完毕之后，工控机将对所采集到的图像依次进行处理，计算出点胶区域轮廓的几何特征。最后，通过胶点中心与点胶区域轮廓的位置特征信息，提取出胶点中心的坐标数值，并根据工控机传输给机电执行模块，驱动运动平台至正确的点胶位置。其技术路线，如图1所示。

3.2 标定测量系统

通过图像处理得到的点胶区域中心点坐标即为相机坐标系的像素坐标，此坐标不能直接用于驱动点胶机的运动平台。要使之可行需要先行对测量系统进行标定，并实时地将点胶区域中心的像素坐标转化为运动平台的物理坐标。为此，还需完成以下几点要求：

（1）确定相机的像素分辨率，运用标尺刻度与图像像素数之间的关系，以此来计算得到每个像素的实际尺寸。

（2）采用打点法，即点胶机先在标定板的任意位置上点胶打点，然后移动工作台使该点到达相机原点，依照前后点胶打点的坐标之差来标定相机与点胶机的相对位置关系，如图2所示。

根据图像坐标系与运动平台坐标系之间关系的变换，可捕捉在工作台坐标系下的绝对物理坐标（X，Y）：

公式中：（B0，B1）表示点胶机初始位置坐标；ε1表示CCD中心与点胶机中心的横坐标之差；△0表示相机原点与运动平台原点间的横坐标之差；△1表示CCD原点与运动平台原点间的纵坐标之差；（u，v）为图像中心点的坐标；△表示像素分辨率。

4 视觉定位系统的实现

4.1 系统目标

视觉定位的对象是具有复杂图形的待加工印制电路板。

具体操作目标如下：（1）通过图像分析，确定待点胶区域的中心位置；（2）控制驱动三轴运动平台移动到恰当位置；（3）完成点胶机的定位。

4.2 系统选型

视觉定位系统包括以下三个模块：（1）图像采集模块；（2）图像分析模块；（3）测量系统标定模块。

图像采集模块主要负责获取图像并且使用合理的光源布置让目标区域具有良好的对比度；图像分析模块主要负责对采集的图像进行自动处理，提取点胶区域的中心坐标。测量系统标定模块中将完成两个任务：（1）确定相机的像素分辨率，一个像素代表的实际距离；（2）确定相机图像坐标系和运动平台坐标系之间的关系。

4.3 算法实现

系统的开发平台为Visual C++，在结合开源计算机视觉库对OPNECV图像处理算法进行程序实现的同时，将采集到的彩色图像首先经过灰度化处理、图像平滑与消除噪声，此步骤用来得到灰度图。因为光照因素的影响，目标区域的亮度相对较高，因此可选取适当阈值来区分背景与目标区域，接着经过二值化处理即可得到目标区域的雏形。因光照强度的改变而引起背景与目标区域灰度值产生的相对变化，需要将二值化操作中的阈值根据光照条件不同加以调节。

插补算法：使用逐点比较法，即每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都要通过偏差函数计算，由此判断偏差点的瞬时坐标同时规定加工轨迹之间的偏差。然后决定下一步的进给方向。每个插补循环由偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别个步骤组成。逐点比较法可以实现直线插补、圆弧插补、其他曲线插补。其特点是运算直观、插补误差小、脉冲输出均匀、调节方便。

5 软件实现的功能

系统采用了基于PWM的方法来达到控制直流电机的目的，其特点为：灵活、可靠、精度高。系统的运动轨迹文件采用G代码存储于Flash存储器之中，系统启动后便可以通过计算机从默认的从Flash存储器中读取轨迹文件序号，接着进行逐条的解析命令执行。若是执行运动指令，则执行插补函数并输出PWM控制电机的当前运行状态，反则通过I/O口输出高低信号电平，同时在运行过程中如果遇到限位信号、急停信号和停止信号，则立刻停止运动轨迹文件的解析执行，等待系统复位以及下一次的启动触发。软件脱机运行如图3所示。

6 误差分析

视觉检测系统的测量误差产生主要有：镜头畸变引起的光学误差、相机与点胶机安装平行度引起的模型误差、图像处理操作带来的误差三个部分组成。而相机安装导致的模型误差以及图像处理造成的误差都是可通过对相机模型的标定来解决。

相机实际的镜头是存在不同程度的畸变，其中主要包括：偏心畸变、径向畸变与薄棱镜畸变。假设在图像坐标系下某个像点的理想位置是（Zn，Yn）由于成像产生的畸变，实际的为（Zm，Ym），二者之间的关系如下所示：

从式（3）、（4）二式子中可得出：成像畸变修正值的大小与像点的位置相关。

7 结语

随着计算机技术和电子技术的迅猛发展，未来机械化操作将大量使用自动化设备代替人工操作，以此来满足复杂控制、高精度、多轴联动的运动控制。

本文研究了基于机器视觉的三轴点胶机定位控制系统的设计与实现，不仅利用CCD相机进行点胶区域实时扫描，并采用平滑操作和二值化的方法对采集的图像进行预处理，还运用了图像形态学操作来对点胶位置坐标进行提取，很大程度上解决了传统点胶方式开环控制精度低、效率低、稳定性差等问题。实验验证，此系统经测试和使用均能满足要求，在长时间重复性工作极大减少人工的使用的同时对提高生产效率和产品质量也有很大提高。

参考文献

[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 算法实现

系统的开发平台为Visual C++，在结合开源计算机视觉库对OPNECV图像处理算法进行程序实现的同时，将采集到的彩色图像首先经过灰度化处理、图像平滑与消除噪声，此步骤用来得到灰度图。因为光照因素的影响，目标区域的亮度相对较高，因此可选取适当阈值来区分背景与目标区域，接着经过二值化处理即可得到目标区域的雏形。因光照强度的改变而引起背景与目标区域灰度值产生的相对变化，需要将二值化操作中的阈值根据光照条件不同加以调节。

插补算法：使用逐点比较法，即每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都要通过偏差函数计算，由此判断偏差点的瞬时坐标同时规定加工轨迹之间的偏差。然后决定下一步的进给方向。每个插补循环由偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别个步骤组成。逐点比较法可以实现直线插补、圆弧插补、其他曲线插补。其特点是运算直观、插补误差小、脉冲输出均匀、调节方便。

5 软件实现的功能

系统采用了基于PWM的方法来达到控制直流电机的目的，其特点为：灵活、可靠、精度高。系统的运动轨迹文件采用G代码存储于Flash存储器之中，系统启动后便可以通过计算机从默认的从Flash存储器中读取轨迹文件序号，接着进行逐条的解析命令执行。若是执行运动指令，则执行插补函数并输出PWM控制电机的当前运行状态，反则通过I/O口输出高低信号电平，同时在运行过程中如果遇到限位信号、急停信号和停止信号，则立刻停止运动轨迹文件的解析执行，等待系统复位以及下一次的启动触发。软件脱机运行如图3所示。

6 误差分析

视觉检测系统的测量误差产生主要有：镜头畸变引起的光学误差、相机与点胶机安装平行度引起的模型误差、图像处理操作带来的误差三个部分组成。而相机安装导致的模型误差以及图像处理造成的误差都是可通过对相机模型的标定来解决。

相机实际的镜头是存在不同程度的畸变，其中主要包括：偏心畸变、径向畸变与薄棱镜畸变。假设在图像坐标系下某个像点的理想位置是（Zn，Yn）由于成像产生的畸变，实际的为（Zm，Ym），二者之间的关系如下所示：

从式（3）、（4）二式子中可得出：成像畸变修正值的大小与像点的位置相关。

7 结语

随着计算机技术和电子技术的迅猛发展，未来机械化操作将大量使用自动化设备代替人工操作，以此来满足复杂控制、高精度、多轴联动的运动控制。

本文研究了基于机器视觉的三轴点胶机定位控制系统的设计与实现，不仅利用CCD相机进行点胶区域实时扫描，并采用平滑操作和二值化的方法对采集的图像进行预处理，还运用了图像形态学操作来对点胶位置坐标进行提取，很大程度上解决了传统点胶方式开环控制精度低、效率低、稳定性差等问题。实验验证，此系统经测试和使用均能满足要求，在长时间重复性工作极大减少人工的使用的同时对提高生产效率和产品质量也有很大提高。

参考文献

[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 算法实现

系统的开发平台为Visual C++，在结合开源计算机视觉库对OPNECV图像处理算法进行程序实现的同时，将采集到的彩色图像首先经过灰度化处理、图像平滑与消除噪声，此步骤用来得到灰度图。因为光照因素的影响，目标区域的亮度相对较高，因此可选取适当阈值来区分背景与目标区域，接着经过二值化处理即可得到目标区域的雏形。因光照强度的改变而引起背景与目标区域灰度值产生的相对变化，需要将二值化操作中的阈值根据光照条件不同加以调节。

插补算法：使用逐点比较法，即每次仅向一个坐标轴输出一个进给脉冲，而每走一步都要通过偏差函数计算，由此判断偏差点的瞬时坐标同时规定加工轨迹之间的偏差。然后决定下一步的进给方向。每个插补循环由偏差判别、进给、偏差函数计算和终点判别个步骤组成。逐点比较法可以实现直线插补、圆弧插补、其他曲线插补。其特点是运算直观、插补误差小、脉冲输出均匀、调节方便。

5 软件实现的功能

系统采用了基于PWM的方法来达到控制直流电机的目的，其特点为：灵活、可靠、精度高。系统的运动轨迹文件采用G代码存储于Flash存储器之中，系统启动后便可以通过计算机从默认的从Flash存储器中读取轨迹文件序号，接着进行逐条的解析命令执行。若是执行运动指令，则执行插补函数并输出PWM控制电机的当前运行状态，反则通过I/O口输出高低信号电平，同时在运行过程中如果遇到限位信号、急停信号和停止信号，则立刻停止运动轨迹文件的解析执行，等待系统复位以及下一次的启动触发。软件脱机运行如图3所示。

6 误差分析

视觉检测系统的测量误差产生主要有：镜头畸变引起的光学误差、相机与点胶机安装平行度引起的模型误差、图像处理操作带来的误差三个部分组成。而相机安装导致的模型误差以及图像处理造成的误差都是可通过对相机模型的标定来解决。

相机实际的镜头是存在不同程度的畸变，其中主要包括：偏心畸变、径向畸变与薄棱镜畸变。假设在图像坐标系下某个像点的理想位置是（Zn，Yn）由于成像产生的畸变，实际的为（Zm，Ym），二者之间的关系如下所示：

从式（3）、（4）二式子中可得出：成像畸变修正值的大小与像点的位置相关。

7 结语

随着计算机技术和电子技术的迅猛发展，未来机械化操作将大量使用自动化设备代替人工操作，以此来满足复杂控制、高精度、多轴联动的运动控制。

本文研究了基于机器视觉的三轴点胶机定位控制系统的设计与实现，不仅利用CCD相机进行点胶区域实时扫描，并采用平滑操作和二值化的方法对采集的图像进行预处理，还运用了图像形态学操作来对点胶位置坐标进行提取，很大程度上解决了传统点胶方式开环控制精度低、效率低、稳定性差等问题。实验验证，此系统经测试和使用均能满足要求，在长时间重复性工作极大减少人工的使用的同时对提高生产效率和产品质量也有很大提高。

参考文献

[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）.