智能制造的高性能滴膠類防偽產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)的研究及產(chǎn)業(yè)化

葛曉森

目前公司傳統(tǒng)的高性能滴膠防偽產(chǎn)品是利用人工來控制膠閥進行手工滴膠，生產(chǎn)效率低并且不能保證產(chǎn)品的滴膠公差范圍尺寸，隨著產(chǎn)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(fā)揮公司的技術(shù)力量，計劃開發(fā)出一種高精度機械手滴膠設(shè)備，來解決目前的生產(chǎn)瓶頸狀況。利用“先工藝后設(shè)備”的指導(dǎo)思想，做工藝性試驗。

首先提出了技術(shù)要求，利用設(shè)備廠家的現(xiàn)有設(shè)備進行工藝測試，滴膠精度由原來的±0.06g降為現(xiàn)在的±0.03g，能滿足產(chǎn)品精度。于是著手分步開發(fā)此設(shè)備：

智能機械手滴膠機是一個復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)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(chǎn)品尺寸、夾具方式、滴膠方式、控制方式。最后我們決定要實現(xiàn)高難度的精度滴膠，必須引進視覺檢測系統(tǒng)，來保證其檢測精度高、動作響應(yīng)快、可連續(xù)工作等特點。

滴膠的視覺系統(tǒng)的功能：

①在滴膠工藝前必須對滴膠產(chǎn)品進行準(zhǔn)確定位、自動生產(chǎn)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(biāo)的提取與輸出3個部分。待定的產(chǎn)品正確裝夾后，相機（CCD）按照滴膠區(qū)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(nèi)存中，當(dāng)完整的產(chǎn)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(qū)域輪廓的幾何特征。最后依據(jù)滴膠中心和滴膠區(qū)域輪廓的幾何特征，提取膠點中心的坐標(biāo)數(shù)值，并通過工控機傳輸給機電執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)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(jù)給定條件，或者點膠區(qū)域輪廓的幾何特征來進行。針對應(yīng)用的具體對象，細間距、不規(guī)則圖案的產(chǎn)品采用閥值化與形態(tài)學(xué)的處理算法，在圖中矩形區(qū)域為待檢測的滴膠區(qū)域，長條區(qū)域為引線區(qū)域。首先把得到的彩色圖像轉(zhuǎn)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(biāo)輪廓的對比度，又便于圖像的簡化處理，減小數(shù)據(jù)量提高處理速度。同時閥值的可調(diào)性也大大提高了系統(tǒng)對工作的環(huán)境的適應(yīng)性，即增強了系統(tǒng)對不同對象的識別能力。

由于被測區(qū)域并非為完整矩形而是包含了長條形的區(qū)域，因此可采用形態(tài)學(xué)處理，使用矩形結(jié)構(gòu)元對圖像進行操作，比這個區(qū)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(qū)域面積的同時，并不改變所選區(qū)域的中心位置坐標(biāo)。隨后通過膨脹操作使識別區(qū)域恢復(fù)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(qū)域的中心坐標(biāo)。

3.測量系統(tǒng)的標(biāo)定

經(jīng)過圖像處理得到的滴膠區(qū)域中心點坐標(biāo)為相機坐標(biāo)系的像素坐標(biāo)，不能直接用于滴膠機的運動平臺，需要先行對測量系統(tǒng)進行標(biāo)定，不能直接用于點膠機的運動平臺，需要先行對測量系統(tǒng)進行標(biāo)定，實施將滴膠區(qū)域中心的像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為運動平臺的物理坐標(biāo)。首先確定CCD的像素分辨率，運用標(biāo)尺刻度與圖像像素數(shù)之間的關(guān)系來計算得到每個圖像的實際尺寸。標(biāo)定采用打點法，即滴膠機在標(biāo)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(jù)前后滴膠打點的坐標(biāo)之差來標(biāo)定相機與點膠機的相對位置關(guān)系。

4.誤差分析

視覺檢測系統(tǒng)的測量誤差主要來自鏡頭畸變引起的光學(xué)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(dǎo)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(biāo)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(tǒng)的的實現(xiàn)

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

1.整體樣機系統(tǒng)

整體三坐標(biāo)點膠系統(tǒng)包括臺式機器人、氣動電磁閥、點膠機、圖像采集系統(tǒng)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(jù)相機的光學(xué)參數(shù)而定，便于采集到清晰圖像，光源置于相機左下側(cè)。

2.視覺系統(tǒng)的選型

整個視覺定位系統(tǒng)包括3個模塊：圖像采集模塊、圖像分析模塊和測量系統(tǒng)標(biāo)定模塊。圖像采集模塊負(fù)責(zé)獲取圖像，并通過合理的光源布置，使目標(biāo)區(qū)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(qū)域中心坐標(biāo)，該坐標(biāo)是相對于相機圖像坐標(biāo)系而言;測量系統(tǒng)標(biāo)定模塊有兩個任務(wù)：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(biāo)系和運動平臺坐標(biāo)系之間的關(guān)系，將滴膠中心的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動平臺運動的物理坐標(biāo)。

根據(jù)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(qū)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(qū)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(xiàn)與實驗

以VC++作為開發(fā)平臺，結(jié)合開源計算機視覺庫，對圖像處理算法進行了程序?qū)崿F(xiàn)。采集到的彩色圖像首先經(jīng)過灰度化處理，帶經(jīng)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(biāo)區(qū)域亮度相對較高，選取適當(dāng)閥值來區(qū)分背景與目標(biāo)區(qū)域，經(jīng)過二值化處理即可得到粗略的目標(biāo)區(qū)域。光照強度的改變，引起背景與目標(biāo)區(qū)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(jù)光照條件的不同加以調(diào)節(jié)。為了得到規(guī)則矩形，便于中心坐標(biāo)的提取，對二值化后的圖像進行多次操作，則圖中比矩形區(qū)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(biāo)，左側(cè)U、V分別為各個中心位置在圖像坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)，右側(cè)X、Y則為對應(yīng)點的在機床坐標(biāo)系下的實際坐標(biāo)。通過模擬滴膠試驗，證明了該結(jié)果的準(zhǔn)確性，其定位精度也滿足了精確滴膠的需求。

結(jié)論

研究了基于機器視覺的滴膠機定位系統(tǒng)，利用CCD相機對芯片的滴膠區(qū)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(yù)處理。再運用圖像形態(tài)學(xué)操作提取點膠位置坐標(biāo)，解決了傳統(tǒng)點膠方式開環(huán)控制精度低，穩(wěn)定性差等問題，試驗結(jié)果表明，對點膠位置的定位精度可達0.016mm，能滿足產(chǎn)品高精度點膠的要求。

通過兩年多自主創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù)的研究及產(chǎn)品開發(fā)，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(dāng)年為公司節(jié)約資金約467萬元。

作者單位：山東泰寶防偽技術(shù)產(chǎn)品有限公司

責(zé)任編輯：李倩 liqian@cprint.cn