基于機(jī)器視覺的雙工位玻璃貼片AOI系統(tǒng)設(shè)計*

鄭相立，林典欽※，鄭卓韜，陳新輝，王雙喜

（1.汕頭輕工裝備研究院，廣東汕頭 515063；2.汕頭大學(xué)，廣東汕頭 515063）

0 引言

隨著消費(fèi)者對觸摸屏的質(zhì)量要求不斷提高，傳統(tǒng)的人工檢測方式由于存在工作強(qiáng)度大、容易發(fā)生漏檢和誤檢等缺點(diǎn)，已經(jīng)無法滿足觸摸屏玻璃高精度、高效率的質(zhì)量檢測需求[1]。機(jī)器視覺利用光學(xué)系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)來代替人的眼睛實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的高精度快速檢測，目前已經(jīng)逐漸應(yīng)用于觸摸屏玻璃的生產(chǎn)質(zhì)量檢測[2]。在觸摸屏玻璃貼片的生產(chǎn)過程中，由于人為原因、印刷缺陷容易混入一些不合格的原料或者誤將玻璃反向放置，導(dǎo)致生產(chǎn)出不合格的觸摸屏玻璃貼片，增加了產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

目前國內(nèi)外均有公司和高校在研究觸摸屏的AOI 系統(tǒng)，國外以韓國、日本和以色列為主[3]。國內(nèi)近年來出現(xiàn)了一批可穩(wěn)定應(yīng)用于觸摸屏生產(chǎn)線的AOI 檢測設(shè)備。隨著企業(yè)需求的增加，未來觸摸屏AOI 檢測設(shè)備將朝著高精密、高效率和智能化的方向發(fā)展[4]。

本文針對觸摸屏玻璃檢測誤差大、效率低的難題，設(shè)計了一種基于機(jī)器視覺的雙工位玻璃貼片AOI 系統(tǒng)，用于取代人工進(jìn)行觸摸屏玻璃的反向放置檢測和字符識別，可有效地防止觸摸屏玻璃的混料，從而降低玻璃貼片的廢品率。

1 AOI系統(tǒng)方案設(shè)計

在進(jìn)行貼片之前，玻璃貼片機(jī)需要對觸摸屏玻璃進(jìn)行反向檢測和字符識別，確保觸摸屏玻璃未發(fā)生反向放置。本系統(tǒng)的檢測流程如下：當(dāng)玻璃貼片機(jī)檢測到觸摸屏玻璃來料時，發(fā)送來料信號至PLC，再傳遞至工控機(jī)，工控機(jī)接收到信號后觸發(fā)相機(jī)拍照，并進(jìn)行圖像處理，實(shí)現(xiàn)反向放置檢測和字符識別，最后根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)送OK 或者NG 信號至PLC，如果信號為NG則由PLC控制機(jī)器停止，人為糾正玻璃放置，信號為OK則雙工位玻璃貼片機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。

本系統(tǒng)通過在玻璃貼片機(jī)的2 個生產(chǎn)工位上方架設(shè)機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)，同時實(shí)現(xiàn)2 個工位玻璃貼片的反向放置檢測與字符識別，系統(tǒng)的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)安裝在可調(diào)節(jié)的X、Y 軸手動位移平臺上，可根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際檢測需求調(diào)節(jié)機(jī)器視覺硬件系統(tǒng)與產(chǎn)品的精確對位，配合Z 軸實(shí)現(xiàn)相機(jī)的精確對焦，提高產(chǎn)品檢測的可靠性。

機(jī)器視覺系統(tǒng)通常包括高精度工業(yè)相機(jī)、光學(xué)鏡頭、光源，合理地選型相機(jī)、鏡頭、光源是機(jī)器視覺系統(tǒng)滿足工作要求的必要條件[5]。不同觸摸屏玻璃的產(chǎn)品厚度不一樣，而且檢測的字符尺寸極小，對機(jī)器視覺系統(tǒng)的景深參數(shù)要求較高。遠(yuǎn)心鏡頭能夠提高圖像精度和減少圖像畸變[6]。選用遠(yuǎn)心鏡頭可以適應(yīng)多種不同厚度的觸摸屏玻璃產(chǎn)品。本系統(tǒng)選用物方遠(yuǎn)心鏡頭，視場為4.8 mm×3.6 mm，放大倍率為1×，物距為420 mm，景深為3 mm，配合靶面尺寸約為8.47 mm、200萬像素的CCD 相機(jī)，可覆蓋檢測的觸摸屏玻璃的字符區(qū)域，像素精度為0.003 mm。本系統(tǒng)采用點(diǎn)光源配合遠(yuǎn)心鏡頭使用，實(shí)現(xiàn)字符的高精度定位和識別。

圖1 雙工位玻璃貼片AOI 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

PLC 憑借其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、控制實(shí)時性好、可靠性高的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場[7]。本文設(shè)計的雙工位玻璃貼片AOI系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由工控機(jī)+PLC 組成，工控機(jī)負(fù)責(zé)接受來自PLC 的信號，觸發(fā)機(jī)器視覺系統(tǒng)拍照處理，并將機(jī)器視覺系統(tǒng)處理的結(jié)果反饋至PLC。PLC則負(fù)責(zé)接收雙工位玻璃貼片機(jī)的開關(guān)輸入信號和控制相關(guān)元器件的動作，工控機(jī)與PLC 采用RS-485接口連接，通訊方式為自由口通訊。

2 AOI軟件設(shè)計

機(jī)器視覺軟件通常采用C++或者C#進(jìn)行界面設(shè)計，結(jié)合HALCON算法庫或者OPENCV算法庫進(jìn)行圖像處理[8]。本系統(tǒng)采用VC++進(jìn)行軟件設(shè)計，軟件主界面如圖2所示。軟件設(shè)計有兩個獨(dú)立的線程分別實(shí)時處理兩個工位獲得的圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多塊玻璃的同時檢測與識別。

圖2 機(jī)器視覺軟件主界面

軟件設(shè)置有產(chǎn)品學(xué)習(xí)功能，進(jìn)行產(chǎn)品檢測之前需要先進(jìn)行產(chǎn)品學(xué)習(xí)，得到用于產(chǎn)品檢測的標(biāo)準(zhǔn)模板，記錄產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)，產(chǎn)品學(xué)習(xí)功能獲取的標(biāo)準(zhǔn)模板如圖3所示。首先拍下表面光潔的標(biāo)準(zhǔn)玻璃樣品圖像，用戶通過框選ROI 區(qū)域確定檢測目標(biāo)，建立ROI 區(qū)域模板，作為檢測時模板匹配的模板，并記錄用戶設(shè)置的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。用戶設(shè)置的具體參數(shù)數(shù)據(jù)包括相機(jī)的曝光時間、產(chǎn)品名稱和檢測類型等，設(shè)置完成后數(shù)據(jù)自動保存至數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)用戶選擇相應(yīng)的產(chǎn)品時，軟件將根據(jù)產(chǎn)品名稱從數(shù)據(jù)庫中讀取產(chǎn)品的參數(shù)數(shù)據(jù)，而不需要用戶再次輸入數(shù)據(jù)，提高了軟件的界面友好程度。

圖3 產(chǎn)品學(xué)習(xí)功能獲取的標(biāo)準(zhǔn)模板

本文采用模板匹配的方式進(jìn)行觸摸屏玻璃反向放置的檢測。模板匹配是一種根據(jù)現(xiàn)有模板在另一幅圖像中尋找相應(yīng)匹配模板的方法，具有抗干擾性強(qiáng)、適用面廣、效率高的特點(diǎn)[9]。本系統(tǒng)完成產(chǎn)品學(xué)習(xí)獲取到模板后，選擇相應(yīng)的玻璃產(chǎn)品即可開始檢測。檢測時先采集待檢測的玻璃圖像，之后通過模板匹配尋找產(chǎn)品學(xué)習(xí)時設(shè)置的模板，若無法匹配到模板則說明玻璃反向放置，工控機(jī)輸出NG信號至PLC，PLC控制機(jī)器停止生產(chǎn)。若匹配到模板，則說明產(chǎn)品未發(fā)生反向放置，繼續(xù)進(jìn)行OCR字符識別，用于確定生產(chǎn)過程是否混入不同型號的玻璃。

3 字符識別算法設(shè)計

OCR 字符識別過程包括字符區(qū)域提取、字符區(qū)域校正和字符識別等過程。在字符區(qū)域提取過程中，首先進(jìn)行模板匹配，得到采集圖像的ROI 區(qū)域偏移角度，之后根據(jù)偏移角度進(jìn)行區(qū)域校正。為防止圖像中字符背景不均勻的情況發(fā)生，采用動態(tài)閾值的方式提取字符區(qū)域，并離散字符區(qū)域，之后根據(jù)像素面積大小篩選出字符，并按列坐標(biāo)排列字符，最后通過編號算法消除一些多余的點(diǎn)狀非字符區(qū)域，防止誤識別。

完成字符區(qū)域提取后則進(jìn)行字符區(qū)域的校正，之后將區(qū)域粘連成片狀區(qū)域，并擬合成橢圓，從而計算出旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)字符的旋轉(zhuǎn)校正。最后利用region_to_bin 算子將字符區(qū)域轉(zhuǎn)化為白底黑字，以便利用HALCON 字符庫進(jìn)行字符識別。

字符識別過程中，首先讀取專用的字符識別庫，之后編寫字符識別算法進(jìn)行字符識別，將字符以字符串的形式輸出，完成字符識別，字符識別效果如圖4所示。

圖4 產(chǎn)品字符識別效果

4 結(jié)束語

本文針對玻璃貼片生產(chǎn)過程中容易反向放置和混料的難題設(shè)計了基于機(jī)器視覺的雙工位玻璃貼片AOI 系統(tǒng)，系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用效果如圖5 所示。經(jīng)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)檢測速度為200 ms，可實(shí)現(xiàn)兩個工位的觸摸屏玻璃貼片同時檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)觸摸屏玻璃的反向放置檢測和字符識別，檢測效率與雙工位玻璃貼片機(jī)原有的生產(chǎn)節(jié)拍相匹配，有效地降低了雙工位玻璃貼片機(jī)生產(chǎn)的貼片的廢品率。

圖5 AOI系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用圖