基于图像处理的热切机切割自动定位算法.pdf

第 卷 第 期太原科技大学学报.年 月 .文章编号:()收稿日期:基金项目:山西省科技成果转化引导专项()山西省高等学校科技成果转化培育项目()山西省科技重大专项()山西省关键核心技术和共性技术研发攻关专项()作者简介:陈亚星()女硕士研究生主要研究方向为视频图像处理与网络传输技术通信作者:王安红教授:基于图像处理的热切机切割自动定位算法陈亚星王安红吕琴红王增琴(.太原科技大学 电子信息工程学院太原.中国电子科技集团公司第二研究所太原)摘 要:研究适合生瓷片加工热切工序的视觉系统根据热切机的热切工艺提出了一种基于图像处理的热切机切割自动定位算法 首先分析切割机构运动的几何关系通过图像处理得到待加工生瓷片的 向移动量及角度偏移量然后提出一种针对远心镜头的标定方法以建立工作台与图像坐标的关系最后对 向移动量的误差进行补偿 实验结果表明所提出的定位算法在配合热切机自动定位中取得 的加工精度关键词:热切机视觉定位视觉系统图像处理中图分类号:文献标识码:./.低温共烧陶瓷()技术是将低温烧结陶瓷粉经过流延制成厚度精确且致密的生瓷带作为电路基板材料在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形并将多个无源元件埋入其中叠压在一起在 下烧结制成无源集成组件或基板热切工艺在 产品加工过程中起着关键作用要求对层压后的带有 标识的生瓷片进行预加热并沿 连线切割成单品单品作为组件可被广泛应用于汽车、通讯、航空航天等领域 热切机的切割过程直接影响最终单品的外形尺寸和后续装框工艺的精度及合格率一般而言机械砂轮由于陶瓷硬度高刀具磨损量大磨削效率低只能进行直线划切磨削过程中很容易破裂而激光切割步骤复杂小功率的激光切割效率低大功率激光加工的热效应明显存在熔融凝固层缺陷和裂纹的问题 因此热切机采用刀刃对层压后的带有 标识的多层生瓷坯体在一定加热温度条件下进行切割传统的热切切割设备均为手动上下料容易造成生瓷片变形且生产效率较低 将机器视觉与热切需求结合的技术可减少人工参与、提高效率文献提出的视觉系统及文献的标定算法使视觉精度得以提高 由此肖方生等人将机器视觉应用于热切机上赵忠志等人结合机器视觉方法对热切机视觉系统进一步完善 但采用上述文献切割方法的视觉定位算法依赖多次参数输入影响实时加工本文研究满足生瓷片实时热切工艺的视觉系统旨在提出一种基于图像处理的热切机切割自动定位方法通过图像处理直接给出刀体切割的直线位置 对此首先分析工作台运动的几何关系通过图像处理得到待加工生瓷片的 向移动量及角度偏移量然后提出一种针对远心镜头的标定方法以建立工作台与图像坐标的关系 最后通过对 向移动量的误差进行补偿提高精度 实验结果表明所提出的定位算法在配合热切机自动定位中取得 的加工精度 热切器的视觉定位系统介绍热切机视觉定位系统的硬件部分如图 所示其中带有远心镜头的双相机()可以提高视觉精度并避免采用单相机对分辨率的过高要求 其次为配合视觉自动定位工作台吸附带有 的生瓷片并可 度旋转及沿 向移动另外横置在左右相机中间的刀体执行切割任务图 硬件结构图 视觉定位系统的工作流程是:左右相机采集图像传回上位 机 机的软件平台进行图像实时处理包括识别初始刀痕位置、识别 中心位置并计算工作台的位置信息位置信息反馈到运动控制系统以引导工作台旋转或移动最后刀体驱动电机进行切割 基于图像处理的切割定位算法 工作台运动的几何关系分析在切割前的初始位置工作台吸附的生瓷片与刀体有一定夹角不符合刀体的切割位置 因此视觉系统切割定位算法的设计目标就是通过图像处理识别生瓷片左右两边 点的空间连线保证空间连线与刀体直线重合以使刀体可以沿空间连线进行生瓷片切割对此首先将工作台生瓷片旋转至 连线与刀体平行的位置设转角为 然后驱动工作台沿 向移动一定距离 以使 连线与刀体直线重合这个直线便是刀体的切割直线可实现沿着切割直线直接进行切割如图设 是左 到左视场刀痕线(刀体初始位置直线)的距离是右 到右视场刀痕线的距离是左右 间的固定距离如果生瓷片旋转 与刀痕线平行则左右 分别从、转至、可通过公式()求取:()设直线 在 向平移 到达刀痕线如图 所示则 由两部分组成一是 到刀痕线的距离二是旋转所引起 点的移动距离 以左相机为例根据公式()可得 向平移量为:()图 工作台运动分析 其中:为左 点移动的距离同理可得右 点移动的距离为.由图 可知:若旋转中心不变旋转任意角度所引起的左右 移动距离的比值不变即公式()恒成立:/()其中:、分别为任意角度旋转后引起的左右 移动的距离 则:()()图 旋转关系示意图 从以上分析看出为了计算出工作台的转角 和 向移动量 必须先计算、及 对此采用 节提出的图像处理算法进行计算 太原科技大学学报 年 切割定位算法流程根据视觉定位系统设计目标及工作台运动分析设计了切割定位的图像处理算法如图 所示图 切割定位算法流程图 上位 端接收到图像后首先通过模板匹配的方法检测 图像的中心位置通过灰度值的变化确定刀痕图像(刀体在初始位置切割形成的图像)的刀痕直线位置 然后分别计算左右视场 到刀痕直线的距离、并将图像信息转换到工作台坐标系下最后计算 向移动量 和旋转偏移量 若符合要求则输出 和 若不满足进行误差修正 中心检测根据算法思路为了确定 到刀痕线的距离首先需要找到图像中 中心坐标对此采用模板匹配法进行 中心检测 假设已获取标准模板 图像 并已知其 不变矩、二值化图像 的边界坐标模板匹配法检测中心坐标的步骤包括:左右相机分别拍摄到左、右 图以左图为例首先对 图像 进行二值化得到 并提取 轮廓 接下来设定 的形心与重心平均值为初始中心选定 大小的矩形窗依次选取矩形窗内点为区域中心点与 的边界坐标形成新区域计算每个新区域的 不变矩 最后根据公式()计算新区域与标准模板的余弦相似度选余弦相似度最高的区域中心点为 中心坐标()()()()其中:是标准模板的第 个矩值是第 个待测 的区域的第 个矩值 的取值是:刀痕直线检测为了判断切刀的位置在生瓷片空白处进行初步切割以形成刀痕印记并拍照对刀痕图像进行处理提取出刀痕直线位置 首先左右相机分别对印记进行拍照得到左刀痕图及右刀痕图 以左刀痕图 为例对 反色得图像 对 在旋转角度 的范围内逐次进行仿射变换并对变换后图像按行求和记录所有角度下行像素和的最大值 寻找 对应的行索引 及角度 根据公式()确定刀痕线在图像 中的首、尾位置坐标()、()()()()其中:为输入图像的列数 首尾位置坐标确定后根据式()得到刀痕线的方程表达式:()其中:同理可得右图刀痕直线方程:通过左右视场中检测出的 坐标与刀痕线直线方程可得到距离、依据点到直线的关系根据公式()可得到如下:第 卷第 期 陈亚星等:基于图像处理的热切机切割自动定位算法 ()其中:()、()分别是左、右 的中心坐标 参数标定以上图像处理算法只是求出了图像坐标下的距离为了确定远心镜头下图像坐标系与工作台坐标系的转化关系需要对工作台参数进行标定 主要包括对工作台坐标系 方向与图像坐标系的列方向的比例以及工作台旋转角度 所引起的 方向坐标变化进行标定首先确定 方向与图像坐标系的列方向比例关系 如图 所示设工作台 向移动固定距离 左相机、右相机分别拍摄移动前后的 图像利用模板匹配方法提取出 的中心坐标计算 中心点对应的移动距离、则可求出左、右视场 方向的比例关系、图 确定 方向的比例关系/图 确定旋转角度的/度系数 /然后确定旋转角度所引起的坐标变化关系 如图 所示若旋转中心不变旋转任意角度所引起的左右 移动距离的比值不变 将转心设为位于工作台转心处旋转角度 为 选择位于机构转心处的一对 作为标记并将其移动至相机视场中间位置工作台分别拍摄旋转前后左右相机的 图像 由四个 的中心坐标分别求得左右 中心点的移动距离、由 向标定结果可根据公式()得到在工作坐标系下的距离、并由此得到、满足公式()的等式/()()/()计算 向移动量 和旋转偏移量 由工作台 方向标定可得、为:/()由旋转角度参数标定可得工作台旋转角度 为:()然后将式()、式()代入式()可得到工作台 方向平移量:()()令 所以式()、式()可整理为:()其中:()误差分析实验发现 方向移动量有误差可通过以下步骤对 方向进行修正即将平均误差 作为系统误差补偿到 中当 在视野上方(表达式为:)刀将向正向移动系统误差将作为正值补偿:()()其中:是 的垂直坐标 实验结果 实验测试及结果本节选取三组 对图像处理算法进行实验验证其样本图如图 所示图 三组 样本图 实验结果如表 所示 由表中发现旋转角度几乎为 结果保持稳定 所以只对 方向移动距离进行误差分析与矫正表 控制量计算结果 样本 组 组 组 向移动量/旋转角度/误差分析与修正如表 所示选取生瓷片上的两列 拍摄位置是相机拍摄到含有 时工作台的 向坐标位置 位置 是当 空间连线与刀体重合时的 向坐标位置 位置 是图像中 的像素位置表 实验基础条件设置 拍摄位置/位置/位置/表 中结果、分别是 空间连线与刀体重合时工作台 方向移动的实际距离和实验测试距离误差为二者差值表 实验结果 结果/结果/误差/表 误差修正结果 结果/结果/误差/通过表 可以得到系统误差平均值 为 将误差平均值代入误差修正模型后实验误差结果如表 所示实验表明系统测量与实际测量的误差在 宽度()范围内且达到 的加工精度满足视觉系统设计精度需求 结论本文结合热切机的热切工序原理对热切机工作台运动几何关系进行分析提出了一种基于图像第 卷第 期 陈亚星等:基于图像处理的热切机切割自动定位算法处理的热切机切割自动定位算法 通过模板匹配检测 中心坐标利用灰度值的变化确定刀痕直线 然后对工作台参数进行标定得到图像坐标系与工作台坐标系的关系计算 方向移动量和角度偏移量 最后对 方向移动量与实际测量结果进行了误差分析并改进 所提出的定位算法在配合热切机自动定位中取得 的加工精度提高了系统自动定位的便捷程度、精度参考文献:肖方生.机器视觉在热切机中的应用.电子工业专用设备():.赵忠志张奇巍.全自动热切机的设计与实践.工业设计():.钱苏湘.残余应力增强 多层基板的制备与力学性能研究.上海:中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所).贾耀平.基于 的滤波器设计与实现.成都:电子科技大学.乔璐李俊杨兴宇.基板激光外形切割研究.山西电子技术():王学军李雪松贺敬良.低温共烧陶瓷热切刀体控制探讨.电子工业专用设备():.王运龙宋夏邱颖霞.激光切割 基板工艺技术研究.电子工艺技术():.马世杰赵忠志.全自动 热切设备的技术研究.山西电子技术():.马清伍.基于偏差反馈的视觉系统在自动涂胶工艺中的应用.汽车实用技术():.苏贺.计算机视觉系统在工业机器人上的应用探析.湖北农机化():.王志刚张轲罗志锋等.爬壁机器人焊缝跟踪过程中的焊缝检测与识别研究.热加工工艺():.曾鹏.基于单目视觉的工件定位与机器人抓取技术研究.辽宁大连:大连理工大学.王晓华董煜文李珣等.一种提高机器人视觉系统参数标定精度的方法.机床与液压():.刘文波余和青马芳等.一种机器人视觉系统自动标定方法研究.日用电器():.钱飞立.基于显微视觉反馈的自动化超声微操纵技术研究.杭州:浙江大学.邓锦湖.基于双远心成像原理的滚珠丝杠检测系统设计.福建厦门:厦门大学.(.):.:太原科技大学学报 年