机器计算机视觉的应用－打孔机影像定位系统设计

连锦湮/凌华科技自动化产品事业部

    前言

    计算机视觉的应用大致上可以分成定位 (Location)、量测 (Measurement)、识别（Recognition）、缺陷检测 (Defect Inspection)四大类，其中以定位的应用最为广泛，机器视觉系统同时涵盖了多项功能，例如检视主机板上的电子组件。机器视觉也可以用来控制机械手臂，在机械手臂上加装CCD，利用影像辨识的定位，带动机械手臂来做一些高危险性的医疗研究，例如：病毒研究、药物混合等，都可以用这种方式来做控制，除了精准之外，对人类的生命也比较有安全保障。

    影像定位后的坐标转换

    市面上影像比对的函数库(Library)很多，使用者可以自行选用合适的函数库。本文以下所提的系统采用Euresys公司开发的 eVision EasyMatch，这是一种基于灰度相关性的图像匹配函数库，速度非常快，而且能够达到次像素(sub-pixel)精度的匹配结果。对于旋转、比率变化(缩/放)和平移等，都能精确找到模板图像(Golden Image)的位置。故本文仅对影像定位后的二维坐标产生的“位移”与“旋转”做探讨。

    坐标位移

    坐标旋转

    坐标位移+旋转

    遇到同时发生坐标位移&旋转时，先计算位移，再套用旋转的公式，即可算出最后的结果。

    系统架构

    本系统为介绍如何设计出结合“机械运动”与“计算机视觉”的自动化定位系统。

    基本架构

    ●GEME-3000主控制器： 含HSL控制卡, 安装Windows® XP操作系统

    ●3-Axis定位平台：三菱伺服马达+滚珠螺杆

    ●运动控制器：HSL-4XMO控制模块。

    ●计算机视觉组件：使用IEEE1394 CCD采集影像，利用Euresys eVision的EasyMatch进行影像比对(Pattern Match)，作定位偏移的补正计算。

[图1] 系统架构实机图

    系统流程

    本系统为介绍如何设计出结合“机械运动”与“计算机视觉”的自动化定位系统。

    系统校正

    ●Mitsubishi 驱动器调校：10,000 pulse/roll

    ●滚珠螺杆的螺距vs. Pulse/Roll：

    ●如，螺距=10mm/roll，10,000 pulse/roll à 1um/pulse

    ●F.O.V. (Field of View) 的选定：F.O.V.要大于定位点的大小，太小à可接受的“初步定位”误差变小；太大à因定位点影像太小，影像定位误差大。

    ●CCD工作距离的选定：工作距离要大于打孔顶针，以免对焦时打孔顶针撞到工件。当F.O.V.及工作距离确认后，即求出 LENS & Ext. Ring。

    教导作业

    ●启动系统3轴回Home，待3轴回定位后，再由人工将工件置于3轴之定位平台上并作“初步定位”；

    ●手动控制Z轴缓慢下降，使其接近定位平台上方 (约0.5~1.0mm)；

    ●手动控制X/Y轴，使打孔顶针刚好在工件第一个孔位上方；再将Z轴缓慢下降，使其插入第一个孔位内。如定位不准，可以手动移动工件，使其定位更准确。

    ●精确定位后，将Z轴上升至CCD的实时影像可看到完整“定位点”后，执行下列“流程图” 。

    自动定位

    ●由人工将工件置于3轴定位平台上，作“初步定位”后并启动本系统；

    ●系统会驱动3轴定位平台将CCD移至定位点上方 (2个不同位置)，取像并利用已 “教导” 之标准影像做“影像比对”作业，

    ●计算出“初步定位”之偏移量(Shift X/Y) 及 旋转角度

    ●通过“极坐标转换” ，重新计算工件上所有孔位的新坐标

    结语

    机器视觉系统应用在现今的工业上，不但大幅的提升了工业的生产力，而且增加了使用者的能力。机器视觉系统适用在哪些领域中：
    1. 需要显微镜或放大镜配合的工作，长期使用放大工具对视力将会造成很大的损害，且操作人员的素质也成为检验上不定的因素。
    2. 高危险工作环境，例如高温、低温、真空、高压、高噪音、高量辐射、高电压、大电流的工作环境。
    3. 重复性工作，一成不变的工作容易造成操作人员的倦怠，容易产生疏忽而受伤，或有怠工的现象，而机器视觉能二十四小时无休止的工作，且能在高速下执行检查，而检视的准确度也能控制在较稳定的程度之内。
    4. 需要快速处理的状况，如军事武器操控，实时、大量的生产线。
    5. 高精确性工作，如量测、定位、对象判别。

    参考数据

    [1] ADLINK PMC-7852 user manual
    [2] ADLINK HSL-4XMO user manual
    [3] Euresys eVision user manual