TWI316652B - - Google Patents

Description

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【發明所屬之技術領域】 本案創作係為一種應用於NC沖孔機之視覺導引系統， 利用一 X γ作業平台，其上裝置一單組CCD ( Charge_ Coupled Device電荷耦合元件），藉由此套機器視覺工作 平台系統之軟硬體整合，並配合最佳沖孔路徑規劃，進 軟性電路板的鑽孔作業，由於軟性電路板材質具有伸縮 性，因此藉由視覺輔助導引修正，以提昇精度和速度之要 求，其作業流程先由張力控制系統做機械粗略定位至影像 丨之範圍定點内，再藉著CCD擷取影像作視覺迴授至ρ^ 控制器進行定位微調補償後鑽孔，再利用ccd做基 -準孔位之檢測，之後利用GA做其餘孔位之最佳路徑鑽孔， 以完成高精度定位鑽孔要求。 【先前技術】 目前軟性印刷電路板生產製程中，基板材料收縮一般 難以控制的，對軟性電路板之單品成形尺寸公差來講相對 降低；尤其以高科技產業LCD之相關產品結合方式，帶來 相當大之影響，而設備製造業者受限於模具成型技術之限 制’造成軟性電路板之定位加工精確不高（如蝕刻成型孔 丨·、模具成型孔）之影響’往往無法提昇產品品質。故為了 提高市場競爭力，降低廠商成本費用的支出，著手開發一 套具視覺輔助定位的設備’並將此技術應用在其他軟板生 產相關βχ備上’使軟板產業能快速昇級，也讓使用廠商可 以用較低廉價格取代同等級之國外產品，並進一步擴大機 、台製造商機電領域之運用層面’以使技術本土化，提升國

I *·—^- 齡柳4 q i；|轉換頁 1316652

M, m?A(\9Q 五、發明說明（2) 内軟板製造商之競爭優勢。 槎介面對業界品質要求日漸嚴格之趨勢，少量且多 樣化的市場雹炎，丨、里且夕 揚播If求 及因應我國加入世界關貿組織後之市 改谁爭”素’提昇軟板設備製造業往自動化方向： 文1，已是刻不容緩的事情。以往傳統定位控制設備 的方式做定位教導後，記錄各移動位置的脈波 t應用。此-定位方式經實際驗證發現，纟易在： 後產生金屬疲勞、機構的磨損’導致機械誤差量增大 使機台校正作業變成是經常性工作，如此不‘工 作效率降低及成本增加，且會延誤顧客交期，尤 產生變動性差異，無形中對商機產生非常大 響。、β 【發明内容】 ψ 為了降低設備建置成本及掌握相關技術，研發一 視覺辅助定位的設備，並將技術應用在相關設備上，、 業能快速昇級，並可以較低廉價格與服務取代國外 ;故本研究計劃以台灣優良的製造能力與人才優勢 一臺軟性電路板自動化視覺導引沖孔系統之設備，: 設備之創作主要目的在於： 此糸統 1. 設計出優良的影像處理定位控制程式。 2. 使用無張力感測元件之控制系統，以節省成本。 3. 利用數值模擬軟趙與GA的結合，去模擬張力控 響應，不但可以節省人工校正調整參數的時間，且=: 知響應效果，避免直接撰寫程式的錯誤，且在實測階段可

第6頁 1316652 案號 94124029

JE_R 曰 修- 五、發明說明（3) 隨時修改數據，求得系統參數。 經由落實以上技術自主性及本土化生根並拓 術之關聯性，提昇國内工業技術水準，滿足電子 生產及工具機業之高精度、高速化之技術需求， 佳之外銷實績。 目前本創作是利用一 ΧΥ作業平台，其上裝 CCD(Charge-Coupled Device，電荷搞合元件）， 機器視覺工作平台系統之軟硬體整合，並配合最 徑規劃，進行軟性電路板的鑽孔作業。由於軟性 >質具有伸縮特性’因此藉由視覺辅助導引修正， -度和速度之要求。其作業流程先由張力控制系統 略定位至影像之範圍定點内，再藉著Ccd擷取影 迴授至PC-Based控制器進行定位微調補償後鑽孔 CCD做基準孔位之檢測，之後利用以做其餘孔位 徑鑽孔，以完成高精度定位鑽孔要求。藉由視 閉迴路系統控制，可省去原先因機械誤差而 常性定位校正工作。 貝 【實施方式】 丨f系統設備主要應用於軟性印刷電路板之定 為能達到高精度、高速度、高0 相· . Γ λ 尚質的精密控制， 對.（一）機械視覺輔助修正、（-) 二 參數調整及最短路徑夂)二以 要系統做一整合性的創作；其中. 展關鍵技 業自動化 以創造更 置一單組 藉由此套 佳沖孔路 電路板材 以提昇精 做機械粗 像作視覺 ’再利用 之最佳路 迴授而作 進行的經 位沖孔， 本創作針 統及（三） 三大主 1316652 ^ _ 案號 94124029 五、發明說明（4) (一）機械視覺輔助修正 年 月

B 修正 月Φ.靡:㈣頁 為能縮短程式開發的時間’本創作採用一般市面上的 影像擷取卡’配合附屬之影像處理函式，再利用 c + +程式 語言撰寫應用程式’經由機械定位至鑽孔定位點附近，再 透過CCD^取影像’萃取樣板（Temp 1 ate)之特徵值，利用 圖形比對（Pattern Matching)影像處理技術，和擷取之影 .像進行比對，得到參考座標’再經過座標轉換，經由伺服 系統進行誤差修正，待定位完成之後隨即沖孔作業。（請 參閱第1圏所示為系統軟體處理流程圖、第2圖所示為視覺 癱統架構方塊圖及第3圖視覺系統流程圖）。 :上述之視覺伺服視覺伺服是指經由攝影機提供視覺回 授資訊進而進行閉迴路之控制以構成一視覺伺服系統，必 Μ整合多種領域之研究成果，包括影像處理、機構學運 動學（kine-matic)、動力學（dynamic)及控制理論。而就 視覺飼服系統之攝影機擺設方式而論可分為：（1)攝影機 固定在移動平台上（6乂6-111_11311(1)及（2)攝影機固定在工 平台上。 定位座標的取得方式有三種：（1).直接將位置座標輸 _，此方法適合少量多樣化不同孔徑的鑽孔。但如果數量 多時，谷易因人工輸入產生錯誤，且將導致後續錯誤檢 查乾時費力。（2).讀取電路設計軟體（如Pr〇teh pCAD ' OrcadPCB等）的鑽孔檔或者底片檔，解析其檔案儲存格 式’然後將其座標和鑽頭大小等資訊轉換成可以直接處理 的格式及（3).是教導輸入’也是一般業界最常使用的方法

生一月 曰 1316652 --^S_94124029 五、發明說明（5) ’匕是利用外力移動運動轴記錄此時光學尺迴授座標或利 用飼服作定位座標的獲得，或者自動移·動CCD的鏡頭位置 ’經由自動找尋CCD可視範圍内的鑽孔位置的座標並記錄 ，詳述如下： 1 ·手動輸入法一主要為手動輸入定位座標資訊，供基因演 '算法做最隹最短路徑規劃。 另外並增加儲存座標陣列到電腦檔案，可以利用電腦 進行編修輸出。程序步称如下： jl )、先建立X、γ各3 〇 〇點陣列，並將初始化為零。 W2 )、設定X、γ座標輸入值限制，並警示超出範圍則顯示 錯誤’並將此點座標歸零。 (3) 、圮錄輸入座標後，替換相對應的陣列值輸出至預 覽座標圖，並將輸入點數遞增1。 (4) 、利用While-i00p重覆替換，直到全部座標點數輸入 完成。 (5) 、將X、Y陣列依輸入點數瘦身，並儲存至檔案中。 2.讀取電路設计軟體的鐵孔檔___依據上游廢商所提供之孔 位座標檔，但軟性電路板於製程當中會遭受應力等^響， g =軟板產生形變，與原先所設計之孔位座標也就會有所 3.自動教導設計--本座標的教導設計，是利用和影像辨識 核心的相同技術。首先進行χγ軸歸零作業，輸入搜尋面積 ’利用影像對機械比例進位法轉換成迴圈執行次數。在記 錄類別個數後，建立類別名稱陣列和建立選項。輸入啟=

131^2案號9 五、發明說明（6) 位置之絕對座標，並事先儲存 絕對原點之座標轉換^將目前 動時採絕對座標。機械移動至 後列的順序進行孔位搜尋，若 板資料做判斷，去選擇分類孔 名稱’得到已記錄點數和資料 類輸出至檔案中，以利後續路 移動次數的計算為搜尋區 的xinm’其中視覺移動距離為 • ’再無條件進位，確保剩下 尋。而Y轴移動次數亦同理可 ’大多仰賴人工目測、手動定 擇分類，如能研擬具光學文字 經由XY自動移位，辨識其孔位 將疋未來可以繼續研發的方向 自動教導搜尋範圍示意圖 影像的前置處理作業流程 圍很廣’從光源開始到CCW暴 if ' cpu處理器、人機操作介 體的系統運作等等，中間牵涉 都有’每一個環節都至關重要 曰 月 目前位置作為 位置重置為零 啟始位置，自 搜尋到可能的 位。並記下孔 。最後將已記 徑規劃排序用 域的 Xminl^以 經過影像對機 的搜尋區域亦 證。現階段教 位或半自動定 識別 OCR的影 符號，各別分 。（如圖式中 中，數位影像 影機、影像擷 面、運動卡、 到從硬體、軟 ，但如以時間 曰後轉換成對 ，因為機械移 動運動以先行 孔位，則以樣 位記錄點數和 錄的XY座標分 Ό 視覺移動距離 械比例轉換而 能進行教導搜 導程式之輸入 位再經人工選 像處理功能， 類歸檔記錄， 第11圖所示為 處理包括的範 取卡、連接介 機械動作做整 體到理論基礎 消耗來說，影 像的前處理好壞影響最大，但最新的趨勢則朝利用物理特 性解決’避免前處理程序太多所花費的時間。實現一項影 像處理任務所需的基本步驟有很多，處理中的第一步是影

第10頁 1316652 索號 94124029 五、發明說明（7) 像獲取(image acquis 像。要完成這一步，需 所產生的訊號數位化， 機，每1/30秒它產生一 可能是線掃描攝影機， 情況下，物體的運動透 影像，如CCD。如果攝 數位形式的訊號，則需 數位化。感應器的類型 >應用方式確定的。

ition)，即獲取一幅類比或數位影 像感能對由感應器 =可以是單色或彩色電視攝影 ΐ幅問題域的影像。成像感應器也 匕一次能產生一條影像線。在這種 過該線掃描攝影機就產生一幅二維 影機或其它成像感應器的輸出不是 要用一個類比-數位轉換器A/D對它 以及由感應器所得的影像形式是由 得到一幅影像後，第二步是對該影像作前級處理。前 級處理的主要目的是改善不良之影像，以便增加後續處理 的成功機會。一般前級處理包括增強對比度、濾除雜訊以 及分離出其紋理與字元資訊相像的區域等等。（如圖式中 第12圖所示為影像處理之基本步驟）。 第三步是對進行分段，按廣義定義，分割（segmenta_ tion)是自一幅輸人影像中分離出它的目標物與背景物。 通常’在數位影像處理中，自動分割是最困難的任務之一 •如 果原始影像不清晰的情況下）。一方面，一種強健的分 割方法也要花費很長的處理過程，如此達不到完滿解決。 而另一方面’簡單的或有誤差的分割演算法也總是導致最 後的失敗。分割這一步的輸出通常是原始的像素數據’它 構成一個區域的邊界或在該區域内的所有點^在這兩種情 況下，將這些數據轉換為適合於計算機處理的形式是必要

第11真

1316652 -----案號 94124029 五、發明說明（8) 的。首先要決定的是這些數據靡 區域。當我們關心的是外部形狀示為邊界還是完整的 ，邊界表示是合適的。若關心的β 例如拐角和彎曲時 内部特性時，區域表示是合適，紋理或骨架形狀的 示是同時存在的。在本創作中 ^些應用中，兩種表 標諸，需要以邊界形狀為基礎的算:域為四方形之姓刻 座標β而本設備創作中，因得之用以計算其中心 已經有效抑制一些雜訊的產、：：合理光源的選用 丨可見，所以在影像分割方面：不：：：與目標物之間清晰 的計ίΠ法的選擇僅僅是將原始數據轉換為適合於後續 來描述這歧數棱，以俤隹山還要確疋一種方法 Dtin .:數據以便突出感興趣的特徵。描述（deScri- 一此威mi稱特徵選擇（featUre Selecti〇n)，它提取出 興趣的定量資訊的特徵或為了將一類物體和其它物 品刀開所需要的特徵。最後一步包括識別和解釋。識 :〔e^〇gniti〇n)是對一個物體根據由其描述所提供的資 訊才曰疋個標記的過程。解釋（interpretation)是給出被 識別物體的含義。例如要識別出一個字元C，就要求將這 ’個字70的描述子與標記C連繫起來。解釋的目的是對一組 已標記的字元給出其含義。例如，一個5位的數字串或5位 數字串後跟看一短劃線再跟看4位以上的數字可以被解釋 為一個郵政編碼。 如圖式中第12圖所示之知識庫（knowledge base)和 處理模塊之間的交互作用。問題影像的知識是以知識庫的 形式被編進影像處理系統中。例如指出一幅影像中感興趣

HH ____ — 第12頁 這樣就 能是相 毛病的 解析度 作，知 庫之間 單頭箭 以應該 機器得 知識， 含義。 各模組 位數的 懷疑兩 割的步 用知識 1316652 五、發明說明 的資訊所在的 索範園。知％ 題中所有可能 中包含，個區 指導各處理模 用。處理模組 各處理模址之 組之間的通訊 基礎*·例如， •，必須給系 的其它成分的 作’也透過知 串位置正確但 可能會導致解 庫將回授要求 現影像處理任 94124029 區域， 庫也可 的主要 域的高 組的工 和知識 間是用 通常是 為了使 統賦予 位置的 識庫在 只有四 釋模組 迭給分 務中利 限制了為尋找 當複雜的，例 相互關係表或 衛星影像的影 識庫還控制模 的關係用雙頭 頭連接的。這 是什麼結果這 出一個字串是 使它能識別字 該知識不僅指 之間實現回授 數字（其中的-個數字連在一 驟讓它再做一 的一個例子。 該資訊所需的搜 如在材料檢驗問 在變化檢測應用 像資料庫。除了 組問的相互作 箭頭表示，而在 個圖說明處理模 樣的先驗知識為 郵遞區號的結 串相對於地址攔 導各模組的工 功能。例如，— "位未能被識別） 起了。透過知識 次處理就是在實 不是所有的影像處理應用都要求包括 交互作用。很多實際的應用是由外面的一 .能完成的。事實上，在某些情況下，也 I都需要。例如，對於人的視覺解釋所需 只需要前級處理能這一模組。一般來說， 的處理功能是與影像分析應用有關的。 影像邊界之搜尋： 在上圖的複雜的 圈，路所提供的 不是所有這些棋 的影像増強往往 L括識別和解釋

第13頁 1316652 案號 94124029 曰 修· 五、發明說明（10) 在參考圖形的邊界處，灰 ep)，如第13圖所示理想狀態 ’在理想的狀態下，成像之後 分佈，也應呈現一個步階分佈 所在的位置，也就是說，邊界 到。 然而，一般的影像擷取系 此’當圖形經過CCD攝影機、 像等處理以後，所得到的影像 >常都無法達到理想的步階分佈 的情況，如第14圖所示實際情 圖。 換言之，所得到的影像， 情形’因此，會有好幾個像素 點而失去正確性，若要判別真 也就比較困難。 以下為一個灰階梯度值的 階值的分佈為一個步階（st-影像邊界灰階值分佈示意圖 的影像’其邊界處的灰階值 ，而可以清楚地分辨出邊界 剛好被單一個像素點所擷取 統，都是數位化的系統，因 影像擷取卡取樣、量化、成 ，其邊界處灰階值分佈，通 ，而呈現斜坡狀分饰（ramp) 況影像邊界灰階值分佈示意 其邊界處大都會發生模糊的 點，都有可能被認定為邊界 實邊界所在的位置，相對地 概念，就灰階梯度說明如下 丨1.將影像座標上某像素點的灰階值記為g(x，y)，亦即座 標值為（x，y)的像素點，其灰階值為g(xy)。 2.針對座標值為（x，y)的像素而言，其在X方向的灰階梯 度值為：

Gx C^c, = 1 / ligdx + 1, χ yy> 而在Υ方向的灰階梯度值為： >») = !/ 2C^C^, y + vy — g(jK, y —1))

第14頁 1316652

五、發明說明（11) 就影像而言，其在真實邊界處的灰階值的 大’ T此可利用灰階梯度值的概念，來列定其 法則是利用一XY平台，以微步或自動進給的方 的邊界處附近搜尋，找到灰階梯度值的絕對值 地方’即可求得真實邊界所在的位置。 影像邊界之中心座標設計流程： 本設備之影像處理，最主要的目的是找出 .座標’然後再根據實際影像與CCD中心影像座 ’計算其差異值並利用伺服馬達來做位置之修正 所不為影像邊界之中心設計流程。其詳細流程 1. 命令影像擷取卡擷取影像。 2. 使用 minimum error threshold 的方法，將 像二值化，二值化之後得到的影像，每一個像 皆只有〇與255，亦即只有全白與全黑兩種，如 界特性更加明顯。 3. 對二值化後的影像，來搜尋邊界的座標值， 下： _( 1 )由影像座標的原點開始搜尋，若為水平校 而右，逐欄（column)上往下搜尋每一個像素點 若為垂直校正’則由上而下，逐列（r〇w)由左 一個像素點的灰階值。 (2)搜尋時，在每一攔（列）中，若連續搜尋到1^ 灰階值皆為0時’則表示這些連續N個像素點中 變化量為最 邊界處，方 式，在可能 最大發生的 影像之中心 標之差異， ，如第15圖 敘述如下： 所擷取的影 素的灰階值 此可以使邊 搜尋步驟如 正，則由左 的灰階值， 向右搜尋每 個像素點的 ，第一個被

第15頁 94124029 Λη 1316652 ----- 五、發明說明（12) — 搜尋到的像素點，為 下來取禍丨 了能的邊界點之 將其座標值紀錄 過小’可能會將雜訊點誤判為邊 大 則可能舍请溫7 士 和取過 未完成之前，參考圓j正的邊界點意的I在校正 ’所以此時所得到的f的邊界並不一疋與t像座標軸平行 同一列（攔）。 的所有初始邊界點，不一定會全部都在 4杳2整最佳之邊界閥值並劃出目標值的區域’為了對較不 影像也能得到完整之取像範園，我們在程 動的調整最佳之邊界閥值選擇開關，可以用來做最 正以觀視其所取之影像是否符合所需，它可根據來 影像之好壞，利用人的眼睛判別出所取之影像符合所需 如此/、要來源影像不模糊不清必能找出符合精度之影 像。不過上述求取影像邊界之部分有一先決條件，每一個 來源影像的差異點不可太大，進而影響區域辨識的精度。 5.取得邊界四角座標並計算其中心值，一般在未經過二值 化處理之前’如須求得目標物之中心座標，則利用影像分 割之後’影像中的物體已經被獨立出來，這時候我們可以 對物體的幾何特性加以分析算。底下為中心點之計算方 法： (1)未經過二值化處理之前的影像 物體中心點座標（X〇, y〇)可用以表*物體的落點所在位 置’其數學式為其中N為物體點素數目’X為物 體點素的橫座標值加起來，y為物體點素的縱座標值加起 來，利用以上式子可以很容易求出中心點座標（x0, y〇) 月o te修正替換頁

㈣2索號__ 五'發明說明（13) (2)經過二值化處理之影像 物體中心點座標（x0，y0)之求得，主要是利用上述 法=取出影像’再由左至右，由上至下掃描每個 ·::，找出與所設定之閥值點數相同者，做為邊界之最大 利Ϊ此點劃出水平和垂直之線條圍成目標區域，最 算出中心點座標(x0，y0)。（如第16圖所示 為尋邊之後的邊界區域圖）。 (二）定張力控制系統 具有張力感測器之迴授控制架構，由於可直接 吉=為容易達成高精密度之張力控制設計。但 ί:::捲繞物的品質，故此種控制架構較不合適高速! 本創作所採用的方法，主要是透過開捲半徑量之估 ’由定張力值計算馬.達隨半徑A小變利 用轉矩迴授控制間接達成定張力控制，其中二： 獲得，基本上，定張力控制是藉由馬達 ^的編碼器’讀取馬達之轉動位移角，經估算後得 •張徑值，再由計算張力設定值，即可得定 張力對應的馬達轉矩參考命令。而轉矩控制 矩估測器’估測捲繞過程中，捲物張力 ，控制之目的，如此就不必直接藉助張=測= 凡成疋張力控制（請參閲第6圖所示為定張力系統控制方塊

丨齡4泠6 U;::

—------ 五、發明說明（14) 圓、第7圖為定張力控制硬體示意圖）。 本案藉由數值模擬軟體進行捲繞 ，並根據一物理關係式，將完整系統析 並利用電腦模擬分析系統之動態響,式建立起來， 成本，採用-種無張力感測元件之閉迴降 統的迴授訊號，以達到閉迴：轉=制並二此作為捲繞系 迴路定張力控制之要f 轉控制’進而間接達成閉 ，節門ίΠ:::調節捲取馬達之轉速，$ -方面同時調 控制，其中捲取邑，金夕速度定力的閉迴路同步 控制其中捲取馬達之轉速與開捲馬達的轉矩 物半徑的變化而改變（請參閱第4圖 ，^ 力控制系統架構圖）。 為本案創作之定張 其中、上述捲取馬達與開捲馬達間之張力的數學 ，以捲取馬達與開捲馬達捲繞間的數學模式純，因有: 帶的連接，捲帶之間的拉力不管對捲取馬達或是開捲馬達 來說，皆可規為一外界的干擾源（捲帶與輪轴間之磨擦力） ，若假設兩轴之間的長度不變，且兩轴之間的捲帶張力值 I成均勻分佈的情況之下，捲帶張力值可為F = Edx，其中Ε為 捲帶之彈性係數，dx為捲帶經拉伸之後的微小變化長度。 結合以上之定速度控制系統與定張力控制系統，可描 繪出整體控制系統架構圓，進而達到捲取馬達能在張力之 限制之下完成定速度的控制，開捲馬達能在速度之限制之 下完成定張力的控制，最後達成定速度與定張力之控制系

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941瓣---~土 月 a 俨τ 五、發明說明（15) - 广第8圓所示為整體之控制系統方塊圓囷式中⑴ 為實測之張力迴授值’（2)為估測之張力迴授值）。 (二）=A對PI參數調整及最短路徑規劃之最佳化程式設計 PI,:J器是-個滯後_超前控制器的特例已成功地 :用則艮多工業控制系統中，包括位置伺服系統。由於位 置伺服系統通常對控制性能有較高的要求，更增加了人工 整的困難。本創作利用近二十年來發展起來的-，仿生物進化機制的隨機優化算&，稱為基因遺傳演算法 (GA)，其特點是不需要問題的結構信息，也不會因為碰到 局部最優而失去找到全局最優的可能性，而且算法本身應 ，簡單（該基因遺傳演算法之基本流程圖如圏式中第9圖所 不），使它成為高效的ΡΙ控制器參數調整的算法。（而？1控 制器最佳參數搜尋步驟如第1〇圖所示）。 利用GA對ΡΙ控制器之參數調整，除了可避免ρΙ控制器 之參數初始值的設定問題，也能得到良好之動態響應。 本創作利用數值模擬軟體輔以電腦語言程式的聯結’ 以找出最佳PI控制器之參數優化解（請參閱第5圖所示為 GA對PI參數調整之系統架構圖）。 根據本案創作之設計，其模擬結果與分析如下： 一、影像尋求中心座標之程式設計 依據影像邊界之中心設計流程的每個步驟，經程式模 擬之後可得到以下之成果： 1.在擷取影像方面，首先打光設計部分，必須考慮光源取 得容易、裝設簡單，一般都採用正光源的方式，但實驗結

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五、發明說明（16) 果因待測物為軟性印刷電路板銅落，反光強度太高無法做 有效成像，故本創作更改為背光源設計方式來改善*，'、 此方法在光源應用在待測物體輪廓時機，可提供影 之對比’且容易裝設。光源的顏色也影響實驗結果； 採用紅色LED ,經實驗證明可與軟性印刷電路板產生很= 之對比，以分離出目標物且壽命較長、價格低廉、 〇 2你本創作以經打光之後的清晰影像（如第17圖所示清晰影 f尋標）、歪斜影像（如第18圖所示歪斜影像尋標）與較模 糊影像（如第1 9囷所示較模糊影像尋標）做尋求中心之比較 ，可知在閥值為97時得到較好之中心點座標。 二、PI張力控制系統之模擬結果 本設備為軟式印刷電路板的張力控制系統，其主要目 $是能在無張力感測器的情況下，達成定張力的控制，為 =實際預測控制系統，採用數值模擬軟體預做模擬，並用 調整PI控制器之參數’以達成最佳之模擬效果；最後 再利用電腦語言產生c語言程式碼，與影像控制系統結合 ’做為本設備之系統控制。（如第20P圖所示為張力系統的 丨初始模擬數據）^ PI智慧型GA參數調整效能評估： 為解決傳統的PID控制器參數調整的整定不足，通過 f十響應曲線，求出控制性能的指標，即最大超越量、穩定 $間及上升時間，然後利用GA建立規則對PI控制器進行 數調整更新，以找出最佳解。本文以母代數15〇、子代

第20頁 1316652 . |(f和3月¢4日修正替換頁 -- 索號94ΐ24η洲__年 月 日 .修正 …一~. 五、發明說明(17) 數130及代數1〇為控制模擬依據，並利用多目標的權重法 則’求得最佳解^ (如第21圖所示為定速度調整法響應曲 線圖比較〔圖中MOGA為多目標最佳化遺傳基因演算法〕、 第22圖為定張力調整法響應曲線圖比較、第23圓為控制器 參數調整比較）。 mov，mof :速度與張力之最大超越量。 tsv，tsf :速度與張力之穩態時間。 trv，trf :速度與張力之上升時間。 分析PID參數整定發展的基礎上，指出傳統P1D參數整 定具有物理意義明確、易於掌握的優點以及其參數優化不 夠的缺點’但隨著智能控制理論的發展，模糊控制、基因 演算法及神經元控制曰益受到控制界的重視，以本文來講 透過對PI參數整定的調整，可以得到優於一般傳統P1D參 數整定方法。對現行P1參數自整定的方法做評述，指出 P1參數優化的特點。揭示先進控制理論^整定的方法融合 新型PI控制器產生的途徑。 張力控制系統模擬的效能評估： 令線速度定為1500(mm/s)，根據公式可得到捲取馬達 _的初始轉速應為100(rad/s)，開捲馬達的初始轉速應為33 .3 (rad/s)。在模擬階段捲取馬達的轉速會隨半徑值增加 而遞減’而開捲馬達的轉速則會隨半徑值遞減而增加。其 轉速變化情形’可經由模擬結果得到驗證。並經由以下之 比較得知使用GA調整法則優於試誤法調整（如圖第24圖所 示速度響應比較結果及第25圖所示張力響應比較結果）^ M0GA張力控制模擬結果（如第26圖所示）：

第21頁 1316652 ^ 案號 94124029 五、發明說明（18) 考慮線速度命令為1500(nini/js) 的情況之下，由上圖之模擬的結果 態之後維持在500(mm/s),張力值 在0. 5 (kg)之要求。在張力控制器 達所受之干擾轉矩與估測器所估得 狀態估測器可由估測方式獲得所需 等線速度與等張力控制理論之可行 本創作成功引用基因傳演算法 i理論應用於軟式印刷電路板沖孔系 經由PC-Based視覺輔助定位系 控制卡，再配合友善之人機介面， 沖孔達到機械視覺控制之目的。為 小’本文利用轉矩估測器，對開捲 以此作為捲繞系統的迴授訊號，以 進而間接達成閉迴路定張力控制之 半徑估測法之可行性，係可即時預 計算定張力條件下開捲馬達之匹配 智慧型之PI控制器參數調整的基本 ►軟體強大的模擬機制，再根據訂定 標值，並融合多目標-GA的思想， 可讓系統趨於穩定的狀態。 藉由本創作之視覺導引系統設 用效益： 利用本案創作成功引用基因傳 月日修正替換頁 ，整力命令為0· 5(kg) ’可知線速度值在達穩 則在達穩態之後維持值 方面，由上圖知開捲馬 之轉矩值，由模擬得知 之狀態變數。結果顯示 性。 、影像定位及張力控制 統之研發上。 統、影像擷取卡及運動 可以有效利用影像定位 了實際控制輸出張力大 馬達進行轉矩估測，並 達到閉迴路轉矩控制， 要求。由模擬結果可知 估捲軸之半徑，並藉以 轉矩值。提出了基於GA 方法’經由數值模擬 的性能指標曲線迴授目 經模擬結果可知，確實 計得達到如下的產業利 演算法、影像定位及張

年

]31όό^2 案號 9419仙9〇 五、發明說明（19) 力控制理論應用於軟式印刷電路板沖孔系統之研 由辅助定位系，统、影像操取卡及運動控制卡 到面，可以有效利用影像定位沖孔達 ，斜ϋϊΐ控制輸出張力大小，本創作利用轉矩估測器 j開捲^進行轉矩估測’並以此作為捲繞系統的迴授 制以達到閉迴路轉矩控制’冑而間接達成閉迴路定張 力控制之要求。 ^ ^ 結果可知半徑估測法之可行性，係可即時預估 i ’並藉以計算定張力條件下開捲馬達之匹配轉 。提出了基於GA智慧型之？1控制器參數調整的基本 M =由數值模擬軟體強大的模擬機制，再根據訂定的 M = 曲線迴授目標值，並融合多目標_GA的思想，經 „ . 〇可知’確實可讓系統趨於穩定的狀態。以下為本 研究之具體成果。 r 打光刀’採用背光及紅色光源’經實測之後’對FP 二質：：，可得到最清晰之影像。 ^ ^ 控制系統：能在無感測元件之下，經由軟鳢程式 ^能雜人盘^到定速度與定張力控制，在高速之情況之下也 3Hi並減少感測元件之費用支出。 ' 數值模擬軟體與GA的結合，可以節省人工校正調整 的?間、避免直接撰寫程式的錯誤及實測中隨時修改 數據’求得系統參數。 4,本設備在機構之研究上，利用簡單之設計在沖頭機構設 _ 一 第23頁 1316652 窠號.94124029 曰 修正 日修正替換頁 五、發明說明（20) 計與自動整料設計方面，對沖孔速度和材料偏差方面得到 明顯成果。 5.通過GA對PI控制器之參數調整，穫得最優或次優的控 制器之參數，利用多目標-GA整定並經由模擬，可以得到 非常優良之黎應曲線。 嗣而，本案創作「應用於NC沖孔機之視覺導引系統」 不但具有高度的思想創作技術，且於產業實質運用上更具 有優異的產業利用性與經濟效益性。

第24頁 修正

年月日

1316652 _案號 94124029 圓式簡單說明 圖式簡單說明】 第1圖：本創作之系統軟體處理流程圖。 第2圖：本創作之視覺系統架構方塊圖。 第3圖：本創作之視覺系統流程圖。 第4圖：本創作之定張力控制系統架構圖。 第5圖：本創作之GA對PI參數調整之系統架構圖。 第6圖：定張力系統控制方塊圖。 第7圖：為定張力控制硬體示意圖。 第8圖：整體之控制系統方塊圖。 第9圖：基因遺傳演算法之基本流程圖。 第10圖：PI控制器最佳參數搜尋步驟。 第11圖：自動教導搜尋範圍示意圖。 第12圖：影像處理之基本步驟。 第1 3圖：理想狀態影像邊界灰階值分佈示意圖。 第1 4圖：實際情況影像邊界灰階值分佈示意圖。 第1 5圖：影像邊界之中心設計流程。 第16圖：尋邊之後的邊界區域圖。 第1 7圖：清.晰影像尋標。 第18圖：歪斜影像尋標。 第19圖：較模糊影像尋標。 第20圖：張力系統的初始模擬數據。 第21圖：定速度調整法響應曲線圖比較。 第22圖：定張力調整法響應曲線圖比較。 第23圖：控制器參數調整比較。

第25圖：張力響應比較結果。 第26圖：MOGA (多目標最佳化遺傳基因演算法） * y] 3¾ 制模擬結果。 【主要元件符號說明】 CCDCharge-Coupled Device 電荷搞合元件 PC-Based電腦為基礎 • GA遺傳基因演算法 LCDLiquidu-Crystal - Display 液晶顯示器 Protel電腦輔助設計軟體 PCAD電腦輔助設計軟體 OrcadPCB電腦輔助設計軟體 while-loopWhile 迴圈 A/D類比/數位 minimum error threshold 最小誤差閥值 LEDLight Emiting Doide 發光二極體 • M0GA多目標最佳化遺傳基因演算法 FPCFlexible Print Circuit 軟式印刷電路板 mov速度之最大超越量 mof 張力之最大超越量 tsv速度之穩態時間 tsf 張力之穩態時間

第26頁 1316652 案號 94124029 年月日 修正

圖式簡單說明 trv速度之上升時間。 trf 張力之上升時間。

Training Phase 訓練狀態 Object Model Image目標模型影像 Image Processing 景多像處理

Object ImageModel Building目標影像模型建立 Object Recognition 目標辨識 Robot Visual Serving機械手臂視覺伺服 Fd張力 _ Ru轉矩

Vd速度 Rr 半徑 Pixel像素 SIMULINK軟體名稱 C0UT次數

Gray Leve 1 灰階 Pos i t i on 位置 Kp比例控制參數 g K i積分控制參數 K2p第二組比例控制參數 Κ2 i第二組積分控制參數 K3p第三組比例控制參數 K3i第三組積分控制參數 Web Dynamic捲筒基板動特性

第27頁 1316652 案號 94124029 年月日_修正 ^^月4日修正替換頁i 圖式簡單說明

On-line Phase實際線上狀態 第28頁

Claims (1)

1316652

六、申請專利範圍 1、一種應用於NC沖孔機之視覺導引系統，是經由機械定 位至鑽孔定位點附近，再透過CCD擷取影像，萃取樣板 (Template)之特徵值，利用圖形比對（Pattern肫忧“叫 )影像處理技術，和擷取之影像進行比對，得到參考座標 再經過座標轉換’經由伺服系統進行誤差修正待定位11完 成，後隨即沖孔作業；其係利用一XY作業平台，其上裝2 一單組CCD (Charge-Coupled Device，電荷耦合元件）， 藉由此套機器視覺工作平台系統之軟硬艎整合，並配合視 覺輔助導引修正，以提昇精度和速度之要求；其系 丨流程包括： 列f杀 張力控制系統做機械粗略定位至影像之範圍定點内； 藉CCD擷取影像作視覺迴授至PC-Based控制器進行定 位微調補償後鑽孔； 再利用CCD做基準孔位之檢測，之後利用GA做其餘孔 位之最佳路徑鑽孔，以完成高精度定位鑽孔。 2、依申請專利範圍第1項所述應用於NC沖孔機之視覺導 引系統，其中該張力控制系統係藉由數值模擬軟體進行捲 繞系統各部分建模分析，並根據一物理關係式，將完整系 •統數學模型建立起來，並利用電腦模擬分析系統之動態響 應。 3、依申請專利範圍第丄項所述應用於NC沖孔機之視覺導 引系統’其中該張力控制系統藉無張力感測元件之閉迴路 控制法及利用轉矩估測器，對開捲馬達進行轉矩估測，並 以此作為捲繞系統的迴授訊號，以達到閉迴路轉矩控制，

第29頁

1316652 fem 94124029 六、申請專利範面 進而間接達成閉迴路定張力控制。 弓1系m利範圍第1項所述應用於阢沖孔機之視覺導 引：統，其中該張力控制系統是一面調節捲取馬達之：： ，另一方面同時調節開捲馬達的轉矩，以實現 = 張力的閉迴路同步控制，其中捲取馬達之轉速與開 的轉矩’會隨捲繞物半徑的變化而改變。 、 5、 依申請專利範圍第i項所述應用於Nc沖孔機之視覺導 引系統，其中該機械視覺輔助修正係採用影像擷取卡配 ^附屬之影像處理函式，再利用c + +程式語言撰寫應用程 式，經由機械定位至鑽孔定位點附近，再透過CCD擷取影 像，萃取樣板（TemPlate)之特徵值，利用圖形比對（Pattern Matching) 影像處理技術 ，和擷取之影 像進行比對， 得到參考座標，再經過座標轉換，經由伺服系統進行誤差 修正，待定位完成之後隨即沖孔作業。 6、 依申請專利範圍第1項所述應用於Nc沖孔機之視覺導 引系統’其中該GA對PI參數調整及最短路徑規劃之最佳 化程式設計係利用數值模擬軟體，輔以電腦語言程式的聯 結，找出最佳PI控制器之參數優化解。 ,7、依申請專利範圍第1項所述應用於NC沖孔機之視覺導 引系統’其中該擷取影像的影像邊界中心座標設計流程的 影像處理’是找出影像中心座標，然後再根據實際影像與 CCD中心影像座標之差異，計算其差異值並利用伺服馬達 來做位置之修正》 8、依申請專利範圍第1項所述應用於nc沖孔機之視覺導

第30頁 1316652 \ffmm -- 案號 94124029_年月日_^正 L—™—---——— 六、申請專利範圍 引系統，該擷取影像的影像邊界中心座標設計流程為： 1 ·命令影像擷取卡擷取影像； 2. 使用minimum error threshold 的方法，將所擷取 的影像二值化； 3. 對二值化後的影像，來搜尋邊界的座標值； 4. 調整最佳之邊界閥值並劃出目標值的區域， 5. 取得邊界四角座標並計算其中心值。 9 '依申請專利範圍第1項所述應用於NC沖孔機之視覺導 _引系統’其中該擷取影像處理中對二值化之後得到的影像 ’每一個像素的灰階值皆只有〇與255，亦即只有全白與全 黑兩種，如此可以使邊界特性更加明顯》 10、依申請專利範圍第1項所述應用於NC沖孔機之視覺導 引系統’其中該擷取影像處理中運用二值化後的影像，來 搜尋邊界的座標值之搜尋步驟如下： 〇)由影像座標的原點開始搜尋，若為水平校正，則 由左而右’逐攔上往下搜尋每一個像素點的灰階值，若為 垂直校正’則由上而下，逐列由左向右搜尋每一個像素點 的灰階值； * (2)搜尋時，在每一欄（列）中，若連續搜尋到N個像素 &的灰階值皆為〇時’則表示這些連續N個像素點中，第一 Μ被搜尋到的像素點，為可能的邊界點之―，將其座標值 紀錄下來’ Ν取過小’可能會將雜訊點誤判為邊界點，ν 取過大丄則可能會遣漏了真正的邊界點；要注意的是，在 校JL未完成之前’參考圖形的邊界並不一定與影像座標軸

第31頁 1316652 a 正 月。6日修正替換頁I 六、申請專利範圍 平行’所以此時所得到的所有初始邊界點，不一定會全部 都在同一列（欄）。 11、依申請專利範圍第1項所述應用於NC沖孔機之視覺導 引系統，其中該擷取影像處理為了對較不清晰之影像也能 得到完整之取像範圍，在程式中設定一個手動的調整最佳 之邊界閥值選擇開關，可以用來做最初之校正以觀視其所 取之影像是否符合所需，它可根據來源影像之好壞，利用 人的眼睛判別出所取之影像符合所需，如此只要來源影像 不模糊不清，必能找出符合精度之影像。 、依申請專利範圍第1項所述應用於NC沖孔機之視覺導 引系統，其中該擷取影像處理中對未經過二值化處理之前 的影像邊界四角座標計算其中心值之中心點計算方法： 物體中心點座標（X〇，y〇)可用以表示物體的落點所在 位置，其數學式為泣其中N為物體點素數目，χ為物體 點素的橫座標值加起來’y為物體點素的縱座標值加起來 ’利用以上式子可以很容易求出中心點座標（χ〇, y〇)。 13、 依申請專利範圍第丄項所述應用於NC沖孔機之視覺導 引系統，其中該擷取影像處理中對經過二值化處理之前的 藝影像邊界四角座標計算其中心值之中心點計算方法： 先擷取出影像，再由左至右，由上至下掃描每個點 素，找出與所設定之閥值點數相同者，做為邊界之最大變 化點利用此點劃出水平和垂直之線 標區 再利用幾何計算出中心點座標（x〇 y〇)。 磷敢後 14、 依中晴專利圍第i項所述應用於沖孔機之視覺導

第32頁 1316652 索號.94124029 Λ__a. B 修正 修正替換頁

六、申請專利範圍 引系統，其中該擷取影像方面，首先打光設計部分，因待 測物為軟性印刷電路板銅箔’故以背光源設計方式來打光 〇 15、 依申 引系統， 16、 依申 引系統， 歪斜影像 97時得到 •1 7、依申 引系統， 並用GA調 最後再利 系統結合 請專利範圍第1項所述應用於NC沖孔機之視覺導 其中該擁取影像方面，打光光源採用紅色LED。 請專利範圍第1項所述應用於NC沖孔機之視覺導 其中該擷取影像方面，以打光之後的清晰影像、 與較模糊影像做尋求中心之比較，可知在閥值為 較好之中心點座標。 利範圍第1項所述應用於NC沖孔機之視覺導 ^ 張力控制系統採用數值模擬軟體預做模擬， Ϊ控^制器之參數，以達成最佳之模擬效果； ，腦語s程式產生C語言程式碼，與影像控制 為本創作的系統控制。

第33頁