（测试计量技术及仪器专业论文）激光微加工系统软件设计.pdf

摘要 激光微加工具有加工条件较易满足、功率密度高、加工对象广泛、自动化程度高 等特点，得到了广泛的应用。本文作为激光微加工系统的一部分，在系统软件的设计 中，提出并解决了如下问题： 运动控制轨迹设定值的形成通过下述三种方式完成： 1 、基于c c d 对工件观察的轨迹设定值的获取。建立x - - y 平台、计算机屏幕上 表示待加工区域的和c c d 视场之间的坐标对应关系，通过c c d 的观察，确定加工路 径。 2 、规则曲线的轨迹设定值的获取。通过输入的参数或鼠标在计算机屏幕上选取 的信息获取规则曲线的特征数据，形成轨迹设定值。 3 、基于图像处理的轨迹设定值的获取。对图像输入设备输入或由计算机直接编 辑形成的图像，通过图像处理形成二值文件。该二值文件以线段形式表示，形成轨迹 设定值。在图像处理中，探讨了一种改进的、基于彩色图像的轮廓提取方法，利用其 灰度图像、色差u 分量图像和色差v 分量图像进行多图对比来提取轮廓，以期得到 更好效果的的轮廓图像。 在轨迹设定值形成后，通过串行端1 2 1 下载到下位机控制器，由控制器控制步进电 机带动x y 平台运动完成对工件的加工。 运动控制有快速定位模式和轨迹控制模式。在快速定位模式中，对步进电机实现 加减速控制，使x y 平台快速、无超调的运动到指定位置；在轨迹控制中，利用插 补算法，使工件按照预定的轨迹匀速运动，同时开启光源，对工件进行加工。 步进电机在运行时存在失步、过冲、回差等不利因素，在开环控制中，存在控制 误差，在整个x y 平台运动范围中，存在超过1 0 0 1 1 m 以上的误差，不符合5 m 的 控制要求，控制软件中，通过采集光栅尺的位置信号，以x y 平台作为执行机构， 实施闭环控制，使控制误差在2u m 以内。 关键词：激光微加工，轨迹设定值，图像处理，字符层，轮廓提取，插补算法 a b s t r a c t l a s e rm i c r o p r o c e s s i n gh a sb e e nw i d e l yu s e dd u et oi t se a s yr e a l i z a t i o no fp r o c e s s i n g c o n d i t i o n s h i g hp o w e rd e n s i t y b r o a dp r o c e s s i n go b j e c t sa n dh i g ha u t o m a t i o n a sap a r to f t h el a s e rm i c r op r o c e s s i n gs y s t e m ，t h ep r o j e c tp u tf o r w a r da n dr e s o l v e si s s u ei nt h e d e s i g no fs y s t e ms o f t w a r e a sf o l l o w s ： m o v e m e n tc o n t r o ls e t t i n gv a l u eo f t r a c kw a sf o r m e db yt h r e em o d e s ： 1 o b t a i n i n go fs e t t i n gv a l u eo ft r a c kb a s e do no b s e r v i n go fc c d x yt a b l e ，a r e a b e i n gp r o c e s s e di nt h es c r e e na n do b s e r v i n ga r e ao fc c d a r es t r i c t l yc o r r e s p o n d i n g t h e p a t ho f p r o c e s s i n g w a so b t a i n e di no b s e r v i n go fc c d 2 o b t a i n i n go fs e t t i n gv a l u eo ft r a c ko fr e g u l a rc u r v e s e t t i n gv a l u eo ft r a c kw a s f o r m e dt h r o u g hc h a r a c t e r i s t i cd a t ao b t a i n e db yp a r a m e t e r i n p u to ri n f o r m a t i o ns e l e c t e db y m o u s ei ns c r e e n 3 o b t a i n i n go fs e t t i n gv a l u eo f t r a c kb a s e d o ni m a g e p r o c e s s i n g t h ei m a g e ，i n p u tb y s o m ei m a g ei n p u td e v i c eo re d i tt h r o u g hc o m p u t e r , w a sf o r m e dt w o v a l u ei m a g e t h r o u g h i m a g ep r o c e s s i n g t h et w o v a l u ei m a g ed e n o t e db yl i n ef o r mi ss e t t i n gv a l u eo f t r a c k i n i m a g ep r o c e s s i n g ，am e t h o d i sp u tf o r w a r dt og e tt h eb e t t e rc o n t o u re x t r a c t i o no fa ni m a g e t h ec o u r s ei su s et h eg r a yi m a g e ，uh e f to fa b e r r a t i o ni m a g ea n dvh e f ta b e r r a t i o ni m a g e t r a n s f o r m e df r o mo n ec o l o ri m a g ec o n t r a s tw i t he a c ho t h e rt og e tt h ec o n t o n re x t r a c t i o no f a n i m a g e s e t t i n gv a l u e o ft r a c kw a sd o w n l o a d e dt oc o n t r o l l e rt h r o u g hs e r i e s p o r t t h ec o n t r o l l e r c o n t r o l s t e p m o t o ra n ds t e pm o t o rc o n t r o lx yt a b l et om o v e t h ep r o c e s s i n gc a nb e a c c o m p l i s h e d t h e r ea r e q u i c k l o c a t i o nm o d ea n dt r a c k c o n t r o lm o d ei nm o v e m e n tc o n t r 0 1 s t e p m o t o ri sc o n t r o l l e dt oa c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o ni n q u i c k - l o c a t i o nm o d e x - yt a b l e m o v et od e s i r e dp o s i t i o nq u i c k l ya n dn oo v e r s h o o t i n gc o n t r o l l e db ys t e pm o t o r u s et h e i n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c l e t o b j e c tm o v ei nu n i f o r mm o t i o na l o n gt h es e t t i n gt r a c k i n t r a c k c o n t r o lm o d e a tt h es a m et i m e ，t h el i g h ts o u r c ei st u r n e do nt op r o c e s s t h e r ei s i n a c c u r a c y i n o p e nl o o pc o n t r o lb e c a u s es t e pm o t o r sd e s y n c h r o n i z i n g ， o v e r s h o o t i n ga n dr e t u r nd i f f e r e n c e t h ei n a c c u r a c yi so v e r1 0 0umi nm o v e m e n t s c o p eo f x yt a b l e i nc o n t r o ls o f t w a r e ，c l o s el o o pc o n t r o lw a su s e db yu s i n gt h eg r a tin gs c a le p o s i t i o ns i g n a la sf e e d b a c k i nt h i sm o d e ，a c c u r a c yi sl i m i t e d i n2t tm k e y w o r d s ：l a s e rm i c r op r o c e s s i n g ，s e x i n gv a l u eo ft r a c k ，i m a g ep r o c e s s i n g ，c h a r a c t e r l a y e r , c o n t o u re x t r a c t i o n ，i n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c 第一章激光微加工系统的应用及组成 第一节激光微d u t 技术的特点、应用及发展概况 现代制造技术已经是一个国家经济发展的重要手段之一，不少国家十分重视现 代制造技术的水平和发展，利用它进行产品革新、扩大生产和提高国际经济竞争能力。 当前，美国、同本、德国等国家的经济发展在世界上处于领先水平的重要原因之一就 是他们把它看作是现代国家经济上获得成功的关键因素。同样的，现代制造技术特别 是精密加工技术对于成为“世界加工厂”的中国的国民经济发展意义重大。 一激光微加工的特点 1 9 6 0 年，随着第一台红宝石激光器的诞生，引发了激光、光电子等新兴学科的 兴起，同时促进了微电子、通讯等信息科学的发展和应用。激光具有高亮度、单色性、 高相干性和良好的方向性等特点，在光机电系统中得到广泛的应用，同时在微细加工 中具有明显的优越性。主要表现在以下几个方面： 1 、加工条件较易满足。尽管电子束、x 射线、离子束具有更短波长、更高的分 辨率，但它们在曝光源、掩膜、抗蚀剂、成象光学系统等方面存在极大困难，与此相 比，激光加工条件容易满足，具有明显的经济性和现实性。 2 、功率密度高。激光加工的功率密度可达1 0 8 1 0 9 w c m 2 ，大大缩短了加工时 间。 3 、加工对象广泛。可以用于多种材料的加工，如金属、有机物、无机物、陶瓷 等，在加工中可以控制激光的作用深度、作用时间，扩展了应用范围。 4 、自动化程度高。激光光源、光学器件、光电转换器件、光电控制器件和成套 设备种类繁多，很方便的进行数据采集、数据处理、自动控制。并且光电转换技术的 成熟使其控制系统与计算机接口方便，使得加工系统有更高的自动化程度，更利于工 业生产。 当然，激光微加工还具有非接触加工、不受工件限制、无工具磨损、灵活的三维 加工、加工精度较高而设备价格较底( 优良的性能价格比) 等特点。 二激光微加工的应用 激光微加工的应用范围十分广泛，尤其在集成电路芯片的制造、计算机外设以及 通讯等方面的应用推动了2 0 世纪的信息产业革命。下面介绍了激光微加工在几个领 域的应用。 1 、激光退火。主要用于改善非晶态硅等半导体晶片的结构。 2 、激光划片。激光划片实质上是打孔的一种特殊应用，在电子薄膜和集成电路 中对分割半导体( 陶瓷) 和玻璃板有重要意义。先在底板上打出一行小孔，再沿着这 一行小孔的中心线弯折一下，就可以使各电路分开。与金刚石划片相比，激光划片具一 有切痕窄，划刻的面光滑平直，合格率高，材料损耗小，可使底板的热应力及邻近元 件的过热现象减至最低限度等优点。 3 、激光焊接。激光焊接的主要优点是受热影响的区域仅限于局部，可焊接用其 他方式不能接近的区域，可焊接不同材料的组合，其畸变及皱缩最小，可进行微焊( 焊 点直径及厚度仅有微米量级) ，还可以在许多环境( 如真空) 中焊接。就焊接方式而 言，可进行对焊、搭焊、皮叉焊和丁字焊。 4 、激光微调。激光微调是激光在微电子工业中的一个重要的应用。到本世纪8 0 年代术期为止，世界上已有1 0 0 0 多台n d ：y a g 激光微调机。利用激光，不仅可对 电阻，而且可对电容、石英晶体、混合集成电路等进行微调。 5 、激光制造集成电路。在计算机控制下，利用激光蒸发，可一次制成厚薄膜电 路。同时，它还克服了光刻法中产品表面易受污染和导电膜易受损伤等缺点。也可在 印刷线路板上直接绘制出图形复杂、清晰度和精度很高的电路图。 6 、激光检验与测定。利用氦氖激光的高度相干性来检验集成电路生产过程中的 中间产品，是一种极其有效的手段。最典型的例子，就是用激光检查掩模的缺陷，测 量半导体的平面度，分析固体电路的内部结构与缺陷。 三激光微加工国内外发展概况 l 、国外现状 激光精密打孔：随着技术的进步，传统的打孔方法在许多场合已不能满足需求。 例如在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔：在硬而脆的红、蓝宝石上加 工几百微米直径的深孔等，用常规的机械加工方法无法实现。而激光束的瞬时功率密 度高达1 0 8 w cm 2 ，可在短时间内将材料加热到熔点或沸点，在上述材料上实现打 孔。与电子束、电解、电火花、和机械打 l 相比，激光打孔质量好、重复精度高、通 用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著。国外在激光精密打孔已经达到很 高的水平。瑞士某公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行打孔，可以加工直径从 2 0 “讯到8 0 蚌m 的微孔，并且其直径与深度之比可达1 ：8 0 。激光束还可以在脆性材 料如陶瓷上加工各种微小的异型孔如盲孔，这是普通机械加工无法做到的。 激光精密切割：与传统切割法相比，激光精密切害0 有很多优点。例如，它能开出 狭窄的切口、几乎没有切割残渣、热影响区小、切割噪声小，并可以节省材料 一1 5 一3 0 。由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲力和压力，故适宜于切割玻璃、 陶瓷和半导体等既硬又脆的材料，加上激光光斑小、切缝窄，所以特别适宜于对细小 部件作各种精密切割。瑞士某公司利用固体激光器进行精密切割，其尺寸精度已经达 到很高的水平。激光精密切割的一个典型应用就是切割印刷电路板p c b 中表面安装 用模板。传统的s m t 模板加工方法是化学刻蚀法，其致命的缺点就是加工的极限尺 寸不得小于板厚，并且化学刻蚀法工序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境。采用 激光加工，不仅可以克服这些缺点，而且能够对成品模板进行再加工，特别是加工精 度及缝隙密度明显优于前者，制作费也由早期的远高于化学刻蚀到现在的略低于前 者。但由于用于激光加工的整套设备技术含量高，售价亦很高，目前仅美国、日本、 德国等少数国家的几家公司能够生产整机。 激光精密焊接：激光焊接热影响区很窄，焊缝小，尤其可焊高熔点的材料和异种 金属，并且不需要添加材料。国外利用固体y a g 激光器进行缝焊和点焊，已有很高 的水平。另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击， 对电路管芯无影响，从而保证了集成电路管芯的质量。 2 、国内现状 经过二十多年的努力，在激光精密加工工艺与成套设备方面，我国虽然已在陶瓷 激光划片与微小型金属零件的激光点焊、缝焊与气密性焊接以及打标等领域得到应 用，但在激光精密加工技术中技术含量很高、应用市场广阔的微电子线路模板精密切 割与刻蚀工艺、陶瓷片与印刷电路板上各种规格尺寸的通孔、盲孔与异型孔、槽的激 光精密加工等方面，尚处于研究与开发阶段。 四激光微加工的发展前景 1 、不断扩宽的技术及应用领域 在电子、半导体、通讯、光信息存储以及医疗方面，激光微加工有着广阔的前景 和强势竞争力。在其他方面。激光微加工的市场也在开拓。 目前反犯罪、反恐怖在世界上呼声很高。纽曼公司正在进行一项利用微加工来帮 助执法部门研究把凸起字符刻到半自动手枪的撞针上，把这种字符压印到被手枪弹出 的弹壳上，当用这支手枪进行犯罪时，字符压印为司法机关提供线索。这种想法也可 以用到爆炸物的标记上。 2 、激光光源的发展 大功率激光器在加工中具有生产效率高的特点，目前国内i o k w 的c 0 2 激光器 已经进入实用化；同时，优质、高效、稳定、可靠、廉价的激光器是精密加工推广应 用的前提，近年来，二极管泵浦激光器发展十分迅速，它具有转换效率高、工作稳定 性好、光束质量好、体积小等一系列优点，很有可能成为下一代激光精密加工的主要 激光器。 3 、一体化、小型化的加工系统 激光微加工的发展趋势之一就是加工系统小型化，加工系统集成化是激光微加工 发展的又一重要趋势。二极管泵浦激光器转换效率高、工作稳定性好、光束质量好、 体积小，在系统小型化方面将会有极大的竞争力；微控制器( 国内又称单片机) 在一 体化、小型化的加工系统中的数据采集、数据处理、系统控制中起着核心的作用。 4 、智能化加工系统 智能化首先表现在加工系统过程的自动化和智能化，它包括：激光光源的自动控 制、光路的自动控制、加工工件运动的自动控制、自动检测以及过程中的故障报警与 处理等内容。当然，一些系统可能包含上述的部分功能。这些功能保证了加工系统的 可靠性和实用性。 智能化还表现在加工系统的功能上，应包括：图像检测、图像识别、加工的目标 值的自动获取、加工效果的自动评价以及友好的人一机界面等功能。这些功能能够提 升产品的档次、提高系统的竞争力。 国内在激光加工的工艺与设备方面虽然与国外存在较大的差距，但是如果我们在 原有基础上不断提高激光器的光束质量和加工精度，结合材料的加工工艺研究，就可 以推动激光加工技术的迅速发展，并最终会使激光精密加工形成较大的规模产业。 一系统组成 第二节激光微加工系统的组成 在激光微加工系统中，激光为能量提供者，被加工的物体为能量接受者。加工的 过程是激光与物体表面相对运动，从而实现各种方式的加工。这种“相对运动”既可 以是光束的运动也可以是工件的运动。因为工件的机电运动控制较容易实现，同时也 为了保证光束的质量，本系统采用工件运动、加工光源固定的方式。基于这种工作方 式，本系统应由以下部分组成： 圈1 - 1 撒光微加工组成框图 1 、激光器：提供加工光源。 2 ，扩束装置：将光源扩束后传播，再经过聚焦后可以有效地减小光斑。 3 、反射镜：对于加工光源发出的光高反，对于其他波长的光高透。 4 、物镜：聚焦凸透镜，将加工光源聚焦，光斑聚焦于工件上。 5 ，x _ y 二维平台：可移动，手动和自动两种方式。工件固定于平台上，工件运 动，光源固定，通过工件与光源的相对运动达到预期的加工轨迹和加工效果。 6 、辅助部分；辅助光源对工件照明，利于观察工件。辅助部分还包括吹渣等部件。 7 、显微观察系统：它由显微镜系统、c c d 摄像机组成。用户可以通过显微目镜 5 人工观察：c c d 摄像机和计算机视频采集卡接口，计算机完成对工件的图像采集与 处理，通过计算机屏幕，也可以完成对工件的观察。 作为整体构成的部分，系统的电气部分如下： 8 、p c 计算机：通过视频采集卡与c c d 摄像机接口，完成对工件的图像采集与 处理，通过计算机屏幕，也可以完成对工件的观察；与电控系统双向通讯完成x y 平台的运动控制。 9 、电控系统：与p c 计算机双向通讯，确定加工的轨迹；发送脉冲驱动步进电 机决定x - y 平台的运动；与平台上的光栅尺接口，采集x y 平台的运动信息。 1 0 、步进电机及其功率驱动部分。 可以将整个系统分为3 个主要模块：光源及光路部分，将光聚焦在一固定点上： p c 计算机部分，可以采集图像信号，更重要的功能是形成加工轨迹的图形文本并下 载至电控系统以及与电控系统的双向通讯功能；电控系统，能够与p c 计算机双向通 讯，- 同时能够通过与光栅尺、步进电机一起完成对x y 平台的运动控制。以上的关 系可以通过图l 一2 表示： 二运动控制系统的组成 图l - 2 系统工作框图 如图卜3 所示，运动控制系统由以下几个部分组成： l 、设定器。设定器的作用是进行控制目标值的设定，设定器是控制系统的控制 目标的来源。在模拟系统中，通常由电位器或上一级控制系统的输出进行设定，其信 号的形式为模拟电压或电流。在采样控制系统中，设定值往往通过键盘或上位计算机 进行设定，信号形式为数字量。该系统属于采样控制系统，目标值设定由p c 计算机 来形成并通过通讯接口下载至控制器。 图l 一3 运动控制系统的组成一 2 、数字控制器。数字控制器是控制系统的核心部件( “大脑”) ，它由硬件电路 和程序两部分组成，控制规律以及控制算法由数字控制器完成。数字控制器通过前向 通道完成对位置信号的采集，经数据处理，通过控制算法输出经执行机构驱动完成闭 环的运动控制。 3 、输入通道( 位置检测) 。控制系统的反馈部件。通过传感器，取得x - - g 平台 的位置信息，反馈至数字控制器，它是控制系统的“眼睛”。 4 、后向通道( 执行机构) 。数字控制器经过采集位置反馈数据通过数据处理经控 制算法确定信号的输出，经功率放大通过驱动机构驱动x - - y 平台运动，使x - - y 平台 的位置跟随设定值。 三问题的提出 本文主要针对运动控制系统中目标值的获取和运动控制算法，对于加工系统的软 件部分，提出并讨论了如下问题： 1 、运动控制轨迹设定值的获取 2 、轨迹设定值的下载 3 、过程控制算法及实现 第二章运动控制轨迹设定值的获取 下位机控制器对二维平台的控制有两种模式，- 7 十是定位模式，另- - 7 中是轨迹控 制模式。 定位模式下激光光源是关闭的，下位机控制步进电机使x y 平台快速移动到指 定的位置( 快速定位) ，上位机屏幕上表示待加工区域的坐标和x y 平台的坐标是 对应的，定位控制通过上位机向下位机传送控制的位置指令由下位机完成对定位的控 制。 轨迹控制需要通过上位机获取轨迹设定值，传送到下位机，由下位机完成对轨迹 的控制，这时开启光源，按给定的轨迹对工件进行加工。上位机获取轨迹设定值的方 式有三种情况： 1 、基于c c d 对工件观察的目标轨迹设定值的获取。 2 、规则曲线的轨迹设定值的获取。 3 、对于图像输入设备( 如数码相机、扫描仪等) 输入计算机的图像经图像处理 后形成的二值图像的目标轨迹设定值的获取。 我们选择v i s u a lb a s i c6 0 作为上位机软件开发平台，它可以方便地采集到c c d 的图像，和下位机进行通讯以及对图像进行处理，v i s u a lb a s i c6 0 是微软公司系列可 视化开发工具v i s u a ls t u d i o6 0 中的产品，是创建w i n d o w s 应用程序最简便、最快捷 的开发工具之一。由于它避开了c + + 编程过分繁琐和抽象的缺点，同时又能实现大多 数w h l d o w s 编程目的，是一种十分强大和有生命力的w i n d o w s 编程语言。v i s u a lb a s i c 6 , 0 具有强大的图形图像处理功熊，并广泛应用于图形设计、存储、计算、处理以及 与其他软件环境的嵌入。 在上位机程序中，主要完成的功能有快速定位、折线模式、圆弧模式和图像处理 等模式下轨迹设定值的获取及下载。采用的方式为每一种功能采用单独的界面，这样 做会虽然产生一些重复的代码，增加系统资源的占用率，但可以使编程的复杂程度大 大降低。 第一节基于c o d 对工件观察的轨迹设定值的获取 一坐标系统的建立 根据软件系统的要求，上位机程序中的坐标要与加工平台的坐标严格对应，才能 保证加工的精度和质量。 1 、x y 平台的坐标 加工平台的大小为1 0 0 r a m 1 0 0 m m ，步进电机的步距为1 2 5 “m ，考虑到坐标 值为正值时对于软件的设计和下位机程序的控制都比较方便，所以选取坐标原点在 x y 平台的零位，整个平台中x 、y 坐标的最大值为8 0 0 0 0 ，最小值为0 。同时注意 到因为n i 系统采用定光式，x y 平台的运动方向与实际加工的方向正好相反，所 以建立的x y 平台的坐标方向与自然坐标系方向正好相反。 2 、上位机中与x y 平台对应的待加工区域的坐标 在上位机软件中，使用一个p i c t u r e b o x 控件绘制一个图像框来表示待加工的区域。 图像框所占屏幕的大小应比较协调，我们设定屏幕上表示待加工区域的图像框的大小 为3 7 8 x 3 7 8 像素。坐标系统采用自定义形式，定义图像框的左下角为坐标原点，左 上角和右下角的坐标分别定义为( 0 ，8 0 0 0 0 ) 和( 8 0 0 0 0 ，0 ) 。 x y 平台中的每个点与上位机中待加工区域的每个点一一对应，在上位机系统启 动时，自动向x y 平台发送复位命令，使启动后图像框的坐标原点和x y 平台的 坐标原点重合。如果运行过程中出现错误，使图像框和x - - y 平台的坐标出现偏差， 可以使用复位命令来重新建立坐标系统的对应关系。 3 、c c d 观察区域的坐标 待加工工件经光路成像在c c d 上，计算机通过图像采集卡获得待加工工件的图 像，计算机对图像采集卡的访问是通过调用采集卡库函数( 动态链接库o k a p i 3 2 d l l 、 o k a p i 3 2 1 i b ) 实现创建图像采集窗口、实现图像的采集、和回放。本激光微加工系统 采用的二维面阵c c d 为敏通m t v - 1 8 8 1 e x 黑自工业摄像头，其性能指标如下： 光敏面积：8 m i n x8 m m 分辨率：6 0 0 线 放大倍数：1 2 6 7 c c d 的光敏面积为8 n m a 8 m m ，分辨率为6 0 0 线，放大2 6 7 倍后，视场范围是 9 3 m m 3 m m ，按照步进电机的步距( 1 2 5u m ) ，c c d 视场范围坐标为0 - 2 4 0 0 。规定 c c d 视场左下角为坐标原点，采用自然坐标系。由于c c d 的分辨率为6 0 0 线，所以 其分辨精度为51 tm ，相当于激光光斑的半径。当系统开机自动复位时，三个坐标回 到原点，建立坐标之间的对应关系。 二基于c o d 对工件观察的轨迹设定值的获取 c c d 对工件的观察主要用于切割，例如对布线粘连的电路板进行修复，首先在 定位模式下，使x - y 平台定位到需要修复的大致位置( 例如定位点的坐标为( 1 2 0 0 0 ， 1 2 0 0 0 ) ) ，这时c c d 视场内所有点的坐标与待加工区域坐标系统有( 1 2 0 0 0 ，1 2 0 0 0 ) 的偏移量。然后切换到c c d 视场。切换是通过调用采集卡库函数得到被观察工件的 图像，把得至啦自图像嵌入计算机屏幕上表示待加工区域的图像框中，并使被观察工件 的图像在屏幕上的大小与图像框一致。通过键盘控制移动x y 平台，在c c d 的观察 下找到待加工位置，使用鼠标划直线模拟切害4 过程，系统跟踪鼠标得到切割轨迹。每 次通过键盘控制x y 平台运动，以及加工完成之后，系统都会自动记录x y 平台移 动后，c c d 视场坐标相对于待加工区域坐标的偏移量。 第二节规则盐线轨迹设定值的获取 激光微加工系统中使用的规则图形有折线( 包括直线) 和圆弧，对应的模式有折 线模式和圆弧模式，下面就两种模式下的界面设置来说明获取轨迹设定值的获取方 法。 折线轨迹设定值的获取 折线模式的界面如图2 - i 所示： 其中，区域a 设置为功能切换命令按钮区，可以通过点击不同的命令按钮来切 换到相应的操作界面。 在本激光微加工系统中，折线是指由一系列需要加工和不需要；b l - r 的线段首尾相 连组成的曲线。按照通讯协议的约定，轨迹设定值是由起点、每一个折点和终点的坐 标值形成的。根据轨迹设定值的组成，b 区域( 运动参数输入区) 设置了速度、起点、 折点输入框，添加折点、有光无光( 有光是指需要打开激光光源，即需要加工的线段， 无光指不需要加工的线段) 、确定按钮，起点的坐标默认为当前点的坐标，而且设置 为不可更改，如果需要改变起点，需要在闭环定位模式下完成定位，定位到需要的起 点。每次添加新的折点时，程序首先判断当前添加的折点是否合法，如果合法，就保 存当前折点的坐标信息，有光无光的信息，同时，令折点数自动加1 ，点击确定按钮 时，把最后加入的一个点作为终点，和前面已经保存的折点信息一起，作为轨迹的设 定值，传送到下位机。 图2 一l 折线模式界面 为了能使用鼠标来实现同样的功能，在图像框( d 区域) 中跟踪鼠标的位置，并 在点击鼠标左键时记录点击位置的坐标值，作为折点坐标，同时反馈到参数输入区中， 配合选择的有光或无光形成折点的信息，为了在图像框中直观地表示出加工轨迹，在 图像框中画出一条从上一点到鼠标点击点处的线段，如果此线段需要加工( 参数输入 时选择的是有光) ，那么使这条线段显示为红色，否则显示为黑色。在选择新的折点 时，存储上一折点的信息，折点数自动加l ，点击确定按钮时，最后一个折点作为终 点，和前面已经保存的折点信息一起，作为轨迹的设定值，传送到下位机。 c 区域为角度转换计算器，为了能够在知道需要运动的角度和位移或起点和终点 的坐标的情况下，方便地得到x 、y 运动的步数和方向，在操作界面中设置了一个角 度计算器，可以把这些量输入计算器中，就可以计算出x 和y 的步数，同时把这些 信息反馈到输入参数区，这样使整个操作简单化。 另外在界面上还设置了复位、参数下载和退出按钮，复位的目的是将二维平台恢 复到零位，同时重新建立起坐标系统的对应关系。 二圆弧模式 圆弧模式的界面如图2 2 所示 图2 - 2 圆弧模式界面 要表示一个圆弧( 包括闭合的圆) ，需要知道圆心、起点、终点以及此圆弧是顺 时针还是逆时针，相应地在运动参数输入区( 图2 - 2 中b 区域) 设置圆心、起点、终 点和顺时针或逆时针输入框，为了防止参数输入过程的误输入，加入半径作为冗余信 息，作为检验输入信息是否符合圆弧的条件。 在c 区域设置了一个圆弧计算器，方便在知道其中一部分参数的情况下，计算 出所需要的参数信息并直接反馈到参数输入区。 第三节基于图像处理的轨迹设定值的获取 计算机中的图像可以分为两种情况，一种是通过计算机编辑的文档，如利用 m i c r o s o f tw o r d 编辑出w o r d 文档、利用画笔作出b m p 文档等，这些图像具有一个共 同的特征：特征灰度和背景灰度没有重叠。所以可以直接进行缩放、轮廓提取、二值 化处理为二值图形，然后按照通讯协议的要求传送到下位机。 第二种情况是由数码相机、扫描仪等图像输入设备输入到计算机中的图像，这种 图像的特征灰度和背景灰度有重叠，需要对其进行处理才能进一步取得轨迹设定值。 对于图像处理，目前已经有很多成熟的算法，课题的任务是对选用的算法及这些算法 的结合和在程序中的实现进行分析。 在本系统中，图像处理包括彩色图变为灰度图、图像的增强、锐化、去噪、缩放、 分割、轮廓提取，经过行处理得到用线段形式表示的图形，作为目标轨迹的设定值， 然后按照通讯协议下载到下位机。 一图像处理模式界面的建立 在本系统中，图像处理也采用单独一个界面，其界面的设置如图2 3 所示： 图2 - 3 图像处理界面 其中，a 区域设置为菜单区，通过v b 6 提供的菜单控件建立，通过菜单可以调 用系统图像处理的所有功能。b 区域设置为快捷按钮区，由命令组控件构成，可以实 现图像处理的大部分功能。c 区域设置为模式切换区，用以切换到其它模式。d 区域 是用p i c t u r e b o x 控件绘制的图像框1 表示待加工的区域，以图像框l 为容器，再加入 一个图像框2 ，用来显示待处理的图像。并且通过图像框2 的旬柄获得鼠标拖放移动 图像相对于图像框l 的坐标，并把图像上下左右各边的坐标显示在e 区域，达到精确 定位图像在加工区域的坐标的目的。 二彩色图变为灰度图 灰度图是指只含亮度信息，不含色彩信息的图像，因此，要表示灰度图，就需要 把亮度值进行量化。通常划分成0 到2 5 5 共2 5 6 个级别，0 最暗( 全黑) ，2 5 5 最亮( 全 白) 。但是位图格式的文件中，并没有灰度图这个概念，而是用调色板中的r g b 三基 色来表示。也就是要用调色板的信息来表示亮度信息，亮度信息的获取通过表示颜色 的另外一种方法：y u v 的表示方法，这种表示方法中，y 分量的物理含义就是亮度， u 和v 分量代表了色差，因为y 代表了亮度，所以，y 分量包含了灰度图的所有信 息，只用y 分量就完全能够表示出一幅灰度图来。 1 n 和r g b 之间有着如下的对应关系 f y = 0 s r + 0 3 9 g + 0 1 l b u = b y( 1 ) i v = r y 当r g b 三个分量的大小一样时，假设都等于a ，代入公式( 3 ) ，得到y = a ，u = 0 ， v = 0 ，即只包含亮度信息。也就是说，使用位图来表示灰度图，只要使用2 5 6 色的调 色板，每一项的r g b 值都是相同。即r g b 值从( 0 ，0 ，0 ) ( 全黑) ，( 1 ，1 ，1 ) 一 直到( 2 5 5 ，2 5 5 ，2 5 5 ) ( 全白) 。中间的是灰色。这样，灰度图就可以用2 5 6 色图来 表示了。对于一幅给定的彩色图像，把每个点的r g b 值代入公式( 1 ) ，求出每一 个点对应的y 值，然后令每一点的r g b 值等于相应的y 值，替代原来的r g b 值， 形成新的图像。 三图像增强 在图像的生成、传输或变换的过程中，由于多种因素的影响，总要造成图像的降 4 质。图像增强的目的是采用一系列技术去改善图像的效果或将图像转换成一种更适合 于人或机器进行分析处理的形式。图像增强有两类方法：空间域法和频率域法，前者 是在原图像上直接进行数据运算，后者是在图像的变换域上进行修改，增强我们感兴 趣的部分。 1 、灰度扩展 灰度修正时对图像在空间域进行增强的简单和效果明显的方法，根据图像降质不 同的原因以及对图像特征的不同要求而采用不同的修f 方法。一般有灰度变换法和直 方图修正法。他们是把原图像的灰度函数f ( x ，y ) w 经过一个变换函数t ( ) 变换 成一个新的图像函数g ( x ，_ y ) ，即g ( x ，y ) = t f ( x ，y ) 通过变换，达到对比度增强的效果，在变换的过程 中j 对每一个像点都经过了同样的处理，因此以上的方 法又叫点处理。灰度扩展的意思就是把所感兴趣的灰度 范围拉开，使得该范围内的像素，亮的越亮，暗的越暗， 从而达到了增强对比度的一种变换方法。 假设有一幅图，由于成像时光照不足，使得整幅图 偏暗，( 例如，灰度范围从0 到5 0 ) ：或者成像时光照过 强，使得整幅图偏亮，( 例如，灰度范围从2 0 0 到2 5 5 ) ， 度都挤在一起，没有拉开。其扩展过程如下： 原始图像：f ( i ，力，灰度范围： 口，b ， 变换后图像：g ( i ，力，灰度范围： c ，明， 则变换后的图像表示为： g ( i ，) = h # ( f ( f ，- ，) 一口) 图2 _ 4 灰度扩展示意图 这些情况为低对比度，即灰 另一种情况，图像中大部分像素的灰度级在陋，6 】范围内，少部分像素分布在小于d 和大于b 的区间内。此时可用下式作变换： g ( i ，) = c ；f ( i ，j ) a c + 竽( f ( f ，) 一口) ；口兰f ( i ，) t - , ( t ，y 】e l ( x ，y ) e a f ( j ，k ) ；其他 其中t 可取噪声均方差的某一倍数，这种方法可以在一定程度上减小无条件邻域平均 法造成的边界模糊现象。 ( 2 )中值滤波 中值滤波是一种对干扰脉冲和点状噪声有良好的抑制作用，而对图像边缘能较好 保持的非线性图像增强技术。所谓中值滤波，就是指把以某点( 1 ，j ) 为中心的小窗口 内的所有像素的灰度按从大到小的顺序排列，将中间值作为( j ，力处的灰度值( 若窗 口中有偶数个像素，则取两个中阃值的平均) 。如下图所示，采用3 1 的窗口，即水 平3 个点为一个窗口。 00 0 22202 34 320 0 2 2 0 0112 2 l 32 34 35 30112 o 01l221 32 34 35 30l 12 0 o 0222 02 34 32 00 22 原图像邻域平均后中值滤波后 从原图中可以看出左边区域灰度值低，右边区域灰度值高，中间有一条明显的边 界，应用邻域平均法，图像平滑了，但是也使边界模糊了。应用中值滤波，就能很好 地保持原来的边界。所以说，中值滤波的特点是保护图像边缘的同时去除噪声。但当 窗口内噪声点的个数大于窗口宽度的一半时，中值滤波的效果不好。如原图中有高斯 噪声时( 很多噪声点，而且杂乱无章，随机分布) ，中值滤波就显得无能为力。如下 所示： o808 0 88 31 6 38 31 6 3o8o8 2121215 34 35 34 32121 000 0 0 000 0 0 0 000 8080801 6 38 31 6 38 38o80 原图像邻域平均后中值滤波后 ( 3 )保存边缘的平滑法 一般的邻域平均法在抑制噪声的同时也模糊了突变的边缘，其原因是由于邻域包 含了边缘的两侧，如果把邻域平均变为选择多个区域，求出每个区域的均方差，用均 方差最小的区域的灰度平均值作为该点的新的灰度值，就可以尽可能地保持图像的边 缘。如图2 - 6 所示： 函赘 幽2 - 6 保存边缘的平滑法 对于中心点( j ，歹) ，计算出上图中每一个区域对应的灰度平均值m ( l ，) 和 均方差62 ( ，d ，在各个62 ( j ，力中，具有最小值的一个对应的区域中个点的 灰度值变化是最缓慢的，这个区域中存在边缘的可能性最小，取这个区域的m ( i ，力 作为中心点( j ，) 的新的灰度值，这样既降低了图像的噪声，同时也达到了尽可能 保持边缘的目的。 四图像缩放 在图像处理操作界面上，设置图像缩放的命令按钮， 通过弹出的对话框来选择缩小还是放大图像，以及输入 缩小或放大后图像的大小。 l 、图像缩小 图像缩小的原理比较简单，原理如图2 7 所示，其 ( b ) 缩小图像 图2 7 图像抽样缩小原理图 缩小的方法是将源图像分割成一个个m n ( 例如3 x 4 ) 的子域，将源图像每个子域 左上角的点的灰度值作为缩小后图像口d ，的灰度值，即可得到缩小之后图像每个 点对应的灰度值。 设原始图像的大小为a xb ，缩小以后的图像的大小为c x d ，则m = a c ，n = b d ， 如果m ，n 不是整数，则取不小于m ，n 的整数，由于取整的影响，对于图像的最右面 和最下面的子域，将是不完整的子域，但是这并不影响灰度值的选取。 2 、图像的放大 图像的放大是图像缩小的逆运算，与图像的缩小不同的是，图像的放大产生了新 的点，新真的灰度值需要通过插值的方法得到，线性插值的原理如图2 - 8 所示： x o x lx 2x 图2 - 8 线性插值原理 aeb 占 c f d 图2 - 9 双线性插值原理 线性插值使用已知两个点的灰度值来构造所求点的灰度值。对于一维的情况，如 上图所示，已经知道了两点x 0 ，x 2 处的灰度值厂0 0 ) ，f ( x 2 ) ，要求x l 处的灰度值，0 1 ) ， 则： f ( x 1 ) = f ( x 2 ) 一f ( x 0 ) x ( x l x 0 ) ( x 2 一z o ) + f ( x o ) 推广i n - 维的情况，即采用双线形插值，如图2 - 9 所示。 已知a ，b ，c ，d 四点的灰度，要求g 点的灰度，可以先在水平方向上由口，b 线 形插值求出e ，由c ，d 线形插值求出，然后在垂直方向上由p ，线形插值求出g o 线形插值是基于原图的灰度在两个像素之间是线形变化的假设，一般情况下，这 2 0 种插值的效果还不错。更精确的方法是采用曲线插值，即认为像素之间的灰度变化规 律符合某种益线，但这种处理的计算量是很大的。 五图像分割 图像分割的算法很多，常用的方法有：( 1 ) 最大熵法( 2 ) 共生矩阵法( 3 ) 四元 树法( 4 ) 模糊集法( 5 ) 矩不变法( 6 ) 最大类间方差法等，我们在系统中采用的是 局部灰度直方图分布阈值分割。 对于一个m n 点的图像，首先利用划分为m n 的子域，对每一个子域进行灰 度直方图统计，当子域足够小时，可以认为在一个子域中，目标灰度和背景灰度的变 化都比较小，包含边界的子域其灰度直方图呈现双峰现象，如图2 1 0 所示： x 图2 - 1 0 子域灰度直方图分布型 对于灰度直方图出现双峰的子域，认为是包含边界的子域，选取谷底灰度值作为 分割阈值，而对于灰度直方图没有出现双峰的子域，认为该子域内的所有点要么全在 背景内，要么全在目标物体内，这时，先求出该子域内的灰度平均值，再选取其邻近 子域内的闽值作为参考闽值，将灰度平均值与这个