（模式识别与智能系统专业论文）全自动上芯机控制的若干问题研究.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：彳葛彳孚 日期：劲衫年f 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 囡保密，在弓年解密后适用本授权书。 口不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“) 本人签名： 导师签名： 日期：塑笸：12 日期：丝：! ! _ 。_ _ 。1 。1 。_ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。1 。1 。 本论文受以下项目基金资助： 国家自然科学基金( n o 6 0 3 7 4 0 1 6 ) 广东省重大装备创新技术招标项目( n o 0 6 1 2 a 2 0 0 3 0 4 0 6 ) 广东省粤港关键领域重点突破项目( n o 2 0 0 4 1 a 0 1 ，n o t c 0 5 8 3 7 2 - - 1 ) 广东省科技厅重大科技攻关专项( 2 0 0 4 a 1 0 4 0 3 0 0 1 ) 广东高校科技成果转化重大项目( n o c g z h z d 0 4 0 3 ，n o c g z h z d 0 4 0 2 ) 摘要 摘要 当前信息技术的进步，带动我国i c 产业的快速发展。上芯机是i c 芯片生产 线上的关键设备之一，随着先进计算机视觉系统与运动控制系统的引入，其绑定 晶片的速度与精度都得到很大的提高。本课题选择高速高精度全自动上芯机的控 制系统作为研究对象，对于国产高性能上芯机的研制具有较强的实际意义，该系 统在其它自动化电子封装设备中的也具有一定的参考价值。 本项目采用了一种全新的技术路线，即基于目前流行的开放源代码的l i n u x 操作系统来开发上芯机控制系统。论文首先介绍了国内外芯片生产的状态和发展 趋势，以及本课题的研究和开发的必要性。 然后介绍了嵌入式系统，运动控制系统，机器视觉系统等背景知识。针对嵌 入式l i n u x 构建和裁剪进行了详细的讨论。根据全自动上芯机的工作流程，对运 动控制部分和设备中采用的机器视觉系统进行了介绍。 针对前期研究发现图像采集速度成为加快整机速度的瓶颈问题，提出了循环 采集的图像采集方案，并给出了相应了算法和相关试验结果。 最后文章集中讨论机器视觉系统中的图像处理部分，包括图像预处理和芯片 定位算法。 全自动上芯机是光机电一体化的设备，涉及了运动控制、图像处理、嵌入式 系统等多个前沿学科，项目开发中除了文章提到的内容还包括了多线程实现，多 任务协调处理等技术。项目开发中的管理工作采用了并行版本管理方案。 关键字：全自动上芯机；嵌入式系统；运动控制；机器视觉；缺陷检测 a b s t r a c t s i n c et h ea d v a n c e m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ei ci n d u s t r yd e v e l o p sf a s t d i eb o n d e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ec h i pp r o d u c t i o nl i n e ，a n di t s s p e e da n dp r e c i s i o na r ei m p r o v e dr e m a r k a b l yw h e ne q u i p p e dw i t ha d v a n c e dc o m p u t e r v i s i o na n dm o t i o nc o n t r o ls y s t e m t h ed i s s e r t a t i o ns e l e c t st h ec o n t r o ls y s t e ma st h e r e s e a r c ho b j e c t s ，w h i c hh a sa ni m p o r t a n tm e a n i n ga n de c o n o m yv a l u et ot h er e s e a r c n o nc h i n e s ev i s i o nb a s e do nd i eb o n d e ra n dt ot h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e r v i s i o na n d m o t i o nc o n t r o li na u t o m a t i o ne q u i p m e n t t h es o f t w a r es y s t e mo fd i eb o n d e ri sd e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo fo p e ns o u r c e l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h i sa r t i c l eg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no n t h es t a t u sa n dt r e n d o fc h i pp r o d u c t i o ni nc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e s t h e nd e m o n s t r a t e st h en e c e s s i t yo f t h i sr e s e a r c ha n dt h et e c h n i c a lg u i d e l i n e ，a s w e l la st h er e q u i r e m e n to ft h i s e x p e r i m e n t s e c o n d l y ，t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t st h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo fe m b e d d e d s y s t e m ，m o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dm a c h i n ev i s i o ns y s t e m ，d i s c u s s e st h e c h a r a c t e r so f e m b e d d e ds y s t e ma n di t ss t a t u s ，i n t r o d u c e st h ew o r kf l o wa b o u tt h e a u t o m a t i cd i e b o n d i n gm a c h i n e ，e x p l a i n sd e t a i l e d l yt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h e ni n t r o d u c e st h e m a c h i n ev i s i o ns y s t e mf o rt h ed i eb o n d i n gm a c h i n e t h i r d l y ，t h ed i s s e r t a t i o nf o c u so nt h es p e e do fi m a g eg r a b ，p r e s e n t st h em e t h o d o f c i r c u l a t o r yg r a b b i n g , a n ds h o wt h ep r o g r a ma n dr e s u l to ft e s t i n g a f t e rt h a t ，i td i s c u s s e st h ei m a g ep r o c e s sp a r t ，i n c l u d i n gp r e p r o c e s si m a g et h e w a f e rp o s i t i o n i n g a u t o m a t i cd i eb o n d i n gm a c h i n ei ss o p h i s t i c a t e de q u i p m e n ti n c l u d i n g l i g h t ， m e c h a n i s ma n de l e c t r o n i ct h e o r y i tr e l a t e s t om o t i o nc o n t r o ls y s t e m 1 m a g e p r o c e s s i n g ，e m b e d d e ds y s t e ma n ds oo n i nt h ep r o j e c t ，w em a k eu s eo fm u l t i t h r e a d t e c h n o l o g ya n dt h em u l t i t a s kc o o p e r a t i n gm o d u l e c o n c u r r e n t v e r s i o ns y s t e mi st h e m a n a g es y s t e mf o rt h ep r o j e c t k e y w o r d s ：a u t o m a t i cd i eb o n d i n gm a c h i n e ，e m b e d d e ds y s t e m ，m o t i o n c o n t r o l ， m a c h i n ev i s i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。ii 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景l 1 2 课题研究内容2 1 3 课题研究意义2 1 4 本文内容组织3 第二章课题背景知识4 2 1 嵌入式系统4 2 1 1 嵌入式系统的介绍。4 2 1 2l i n u x 系统介绍5 2 1 3l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势6 2 2 运动控制系统7 2 2 1 运动控制系统概述7 2 2 2 步进电机及其控制。9 2 3 机器视觉系统1 l 2 3 1 机器视觉系统介绍l l 2 3 2 机器视觉所面临的困难1 2 2 3 3 机器视觉开发系统构成1 3 2 4 本章小结1 3 第三章上芯机控制检测系统设计15 3 1l i n u x 软件设计平台1 5 3 1 1 系统软件结构1 5 3 1 2l i n u x 系统的裁减16 3 2 运动控制设计方案。2 l 3 2 1 运动控制总体思路2 l 3 2 2 运动控制卡介绍2 2 3 2 3 步进电机的计算机控制2 2 3 2 4 运动驱动电路设计2 3 3 2 5 底程运动控制函数的封装2 4 3 3 机器视觉系统设计方案2 5 华南理工大学硕士学位论文 3 3 1 系统概况2 5 3 3 2 系统硬件组成2 6 3 4 视觉系统的新技术3 2 3 5 本章小结3 3 第四章改进的图像采集及晶片图像预处理3 4 4 1 改进的采集方案3 4 4 1 1 高速图像采集中的循环采集技术3 4 4 1 2 循环采集技术的实现3 5 4 2 图像预处理3 8 4 2 1 图像噪声概述3 8 4 2 2 图像去噪3 9 4 2 3 图像增强一4 1 4 2 4 图像复原4 2 4 3 本章小结4 2 第五章晶片的图像处理4 3 5 1 晶片检测需求分析4 3 5 2 晶片检测方案4 4 5 2 1 墨点检测4 4 5 2 2 偏差角度计算4 4 5 2 3 边界缺损检测4 5 5 2 4 钝化层检测4 6 5 2 5 街道检测4 7 5 3 晶粒定位分析4 7 5 4 芯片定位算法4 8 5 5 定位算法改进一4 9 5 5 1 快速分层金字塔匹配算法4 9 5 5 2 匹配路径改进5 0 5 5 本章小结5l 结论5 2 参考文献5 4 攻读学位期间发表的论文5 6 致谢5 7 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 在信息科技高速发展的今天，i c 产业作为信息产业的核心与基础，是典型的 全球化高科技产业，也是世界发展最快、竞争最激烈的产业。i c 产业对计算机、 通信、工业控制、机电一体化、能源、交通、轻工、冶金乃至家用电器，都具有 不可估量的巨大推动作用，从而也创造出巨大的市场。2 0 0 0 年全球i c 市场年销 售额突破2 0 0 0 亿美元大关，2 0 0 3 年中国国内芯片市场规模首次突破2 0 0 0 亿元， 总销售额达2 0 7 4 1 亿元，同比增长高达4 1 o ，成为全球i c 市场增长的火车头。 预测2 0 0 4 2 0 0 7 年，全球i c 销售将按1 0 4 的环比年率增长，2 0 0 7 年达到2 4 7 0 亿美元。 全球i c 资产的投资与封装和装配设备的投资在2 0 0 3 年呈现增长趋势。其中 i c 资产投资2 0 0 3 年增长7 2 ，从上年的2 7 8 亿美元增长到3 0 0 亿美元；封装和 装配设备投资预计将增长2 1 4 ，从上年的2 3 亿美元增长到2 8 亿美元。 全球i c 产业链正在逐渐向中国转移。2 0 0 3 年国内集成电路总产量首次突破 l o o 亿块，达到1 3 4 1 亿块，比2 0 0 2 年增长3 9 3 。全行业共实现销售收入3 5 1 4 亿元，与上年同比增长3 0 9 。专家预测，2 0 0 4 年 - 2 0 0 8 年这5 年间，中国集成 电路产业销售收入的年均复合增长率将达到近3 0 ，到2 0 0 8 年，中国集成电路 产业销售收入将突破1 0 0 0 亿元。因为西方国家对封装技术控制不严，厂商相对投 入低及难度较小，中国i c 企业倾向于i c 芯片的封装测试。2 0 0 2 年中国已有超过 亿元的封装企业l8 家，其中外资1 0 家。2 0 0 3 年产值为2 9 8 亿美元，占国内i c 工业产值的7 0 。全球电子行业的高速增长，拉动半导体三极管行业的发展，造 成半导体三极管产品供不应求，欧美、日本、韩国及台湾基本将工厂转入国内， 东南亚的生产规模也逐步被国内取代，同时，国内新兴的半导体生产厂商为国产 自动半导体芯片键合机的产业化提供了难得的契机。n 。， 全自动芯片键合机是半导体后工序生产线关键设备之一，主要有上料系统、 送料系统、拾取键合系统、收料系统、图像识别和运动控制等几个部分组成。这 类机型的关键技术是采用了先进的视觉检测和定位技术，配合高速高精度的拾取 键合运动系统达到高速、高产和高可靠性的目的。 半导体生产专用设备集光、机、电各专业最前沿技术于一体，代表了国家和 地区的精密制造水平，和半导体制造前工序相比，半导体后封装工序在更大程度 上依靠其装备水平，即生产线专用设备水平。据有关资料介绍，到2 0 1 0 年，中国 华南理工大学硕士学位论文 将成为全球第二半导体工业国。但国产半导体设备与国外相比还有很大差距，2 0 0 2 年国产装备在国内半导体装备市场的占有率不到2 ，仅占我国半导体行业销售 额的约0 5 ，占全球半导体设备销售额的0 1 左右。因此半导体生产设备国产 化势在必行。m 引 1 2 课题研究内容 上芯机项目是利用课题组在高速高精度电子封装设备研制方面已有的优势， 研究开发一种具有自主知识产权、主要技术指标达到或超过国际水平、适用于i c 芯片与半导体片式元器件的高速高精度上芯机控制系统。该项目受国家自然科学 基金( 6 0 3 7 4 0 1 6 ) 和广州市科技攻关重点计划项目( n o 2 0 0 3 2 2 d 9 0 1 1 ) 资助。 上芯机涉及到电子学、光学、机械学以及气动与真空系统等领域，是一个高 速、高精度和高可靠性的光机电一体化设备。其机械结构复杂，主要可以分为上 料系统、传送系统、晶圆盘系统、焊接系统、顶针系统、下料系统等多个部分。 上芯机的控制系统中，包括了整个控制系统平台的设计、晶片检测系统的设计、 各个机械部分协同工作的运动控制系统的设计。本课题主要针对控制系统展开研 究，主要解决的问题有： 满足控制系统稳定工作，且系统本身占用资源较少的操作系统： 研究复杂机械的运动控制系统； 研究晶片质量检测中，机器视觉系统的组成； 高速图像采集方案； 研究晶片质量的图像算法； 研究晶片图像定位算法。 除了以上研究的关键问题之外，在该项目中，我们将引入c v s 的版本管理方 法，以逐步指导大型软件系统的开发。完成相关知识产权的保护。 1 3 课题研究意义 半导体三极管生产包括前后两道工序，前工序( f r o n te n d ) 是指芯片扩散、快 速热处理、硅片处理等过程，后工序( b a c ke n d ) 包括芯片切割、芯片键合、焊线、 封装、测试、包装等工序，其中焊线设备涉及极高的制造水平，目前国内尚难突 破，而全自动上芯机定位精度比前者相对宽松，以上芯机作为突破口，逐步实现 半导体生产专用设备的国产化，对整个半导体行业的发展具有深远意义。 广东省开展半导体芯片键合机产业化研究具有更多的有利条件，广东的半导 体三极管生产销量占全国的半壁江山，又地处改革开放的前沿，与国外同行技术、 贸易联系密切，市场化程度高，产业基础雄厚，已初步奠定了在全国三极管产业 2 第一章绪论 加速广东省半导体产业的建立和壮大，促进广东 大的社会意义和经济意义。 本文在第一章介绍了当前全球i c 产业的发展趋势以及我国i c 制造业目前形 势，同时结合电子产业的发展情况，提出了全自动上芯机巨大的市场空间。引出 了本课题主要研究的内容。最后，说明了本课题的社会意义。 第二章简单的介绍了该课题的背景知识，包括了嵌入式系统、运动控制系统、 机器视觉系统三个方面的内容。 第三章详细介绍了嵌入式系统的设计以及运动控制系统和机器视觉系统在全 自动上芯机中的实现。 第四章主要介绍了改进的图像采集技术和图像预处理方面的相关知识。 第五章详细论述了全自动上芯机中晶片质量检测的图像处理算法和晶片定位 算法。 3 华南理工大学硕士学位论文 第二章课题背景知识 2 1 嵌入式系统 2 1 1 嵌入式系统的介绍 随着科学技术的不断发展，半导体技术不断进步，特别是进入二十世纪九十 年代以来，以计算机技术和软件技术为核心的数字化技术飞速发展，其产品不仅 广泛应用到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且已经渗透到家电、消 费电子等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。可以说，我们生活已经被各种 各样的嵌入式产品包围了，在我们的生活用品中，如手机、电话、电子表、电冰 箱、空调等，到处都有嵌入式系统的身影。 嵌入式系统小至一块半导体芯片，大到一个标准的p c 计算机系统，其种类 繁多。那么究竟什么是嵌入式系统呢? 为了解决这个问题，我们首先必须了解一 下计算机的分类方法。传统上，按照计算机的体系结构、运算速度、应用领域等 方面，可以将计算机分为大型计算机、中型计算机、小型计算机和微型计算机。 但是，随着半导体工艺的不断提高和微电子技术的不断发展，各种计算机的应用 领域已经发生了很大的变化。例如，由传统方法定义的微型计算机演变而来的个 人计算机( p c ，p e r s o n a lc o m p u t e r ) ，目前已经占据了整个计算机工业9 0 的市场 份额，其处理速度也大大超过了当年大、中型计算机的定义。与此同时，各种应 用于工业设备、通信设备、消费电子产品等领域的专用计算机不断涌现。可见， 随着计算机技术及其产品涉及领域的不断拓宽，传统的计算机分类方法已经不在 适应发展的需要，以应用为中心的分类方法变得更加切合实际，即根据不同的应 用的领域来分，将计算机分为通用计算机和嵌入式计算机两种盯，。 通用计算机继承了传统计算机的特点，它具有一种标准的形态，例如硬件上 配备监视器、键盘、主机等，而通过安装不同的系统软件和应用软件，构成一个 完整的系统。通用计算机系统具有较大的相似性，其典型的产品为个人计算机。 嵌入式系统，即嵌入式计算机系统，是指嵌入到特定对象体系中的专用计算 机系统。它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，符合应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。“嵌入性 、 搿专用性一与“计算机系统一是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统是指嵌入 式系统所嵌入的宿主系统。嵌入式系统通常都不以计算机系统的标准形态出现， 而是隐藏在特定的应用系统或者设备中。 4 第二章课题背景知识 由于嵌入式系统是一个专用的计算机系统，对可靠性、功耗、体积、成本等 因素具有严格的要求，因此都是根据特定的系统，只配备所需要的硬件和软件系 统，整个系统非常精简、高效。因此，人们有时也将嵌入式系统称为智能系统。 嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如内含微处理器的家用电器、 仪器仪表、工控单元、机器人、手机、p d a 等。从硬件构成来看，嵌入式系统通 常由嵌入式处理器和外围器件( 如r o m r a m f l a s h 、传感器、控制器、驱动器、 用户接口界面、通信接口，电源等等) 组成。此外嵌入式系统中通常还有一个嵌入 式操作系统，一个或多个嵌入式应用程序。一个典型的嵌入式系统的构成如图2 1 所示。 嵌入式应用程序 t 丁 嵌入式操作系统 可丁 仝式处理司秒围设各) 嵌入式硬件平台 图2 - 1 嵌入式系统结构图 f i g 2 - 1t h e a r c h i t e c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m 2 1 2l i n u x 系统介绍 本系统采用工业p c 机和控制板卡( 包括运动控制卡、图像采集卡、驱动放大 板卡等) 组成控制中心。基于工控p c 的全自动上芯机的控制系统的软件都是在操 作系统平台上进行开发的。因此，首先必须选择一种嵌入式操作系统平台。 d o s 系统是一个单任务的操作系统，应用程序在d o s 下独占c p u 资源，直 到运行完毕才放弃c p u 。上芯机控制系统是一个多任务并发的系统，所以要在 d o s 平台开发系统软件，首先必须实现多任务环境。d o s 系统具有结构简单，体 系开放，允许应用程序字节访问定时器，计数器( 8 2 5 3 ) 、中断控制器( 8 2 5 9 ) 等硬件 资源，给开发者提供了构建简单多任务环境的条件( 多年来，我国在这方面的系统 软件开发积累的丰富的经验，因此仍然有部分工业控制系统仍然基于d o s 进行开 发) ，但是d o s 运行在c p u 的实模式下，只能管理6 4 0 k b 的内存，且工作在字 符界面环境下，对设计友好的图形用户界面( g u i ) 提出了很大的挑战，并且微软公 司已经停止发布新的版本。因此，d o s 无法满足上芯机控制系统的要求。 w i n d o w s 系统实现了多任务的功能，具有丰富的资源和开发工具，但是 5 华南理工大学硕士学位论文 w i n d o w s 和d o s 一样，把系统的定时器的定时周期设置为5 5 m s ，且应用程序不 能像d o s 那样直接访问硬件，限制了w i n d o w s 操作系统在具有高频率任务的控 制系统中的应用。此外，w i n d o w s 不对外开放源代码，也必须支付一定的版权费， 并且存在稳定性方面的缺陷。 近年来，l i n u x 操作系统作为一股新生的势力得到迅猛的发展。它的主要特 点有，： ( 1 ) l i n u x 系统与u n i x 系统非常相似，具有u n i x 操作系统得所有优点，比 如多用户、多任务等。 ( 2 ) 系统模块化。l i n u x 的设计思想是模块化设计思想，用户可以自由选择安 装模块，同时用户可以根据实际需求，开发有特定功能的微内核操作系统。 ( 3 ) 相对于w i n d o w s 操作系统，计算机硬件资源的使用效率更高。 ( 4 ) 支持多种文件系统。 ( 5 ) 可移植性好。l i n u x 完全支持p o s i x ( 可移植操作系统接口) 规范，u n i x 下的许多应用程序可以很容易地移植到l i n u x 下。 ( 6 ) 很多硬件均有l i n u x 驱动程序，这为开发工作节约了不少时间，降低了 开发难度。 2 1 3l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势 l i n u x 不仅可以应用于嵌入式系统，而且与其他嵌入式操作系统相比，还有 其自身优势。1 ： 1 、内核功能强大、高度稳定 和目前流行的桌面操作系统相比，l i n u x 是非常稳定和可靠的，并且由于内 核的稳定性使得l i n u x 在移植到特定平台后与通用平台具有一样的高稳定性，它 的高效和稳定已经在各个领域，特别是工业控制领域得到了事实验证。而且l i n u x 内核小巧灵活，易于裁减，很适合嵌入式系统。 2 、支持多种体系结构、移植容易 l i n u x 能支持x 8 6 ，p o w e rp c 、m i p s 等多种体系结构。目前，l i n u x 已经 被移植到数十种硬件平台上，几乎支持所有流行的c p u 。l i n u x 继承了u n i x 的 设计思想，内核与用户界面完全独立，各部分的可定制性都很强，能适合多种需 求和硬件资源有限的嵌入式系统。同时由于l i n u x 采用模块化机制，使设备驱动 程序几乎不需要修改就可适用于其他平台，移植方便。据统计，一个设计优良的 嵌入式系统移植到另一平台只需改动其中的4 代码。 3 、具有良好的开发工具 l i n u x 提供c 、c + + 、j a v a 以及其他许多的开发工具，并且这些开发工具设 要的是，开发者 可以免费获得。l i n u x 基于g n u 的工具包，此工具包提供了完整与无缝交叉的平 台开发工具，从编辑器到底层调试，其c 编译器产生更高效率的执行代码，方便 开发人员进行嵌入式l i n u x 系统的开发。 4 、源码开放、全面的技术支持 由于嵌入式系统千差万别，往往需要针对具体的应用进行修改和系统优化， 因此能否获得源代码就显得至关重要。l i n u x 是自由的操作系统，它的源码开放 性适用户获得了最大的自由度。而且许多基于l i n u x 的系统软件、应用软件、驱 动程序等都是开放源码的，因此可以利用的资源十分丰富。在l i n u x 上开发程序 往往不需要从头做起，而是选择一个类似的自由软件，进行二次开发。对于实际 开发过程来说，完善的文档和及时的技术支持是解决实际问题、提高开发效率所 必不可少的。由于l i n u x 的源代码开放特性和各方面的优异表现，越来越多的程 序员深入其中，开发过程中遇到的任何问题，均可通过i n t e r n e t 得到及时解答。 2 2 运动控制系统 2 2 1 运动控制系统概述 运动控制系统( m o t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 是近1 0 多年来在国际上流行的一个技 术术语，它源于一种狭义的、约定俗成的共识，即它的主要研究内容是机械运动 过程中涉及力学、机械学、动力驱动、运动参数检测和自动控制等方面的理论和 技术问题。 电力电子技术的进步，微机技术的应用和新型控制策略的出现，改变着运动 控制的面貌。运动控制通常是指复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变 成期望的机械运动。运动控制系统使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控 制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控量的综合控制。典型的运动控 制系统有运输机械、数控机床、机器人等，这些系统是力学、机械、材料、电工、 电子、计算机、信息和自动化等科学和技术领域的综合。如图2 2 所示，从电气 控制的角度考虑，现代运动控制技术涵盖了微型计算机、控制理论、电机技术、 电力电子技术、电子技术、传感技术、大规模集成电路和计算机仿真和辅助设计 等方面的应用技术。 运动控制系统中，处理机械系统部分一般称之为轴( a x i s ) ，其上的一个或多个 坐标上的运动以及这些运动之间的协调( c o o r d i n a t i o n ) ，涉及各轴上运动速度的调 节，以一定的加减速曲线来进行运动，以及行程准确的定位或遵循特定的轨迹等 诸如此类的问题。这些精确的位置、速度、加速度乃至力矩的控制主要通过电动 机、驱动器、反馈装置、运动控制器、主控制器( 如计算机和可编程控制器) 来实现。 7 华南理工大学硕士学位论文 图2 2 现代运动控制技术的体系结构图 f i g u r e2 - 2t h ea r c h i t e c t u r eo fm o d e mm o t i o nc o n t r o lt h e o r y 一个以电力为动力，以位置控制为目的的运动控制系统如图2 3 所示。 运动控制 机械系统 p c 或p l c驱动器电动机反馈装置 器 图2 - 3 运动控制系统结构图 f i g 2 - 3t h ea r c h i t e c t u r eo fm o d e m m o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y 图2 3 中反馈装置利用传感器及其信号处理电路，从运动控制系统中提取运 动信息参数，这些信息供给控制器，为控制器的控制策略提供依据；控制器按照 期望的机械运动向电动机的实际动作发出指令，运动控制系统一般通过它形成闭 环，在它的控制下整个系统按照一定的性能指标实现期望的运动：不同的电动机 为了实现不同的运动规律，一般需要通过基于电力电子技术的驱动器将控制器发 出的命令信号转变为电动机的有效驱动电流；机械装置和系统及其工作对象是电 动机的负载，由于其力学特性对系统的影响，所以在对运动控制系统进行完整的 系统分析时是不可忽略的组成部分。 运动控制系统按照不同的标准有以下分类： 按照执行部件类型，即有无位置检测反馈装置，运动控制系统可分为开环、 半闭环和全闭环伺服系统等； 按照机械运动轨迹的类型，运动控制系统可分为点位、直线和轮廓控制等； 8 二章课题背景知识 制方式，运动控制系统可分为位置控制、速度控 制和加速度控制、同步控制、力和力矩控制等； 按照驱动方式，运动控制系统可分为电气控制、液压控制和气动控制等。 2 2 2 步进电机及其控制 2 2 2 1 步进电机工作原理和分类 步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变成角位移，即给一 个脉冲信号，步进电机就转动一个角度。步进电机转子的转角与脉冲数成正比， 转子的转速与单位时间内的脉冲数( 脉冲的频率) 成正比，旋转方向取决于脉冲的 顺序。步进电机有以下特点”： 步进电机的角位移与输入的脉冲数严格成正比，因此没有累计误差，具有 良好的跟随性； 由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，简单、廉价，在数字控制系 统被广泛采用； 步进电机的动态响应快，易于启停、正反转及变速控制； 步进电机抗干扰能力强； 速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得较大转矩，因此 一般可以不用减速器而直接驱动负载； 步进电机存在振荡和失步现象，必须采取相应的措施； 步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差； 按照结构和工作原理的不同，步进电机可以分为三大类：反应式步进电动机 ( v a r i a b l er e l u c t a n c e ，简称v r ) 、永磁式步进电动机( p e r m a n e n tm a g n e t ，简称p m ) 和 混合式步进电动机( h y b r i d ，简称h b ) 。反应式步进电机的转子是由软磁材料制成 的，转子中没有绕组。它结构简单，成本低，步距角可以做的很小，但动态性能 较差。永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。它 的输出转矩大，动态性能好，但步距角一般较大，且需供给正负脉冲信号。混合 式步进电机综合反应式和永磁式两者的优点，它的输出转矩大，动态性能好，步 距角小，但结构复杂，成本较高。由于反应式步进电机的性价比较高，因此这种 步进电机的应用非常广泛。 根据相数，一般为两相、三相、四相和五相步进电机。相数越多，步距角越 小，电机运行越平稳，控制精度越高。 2 2 2 2 步进电机驱动与控制 步进电机通常使用脉冲电源工作，脉冲电源的获得可通过图2 - 4 来说明。开 9 华南理工大学硕士学位论文 关管t 是按照控制脉冲的规律“开 和“关 ，使直流电源以脉冲的方式向绕组l 供电。这一过程称为步进电机的驱动1 。 骤幼辣冲 门 _ - 一l - - 一 n 图2 4 步进电机的驱动电路原理图 f i g 2 - 4t h ep r i n c i p l eo fd r i v i n gs t e pm o t o r 步进电机的驱动方式有很多种，如单电压驱动( 如图2 4 ) 、双电压驱动、斩波 驱动和细分驱动等。通常步进电机驱动器的作用是脉冲环形分配、电流放大，按 一个的规律控制步进电机各相的通电换相顺序，来驱动步进电机和实现步进电机 转向控制。 上芯机中的运动控制器只需要对驱动器发送脉冲和方向信号便可以控制步进 电机的运行，其脉冲分配功能在驱动器中完成，步进电机控制系统如图2 - 5 所示。 步进电机的运行控制涉及到位置控制和加、减速控制。 图2 5 步进电机控制系统结构图 f i g 2 5t h e a r c h i t e c t u r eo fs t e pm o t o rc o n t r o ls y s t e m 步进电机的位置控制是指步进电机带动执行机构从一个位置精确的运行到另 一个位子。位置控制是步进电机的一大优点，它可以不用借助位置传感器而只需 要简单的开环控制就能达到足够的控制精度，因此应用很广。步进电机的位置控 制需要两个参数：第一个参数就是当前位置参数绝对位置；第二个参数是从 当前位置到目标位置的距离，可以将这个距离折算成步进电机的步数。位置控制 的一般做法是：步进电机每走1 步，步数减l ，如果没有失步，那么当执行结构 到目标位置时，步数正好减到0 ，所以用步数等于0 来判断是否到目标位置，作 为步进电机的停止运行的信号。 1 0 第章课题背景知识 步进电机在运行过程种，速度并不是一次加到位。步进电机驱动执行机构从 a 点到b 点时，一般要经历加速、恒速、减速过程。如果启动时一次将速度加到 给定速度，由于启动频率超过极限启动频率f ，步进电机就会发生失步现象，造 成非正常启动。如果到终点突然停下来，由于惯性作用，步进电机就会发生过冲 现象，造成位置精度降低。如果非常缓慢地加减速，步进电机虽然不会发生失步 和过冲现象，但影响了执行机构的效率。所以对步进电机的加减速控制的要求是： 保证在不失步和过冲的前提下，用最快的速度到达制定的位置。一般步进电机的 加减速曲线有匀加、减速曲线( 梯形曲线) 和s 形加、减速曲线等。 2 3 机器视觉系统 2 3 1 机器视觉系统原理和概念 在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检验、生产监视、和零件识别 应用，例如汽车零配件批量加工的尺寸检查和自动装配的完整性检查，电子装配 线的元件自动定位，i c 上的字符识别等。通常这种带有高度重复性和智能性的工 作只能由人眼来完成，有些时候，如微小尺寸的精确快速测量，形状匹配，颜色 辨识等，用人眼根本无法连续稳定地进行，其它物理量传感器也难有用武之地。 这时，人们开始考虑用c c d 照相机把图像抓取到，送入计算机或专用的图像处 理模块，通过数字化处理，根据像素分布和亮度、颜色等信息，来进行尺寸、形 状、颜色等的判别。这样，就把计算机的快速性、可重复性，与人眼视觉的高度 智能化和抽象能力相结合，由此产生了机器视觉的概念。与一般意义上的图像处 理系统如多媒体系统相比，机器视觉强调的是精度和速度，以及工业现场环境下 的可靠性。 一个成功的机器视觉系统是一个经过细致工程处理来满足一系列明确要求的 系统。当这些要求完全确定后，这个系统就设计并建立来满足这些精确的要求。 机器视觉的有点包括以下几点： 精度高 作为一个精确的测量一起，设计优秀的视觉系统能够对一千各或更多部件的 进行空间测量。因此此种测量不需要接触，所以对脆弱部件没有磨损和危险。 连续性 机器视觉系统可以使人们免受疲劳之苦。因为没有人工操作者，也就没有人 为造成的操作变化。多个系统可以设计单独运行。 成本效率高 随着计算机处理器价格的急剧下降，机器视觉系统成本效率也变得越来越 华南理工大学硕士学位论文 高。视觉系统的操作和维护费用非常低。 灵活性 视觉系统能够进行各种不同的测量。当应用变化以后，只需要软件做相应的 变化或升级以适应新的需求即可。许多应用满意过程控铝i j ( s p c ) 的公司正在考虑应 用机器视觉系统来传递持续的、协调的和精确的测量s p c 命令。在s p c 中，制 造参数是被持续监控的。整个过程的控制就是保证这些参数在一定的范围内，使 制造者在生产过程失去控制或出现坏部件时能够调节过程参数。 1 2 - 1 5 ， 2 3 2 机器视觉所面临的困难 1 机器视觉在目标检测技术中的应用 计算机视觉在目标检测技术上的应用很多，在工业上主要包括工件尺寸监测、 产品的表面质量检测等方面。 ( 1 ) 尺寸检测 通过对计算机视觉系统得到的被测图像分析，从而获取所需要的测量信息， 并根据已有的先验知识，判断被测目标是否符合规范( 即合格或不合格) 。如美国 制造业种最为广泛使用的重复性检测相同部件