贴片机视觉系统的研制

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欢迎访问e展厅 展厅 3 电子工业设备展厅 电路板生产设备, 分板机, 贴片机, 波峰焊, 回流焊, ... 摘要：随着微型和密间距片式电子元件的广泛应用，电子产品的制造商在贴装精度与速度方面对贴片机提出了更高的要求。因此，机器视觉系统在贴片机中被普遍采用。贴片机视觉系统主要实现两类功能：对PCB板的Mark识别，从而实现坐标转换；对贴片元件识别、检测、对中，从而实现元件的正确贴装。其组成可以分为硬件部分和软件部分。硬件部分的主要功能是获取高质量的图像；软件部分的主要功能是完成高精度高速度的算法。 关键词：视觉系统 贴片机 LED光源 传统贴片机是使用的机械对中装置，由于其不可靠和容易损伤元件的缺点，现在已经遭到淘汰，目前的贴片机都使用激光对中或视觉对中。 针对片式电子元件的管脚越来越密、体积越来越小的发展趋势，要想精确地贴装就必须考虑如下因素：（1）PCB板的定位误差；（2）元器件的定心误差：（3）贴片机本身的运动误差。如果将影响贴装精度的这些因素累积在一起，就难以实现对细间距元器件的精确贴装。单纯地用机械方式对PCB板定位和对元器件定心，不能满足贴装细间距元器件的精度要求。另外，虽然贴装误差与机器本身的运动误差紧密相关，但是，即使机器本身的运动精度再高，也难以保证贴装细间距元器件的精度要求。几年前，行业内可接受的精度标准还是0．1 mm（chip元件）和0．05mm（密间距元件）。现在，这个标准已经缩减到0．05mm（chip元件）和0．025mm（密间距元件）的趋势。因此，必须使用机器视觉系统，才能实现这样高的精度要求。 1 贴片机视觉系统 1.1 贴片机视觉系统的硬件组成 视觉系统硬件主要由：动摄像机、静摄像机、LED光源、图像采集卡和工业PC组成。静摄像机用于元件的识别、检测、对中。动摄像机与贴装头本体联动用于学习元器件的贴放位置和取料位置，检查贴装效果或质量。摄像机将获取的图像传送到采集卡，由工业PC控制图像采集卡完成图像采集，并将视频信号与工业PC输出的视频合成后送到显示器显示。图1为贴片机的结构图，图2为贴片机视觉系统的结构图。 图像采集卡捕获的瞬间动态图像数据由工业PC做处理后返回结果给主控程序，完成其它相应的控制过程。 1．2 视觉系统功能 视觉系统的功能包括两类：生产功能和标定功能，具体内容见表1和表2。 1.3 视觉系统的工作流程图 软件执行过程中的数据源是片式电子元件的数据库和PCB板的PIK文件（以Protel设计为例）。元件数据库中包含了元件的所有特征描述值；PIK文件中包含了贴装元件在PCB板上的坐标值。图3是对元件一次贴装操作的流程图，功能是完成对一个元件的判定、识别与对中。 2 视觉系统的设计与选型 2．1 LED光源的设计 随着光刻技术的发展，表面贴装技术以及贴装元件的封装技术也迅速发展，贴片元件的封装种类达万种以上。全视觉贴片机通过视觉系统对贴片元件进行识别、检测与对中，根据封装形式与视觉算法可将贴片元件分为Chip、SOIC、QFP、BGA、ODD5种类型。 如果采用单一类型的LED光源是很难获得高质量图像的，将多种类型的LED光源组合并通过计算机控制，可以高速、准确地采集高质量的图像，从而完成快速的贴装过程。组合光源由3个可以独立控制的光源：低角度光源、侧光源和同轴光源组成。 由于选用黑白的摄像机，所以LED发光二极管选用红色、高亮度型。表3为元器件与光源的对应关系 2．2视觉系统硬件集成 （1）选择CCD应当考虑以下因素：采用隔行或逐行扫描、帧传输速率、分辨率、种同步方式、像素颗粒大小造成的电荷溢出、帧场传输间隔、电子快门、最低照度、信噪比、是否具有增益等。 根据贴装速度的要求，在中速贴片机中可以选用隔行扫描的CCD，尺寸大小为6．4mm×4．8mm，分率辨为768H×494V，电子快门可达1／10000s，最低照度可达0．1lx，信噪比（S／N）为56dB。 （2）选择镜头应当在确定工作参数的情况下和CCD相匹配。需要确定以下主要工作参数：摄像机的工作距离、视场大小以及镜头本身性能参数可以调节的范围等。动、静摄像机的工作距离分别为50-100mm和100-200mm，其对应的视场分别为20mm×20mm和55mm×55mm。利用以下两个公式可以算出镜头焦距。 镜头的本身性能理论上讲应当是越高越好，即低畸变（<0．1％），大光圈（可达1．4），可以手动调焦，还应考虑是否为6．4mm×4．8mm的镜头，是否为C接口等匹配问题。 （3）LED灯也要和镜头相匹配，尤其在贴片机的动灯上尤为明显，这是由于光滑的PCB板反光造成的。理论上，动灯最内圈的直径有多大，其映影产生就有多大，因此使摄像头视场在灯直径之内，可以避免映影在图像中呈现。 如图4所示，如果在θ′范围内，映影处于所摄的图像之外，即达到了所能照射的最大区域：如果摄像头的视场再大些，达到θ′包围区域，灯罩挡住了部分图像；如果把摄像头调低，达到夕包围区域，映影处于图像中。 根据以上的分析，可以确定动、静摄像头的结构安装与调整参数值，见表4所示。其安装结构见图5所示。 （4）图像卡与CCD的匹配 图像卡的选配应该考虑以下功能：数字和模拟信号处理，标准和非标准信号处理，逐行和隔行信号处理，多通道和单通道处理，彩色和黑白信号处理，软件匹配等问题。 在中速贴片机中，可以采用具有数字、标准、隔行、多通道和黑白信号处理功能的图像卡。选择VC++为开发平台，自主开发视觉程序。 3 视觉系统的图像摄取与处理 实验1：将不同种类的片式电子元件吸取并运动到摄像头上方，摄取图像并计算位置与角度的偏差（Δx，Δy，θ），见表6所示。贴装头带着元件分别移动位置和旋转角度各20次，计算Δx，Δy，θ值。计算结果表明：计算偏差同运动的预值误差小于8μm。满足规定的要求。 实验2：用光刻的方法制作四角上带有圆形Mark的玻璃板（尺寸：200×200×3，4个Mark的位置精度偏差小于5 μm），将元件按位置预值贴装，采用光学坐标测量仪检测与预值的偏差，测试结果均小于0．1mm（Chip元件）和0．05mm（密间距元件）。 4 结论 （1）该视觉系统能够摄取高质量的图像，系统稳定可靠； （2）建立贴片元件的数据库，在图像识别过程中，可时时调用元器件的参数，减少了图像识别时间； （3）根据元件的参数，可以获取子图像，使图像处理快速并简单； （4）贴片元器件与LED光源匹配，保证了图像的质量，提高了识别的速度与精度； （5）对于异型元件，用户可以自己编程处理。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/2/2008)