（控制理论与控制工程专业论文）表面贴装工艺中的芯片视觉检测与定位算法及其实现.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。 作者签名彦坛啄 日期：舯占年么月， 学位论文版权使用授权书 目 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： 囱保密，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“”) 1 本人签名：瑾：毖嗑日期：d 业笸：么：f 导师签名：_ 爿荔孵日期：出冱乙厶工l 一 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( n o 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 针对开发和研制国产贴片机的需要，课题选择了贴片机的视觉处理系统作为 研究对象，重点分析和研究了芯片的视觉检测与定位算法，开发了一套适用于国 产贴片机的p c b 板和各类芯片的视觉检测与定位算法，拥有自主的核心技术。 本课题具有较强的理论和实际意义，不仅可以应用于贴片机系统，提高贴片 机贴装性能，而且可以应用到s m t 领域其它基于视觉的自动化设备中，为其视 觉检测提供基础，具有一定的适应性。取得的主要成果有： 1 在深入分析系统性能需求的和借鉴国外先进机型设计经验的基础上，对贴 片机视觉处理系统的整体硬件设计方案及选型进行了讨论。 2 针对贴片机这种高速运动环境下的高速高可靠性的芯片图像分割问题，提 出了一种改进分水岭算法，该算法结合传统的边缘检测和阈值分割，并采用一定 的集水盆区域合并准则，有效地抑制了图像的过分割现象，实现了贴装元件图像 的正确分割。 3 、通过分析和比较两种模板匹配算法，提出了利用基于边界几何特征的模板 匹配进行p c b 板视觉检测与定位的算法。试验结果表明这种模板匹配在精度、速 度和稳定性方面均比基于象素点相关性的模板匹配表现出了明显的优势。 4 针对各种类型芯片( 主要包括c h i p 、s o p 、q f p 和b g a ) 的视觉检测任 务及其图像中的形状特点，分别提出了自主研发的视觉检测与定位算法。c h i p 、 s o p 和q f p 芯片的识别定位中，采用基于二次曲线拟合的亚象素插值算法，在特 征点之间插入亚象素，提高了计算芯片偏转角度的精度。b g a 芯片的识别算法中 考虑到一般b g a 芯片焊球多为对称布局的特点，提出一种快速点模式匹配算法， 该算法效率较高，可大大减少匹配的计算量，提高了速度。 通过用i p c 一9 8 5 0 评估板进行评估，结果表明所设计的算法完全达到贴片机 芯片图像识别定位的可靠性、重复性以及定位精度的要求。目前该贴片机系统已 投入正式的生产和市场应用。 关键字：表面贴装技术；贴片机；视觉检测；分水岭算法；点模式匹配 a b s t r a c t a i m e da tt h ed e m a n do fd e v e l o p m e n to fh o m e m a d em o u n t e r ，t h ev i s i o ns y s t e mo f m o u n t e ri ss t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n v i s i o nd e t e c t i o na n dl o c a t i n ga l g o r i t h m so f s u r f a c em o u n t e dc o m p o n e n t si s a n a l y s e da n dr e s e a r c h e de m p h a t i c a l l y ，a n das e to f t h e s ea l g o r i t h m so fi n d e p e n d e n tc o r et e c h n o l o g yh a v eb e e n e x p l o i t e d t h e s ea l g o r i t h m sc a nb e a p p l i e di nn o to n l ym o u n t e rs y s t e mt o i m p r o v ei t s c a p a b i l i t y ，b u ta l s oo t h e ra u t o m a t i ce q u i p m e n t sb a s e do nv i s i o ni ns m tn e l dt o p r o v i d eaf o u n d a t i o nf o rv i s i o nd e t e c t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o i l o w s ： 1 b a s e do na n a l y z i n gt h ec a p a b i l i t yd e m a n d so ft h es y s t e mt h o r o u g h l ya n du s i n g t h eo v e r s e a sa d v a n c e dd e s i g n e x p e r i e n c ea sr e f e r e n c e ，t h ew h o l eh a r d w a r ed e s i g n s c h e m eo fm o u n t e r sv i s i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d 2 a i m e da tt h eh i g h 。s p e e da n dh i g h r e l i a b i l i t ys m c i m a g es e g m e n t a t i o np r o b l e m u r i d e rah i g h 。s p e e dm o v i n ge n t i r o n m e n to fm o u n t e r ，a ni m p r o v e dw a t e r s h e da l g o r i t h m i sb r o u g h tf o r w a r d t h i sa l g o r i t h m ，w h i c hc o m b i n e sc o n v e n t i o n a le d g ed e t e c t i o na n d t h r e s h o l ds e g m e n t a t i o na n di n t r o d u c e ss o m er u l e sf o rr e g i o nm e r g i n go fc a t c h m e n t b a s i n s ，c a ne f f e c t i v e l yr e s t r a i nt h ep h e n o m e n ao fo v e rs e g m e n t a t i o n 3 t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft w ok i n d so f t e m p l a t em a t c h i n ga l g o r i t h m ， ap c bv i s i o nd e t e c t i o n a n d l o c a t i n ga l g o r i t h mu s i n ge d g e b a s e dg e o m e t r i c t e m p l a t em a t c h i n gi sb r o u g h tf o r w a r d e x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sk i n d o f t e m p l a t em a t c h i n gc o u l db e t t e ri m p r o v et h ep r e c i s i o n ，s p e e da n ds t a b i l i t v 4 a i m e da tt h ev i s i o nd e t e c t i o nt a s ko fv a r i o u ss m c ( m a i n l y i n c l u d i n gc h i p ，q f p a n db g a ) a n dt h e i r f i g u r e c h a r a c t e r i s t i ci n i m a g e s ，t h ei n d e p e n d e n t e x p l o i t e d a l g o r i t h m so fv i s i o nd e t e c t i o na n dl o c a t i n ga r eb r o u g h tf o r w a r d r e s p e c t i v e l y s u b i p i x e l a l g o r i t h mb a s e do nc o n i cf i t t i n gm e t h o di su s e df o rc h i pa n dq f pr e c o g n i t i o nt o l m p r o v et h ep r e c i s i o no fa n g l ec a l c u l a t i o n af a s tp o i n tp a t t e r n m a t c h i n ga l g o r i t h mi s b r o u g h tf o r w a r df o rb g a r e c o g n i t i o na n dt h es p e e di si m p r o v e d b ye v a l u a t i n gw i t hi p c - 9 8 5 0v e r i f i c a t i o np a n e l ，t h er e s u l t s s h o wt h a tt h e a l g o r i t h m sh a v em e e tt h er e q u i r e m e n t so fr o b u s t ，r e p e a t a b i l i t ya n da c c u r a c yi ns m c i m a g er e c o g n i t i o n c u r r e n t l yt h em o u n t e rs y s t e mh a sb e e no ns t r e a m k e y w o r d s ：s m t ；m o u n t e r ；v i s i o nd e t e c t i o n ；w a t e r s h e da l g o r i t h m ： p o i n tp a t t e r nm a t c h i n g 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1s m t 背景介绍1 1 1 1s m t 及其优点1 1 1 2s m t 的组成及工艺流程1 1 1 3s m t 的现状及发展趋势2 1 2 贴片机与贴片技术2 1 2 1贴片机及其发展概况2 1 2 2贴片机的结构3 1 2 3贴片机的工作原理3 1 2 4 贴片机的主要控制技术一4 1 3 课题研究的理论与实际意义4 1 4 本文研究内容和章节安排5 1 4 1 研究内容5 1 4 2 章节安排6 第二章视觉系统总体方案设计一7 2 1 系统总体设计7 2 1 1 视觉系统总体结构7 2 1 2 视觉系统原理7 2 1 3 视觉系统的作用8 2 1 4 贴装流程8 2 2 光源与照明9 2 2 1 光源的选择9 2 2 2 照明方式设计1 0 2 3 图像的采集l l 2 3 1 硬件选配1 1 2 3 2 采集图像1 2 2 4 图像的处理1 2 2 5 本章小结1 3 第三章图像预处理1 4 华南理工大学硕士学位论文 3 1 芯片图像分割1 4 3 1 1图像分割简介1 4 3 1 2 传统阈值分割算法及其缺陷1 4 3 1 3传统分水岭算法及其缺陷1 5 3 1 4 改进分水岭算法1 6 3 1 5 试验结果及分析1 8 3 2 二值图像去噪2 0 3 2 1图像噪声2 0 3 2 2图像增强技术2 0 3 2 3 形态学运算去噪2 l 3 3 本章小结2 3 第四章p c b 板的视觉检测与定位_ 2 4 4 1p c b 板定位的意义2 4 4 1 1 p c b 板误差来源2 4 4 1 2 p c b 板误差补偿措施一2 5 4 2 模板匹配2 5 4 2 1 模板匹配简介2 5 4 2 2 基于象素点相关性的模板匹配2 6 4 2 3基于边界几何特征的模板匹配2 7 4 2 4 试验结果及分析一2 8 4 3p c b 板定位算法2 9 4 4 本章小结3 l 第五章c h i p 芯片的视觉检测与定位3 2 5 1 芯片视觉检测与定位概述3 2 5 2 基本算法一3 2 5 2 1 点分析3 2 5 2 2 边缘检测一3 3 5 2 3 边界跟踪3 5 5 2 4 最小二乘法3 6 5 3c h i p 芯片的视觉检测与定位3 7 5 3 1视觉检测任务3 7 5 3 2 视觉检测与定位算法3 8 5 3 3亚象素法提高精度4 0 5 4 其它小元件的视觉检测与定位4 2 5 5 本章小结一4 3 目录 第六章s o p 和q f p 芯片的视觉检测与定位4 4 6 1i c 封装及其视觉检测概述4 4 6 2 s o p 和q f p 视觉检测任务4 4 6 3 s o p 和q f p 视觉检测与定位算法4 5 6 3 1 四边管脚的分割4 5 6 3 2每边管脚的识别4 7 6 3 3 角度和中心偏移计算4 9 6 3 4 管脚缺陷检测4 9 6 4 本章小结51 第七章b g a 芯片的视觉检测与定位一5 2 7 1b g a 封装简介5 2 7 2 点模式匹配算法5 3 7 2 1 传统模板匹配算法的缺陷一5 3 7 2 2 点模式匹配算法5 3 7 3 基于点模式匹配的b g a 芯片视觉检测与定位5 5 7 3 1 b g a 视觉检测任务一5 5 7 3 2 b g a 视觉检测与定位算法5 6 7 4 本章小结5 8 结论5 9 参考文献一6 l 攻读学位期间发表的论文一6 4 致谢6 5 i i 第一章绪论 1 1s m t 背景介绍 1 1 1s m t 及其优点 第一章绪论弟一早珀t 匕 表面贴装技术( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ，简称s m t ) 是将表面贴装元器件 ( s u r f a c em o u n t e dc o m p o n e n t s d e v i c e s ，简称s m c s m d ) 快速而准确地贴装到印 刷电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，简称p c b ) 表面规定位置上的电路装联技术， 所用的电路板无需钻插装孔，如图1 1 所示。s m t 是集p c b 、元器件、材料及贴装 设备的设计、制造、组装于一体的多学科综合性新兴的电子电路组装技术，涉及 电子( 包括微电子) 、电气、机械、计算机视觉、自动控制、材料和焊接等专业。 1 ：p c b 板；2 、3 ：表面贴装元器件；4 、5 ：焊接引脚 图1 1 表面贴装示意图 f i g l 一1s k e t c hm a po fs m t 传统的电子组装，就其成本、重量、体积和可靠性方面而言，已经达到了其 极限，表面贴装则可以使得电子组装更加可靠，重量减轻、体积缩小、成本降低。 综合起来，s m t 的优点有如下几个方面：1 、组装密度高；2 、可靠性高；3 、高频 特性好；4 、降低成本；5 、便于自动化生产。1 1 - 3 1 1 1 2s m t 的组成及工艺流程 s m t 的组成通常可以归纳为三个方面：一是贴装设备，人们称它为s m t 的硬件： 二是装联工艺，人们称它为s m t 的软件；三是表面贴装元器件( s m d ) ，它既是s m t 的基础，又是s m t 发展的动力，它推动着s m t 专用设备和装联工艺不断更新和深化。 通常的表面贴装方式分为单面混装、双面贴装、全表面贴装三类。单面板全 表面贴装典型工艺流程大致分为如下几个步骤：( 1 ) 生产准备，主要包括元器件 选用、p c b 板入检以及p c b 板设计与元器件选用匹配等方面的问题；( 2 ) 焊锡膏的 涂覆，将焊锡膏涂覆于p c b 板待贴装元器件的焊盘上，焊锡膏可将电子元器件粘在 既定位置；( 3 ) 贴装s m d ，将元器件贴装到相应焊盘位置；( 4 ) 回流焊，回流焊 是通过重新熔化预先分配到p c b 焊盘上的焊锡膏，实现表面组装元器件焊端或引脚 华南理t 大学硕士学位论文 与p c b 板焊盘之间机械与电气连接的焊接；( 5 ) 清洗，清洗残留在p c b 板上的焊锡 膏；( 6 ) 检验，检验元器件的焊接质量“，。该流程如图1 2 所示。 图1 2 单面板全表面贴装流程 f i g l - 2c o m p l e t es u r f a c em o u n tf l o wo fb o s s e y e db o a r d 1 1 3s m t 的现状及发展趋势 s m t 自2 0 世纪6 0 年代问世以来，经4 0 年的发展，已进入完全成熟的阶段， 不仅成为当代电路组装技术的主流和电子工业界的支柱制造生产技术，而且正继 续向纵深发展，以发挥设备的最大使用效率，满足快速增长的生产需要。相关资 料表明，发达国家的s m t 应用普及率已超过7 5 ，并进一步向高密度组装、立 体组装等技术为代表的组装技术领域发展。如元器件领域，新的封装器件不断涌 现，元器件越来越小，引线间距越来越密。同时，人类环保意识逐渐加强。这些 又相应的对s m t 生产线、s m t 设备以及s m t 工艺材料的发展提出了新的挑战。， 我国是一个电子装配大国，生产线市场很大，而我国s m t 技术的发展，仅有 二十几年的历史，目前无论是片式元件生产线，还是贴装生产线，几乎全是从国 外引进，而且这种状况还会延续下去。但在电子组装工艺技术方面的研究于应用 还是有相当实力的，特别是近几年来随着大型的中外合资电子公司的增加，其工 艺水准基本达到与国外同步水平。n 机器视觉辅助系统是s m t 装备不可缺少的核心部分，目前在国外的研究工作 已经进入了鼎盛时期，但视觉领域仍然没有进入成熟期，而且这方面的技术历来受 专利保护或鲜为人知。而我国在这方面的投入和研究才刚刚起步，国内视觉产品也 基本上以引进国外产品为主。 1 2贴片机与贴片技术 1 2 1贴片机及其发展概况 贴片机是表面贴装技术( s m t ) 领域中的重要设备，它的功能就是在不对元件 和印制电路板造成任何损伤的情况下，快速准确地从料盘上取出表面贴装元件s m d ， 再准确地贴放在p c b 板的对应位置上。 ， 在国外，经过几十年的发展，s m t 贴片机技术已经非常成熟。贴片机在国外 2 第一章绪论 已经更新改进了几代，由早期的低速度( 1 1 5 秒片) 和低精度( 机械对中) 发 展到高速( 0 0 8 秒片) 和高精度( 光学对中，贴片精度6 0u m l 4 g ) ，贴片机 的发展经历了质的飞跃。目前市场上大部分贴片机设备是高速高精密全自动贴片 机，它是由计算机、光学、精密机械、滚珠丝杆、直线导轨、线性马达、谐波驱 动器以及真空系统和各种传感器构成的机电一体化的高科技装备。从某种意义上 来说，贴片机技术已成为s m t 的支柱和深入发展的重要标志，贴片机是整个s m t 生 产中最关键、最复杂的设备，也是人们在初次建立s m t 生产线时最难选择的设备。 作为s d t 设备的龙头，贴片机的发展历来备受设备厂家的重视。当今国内所使 用的贴片机几乎都是国外的进口产品，而这些贴片机的高额价格严重制约了国内 电子加工行业的发展。因此，研制开发国产贴片机一直是国内s m t 领域的目标。 1 2 2 贴片机的结构 贴片机系统按功能可分为机架，贴装头，p c b 板传送机构及支撑台，x 、y 、 z r 伺服系统，定位系统，光学识别系统、送料装置、传感器和计算机操作软件 等模块。在电子组装业中，贴片机通常是根据机械结构特点来分类的，目前贴片 机大致可以分为四类：动臂式、转盘式、复合式和大型平行系统。典型动臂式贴 片机俯视结构如图1 3 所示。 l胃嘲熊 打勰匪目雕1 | i | 一r ：摄像机 i 婵白袭哭彤l 倒 l - - - o 贴装头l 一一，_ j j 一西? 一、吸嘴 ， 贴装头2 ，贴装头厣扩j 一。 l ， 喂料i 台 喂料暑 l o o o o 。l -a n c 一歹一 u 一一一“一 l垦雕悯凰甏剧 1鹭j| 韬 封驯| 瑟趸翟乏琶髫一矿旌量薹墓蕴瑟一f 计f 氍 图1 3 典型动臂式贴片机俯视结构图 f i gl - 3s t r u c t u r eo ft h em o u n t e rw i t hg a n t r ym o d e 1 2 3 贴片机的工作原理 全视觉多功能贴片机的x 、y 定位系统由x 、y 伺服系统来保证，x 、y 导轨由交 3 华南理工大学硕+ 学位论文 流伺服电机驱动，并在位移传感器及控制系统指挥下实现精确定位；z 方向伺服控 制与x 、y 伺服定位系统类似，以适应不同厚度p c b 与不同高度元器件的贴片需要。 在p c b 板上进行了d a r k 点( 直径为1 0 m m 的圆孔) 定位标志，机器视觉能自动求出 m a r k 中心坐标，建立贴片机系统坐标系和p c b 、贴装元件坐标系之间的转换关系， 计算得出贴片机三维运动的精确坐标。贴装头根据导入的贴装元件的封装类型、 元件编号等参数到相应的抓取吸嘴、吸取元件；静镜头依照视觉处理程序对吸取 元件进行检测、识别与对中；对中完成后贴装头将元件贴装至i j p c b 板上预定的位置。 这一系列元件识别、对中、检测和贴装的动作都是工控p c 机根据相应指令获取相 关的数据后指导控制系统自动完成。| 7 - s l 1 2 4 贴片机的主要控制技术 贴片机技术分为机械、控制、视觉处理和生产管理四大部分，和电气开发相 关的是控制、视觉处理和生产管理，而贴片机主要完成的任务包括贴装元件的自 动给进、贴装元件的拾取和贴放、p c b 板的进出和定位、贴装元件的对中、方向 调整及管脚缺陷检查等。 1 、控制系统 控制系统主要完成的是x y z 三个坐标的微米级精度的运动控制、图像采集、 p c b 板的自动进出与定位、送料器的自动进给、吸嘴真空电磁阀自动控制等功能， 由工业p c 、运动控制卡、图像卡、i o 接口板等共同完成。控制系统设计按功能 划分为三坐标控制、图像控制、l e d 灯控制、辅助控制( 进板、送料) 部分等。 2 、视觉处理 视觉系统完成贴装作业中元器件质量检查、元器件定位、p c b 标示点检测， 影像学习坐标点和系统标定的功能，主要由动静摄像头、图像卡、l e d 程控光源 组成。视觉系统可以通过人机交互界面与数据库系统、控制系统和系统标定系统 交换信息，也可以自动交换信息。通过人机界面可以触发视觉系统进行图像实时 采集、关闭采集、读入图像、显示图像等功能。 3 、生产管理 生产管理软件完成贴片工艺的联机、脱机编程，作业调度和控制及工艺优化。 可通过视窗界面完成贴片机的各种运动控制、视觉识别和多种方式的贴片作业； 支持工艺数据编程的在线测试；多种方式的作业模拟与仿真；提供与多种电路设 计c a d 软件的接口，可从设计文件中自动提取贴片数据；提供多种元件特性的元 件数据库支持。- 1 3课题研究的理论与实际意义 表面贴装技术( s m t ) 已成为当今流行于电子工业界的支柱制造生产技术，是 4 第一章绪论 衡量电子制造业技术水平的重要标志。目前国外各大半导体制造装备厂商如美国 环球仪器公司( u i c ) 、雅马哈公司( y a m a h a ) 、铃木公司( s u z u k i ) 等都推出了各 具特色的s m t 设备，这些设备普遍采用了先进的计算机视觉系统完成表面贴装工 艺中的检测和定位任务，但各公司为了保持其产品竞争力则一直采取技术保密路 线。我国s m t 市场发展很快，表明我国已逐步成为一个s m t 加工、生产大国。但 我国s m t 技术的发展，仅有二十几年的历史，而在s m t 的核心技术领域，目前无 论是片式元件生产线，还是贴装生产线，几乎全是从国外引进，而且这种状态还 会延续下去。不仅花费大量外汇，同时也严重制约我国电子制造业的可持续性 发展和市场竞争力。 全自动贴片装备是s m t 生产线中的关键设备，该类设备长期依赖进口，国内 一直未有成功研制并市场化的报道。尽管国内一些应用工作者已着手研究这些相 关技术的基本问题，但对于贴片机这种高速运动环境下的关键自动化技术和高速 高精度视觉检测技术的研究尚处在起步阶段。目前国内已有的贴片设备由于缺乏 关键的芯片质量检测与定位技术而一直处于半自动化水平，特别对于多引脚、细 间距器件( 如q f p 和b g a 器件等) 需要人工进行检测和定位，在产量和质量方面 根本无法参与目前日益激烈的市场竞争。 足贴装过程的实时性和高速高精度要求， 题。 如何采用相应的视觉检测与定位算法满 是s m t 国产化进程中迫切需要解决的问 因此，研究表面贴装工艺中芯片的视觉检测与定位算法，不仅可以应用于贴 片机系统，提高贴片机贴装性能，而且可以应用到其他基于视觉的自动化设备中， 为彩屏p d a 、手机等微电子生产过程的视觉检测提供基础，具有一定的适应性。 1 4本文研究内容和章节安排 1 4 1研究内容 本文针对项目组与全国电子百强企业之一的广东风华高科属下肇庆新宝华电 子设备有限公司合作研制的b h t p 3 3 10 型8 头动臂式全自动贴片机，研究了其中 视觉处理系统部分所涉及的一系列问题，特别是各种类型芯片的视觉检测与定位 算法及其实现。该项目受国家自然科学基金( 6 0 3 7 4 0 1 6 ) 和广东省科技厅2 0 0 4 年重 大科技攻关专项( n o 2 0 0 4 a 1 0 4 0 3 0 0 1 ) 资助。 贴片机视觉处理系统总体上分为硬件和软件两大部分。本文在深入分析系统 性能需求的和借鉴国外先进机型设计经验的基础上，对视觉处理系统的整体硬件 设计方案进行了讨论。 软件方面针对贴片机的高速运动环境，研究了高速、高精度和高可靠性的视 觉检测与定位算法，致力于形成自己的核心技术，这是本文的重点。主要包括图 5 华南理工大学硕士学位论文 像预处理( 图像分割与图像去噪) 算法，p c b 板m a r k 标志点识别与p c b 板定位算 法，各种类型芯片( c h i p 、s o p 、q f p 和b g a ) 的图像识别与定位算法，以及这些 算法的具体实现。 1 4 2 章节安排 本文在第一章“绪论 中首先简介了课题所涉及的一些关于s m t 和贴片机方 面的背景知识。然后引出了本课题研究的意义和内容。 第二章从贴片机视觉处理系统工作原理出发，介绍了本课题研制的贴片机的 视觉处理系统总体设计方案，并对其硬件选配方案和设计原则进行了讨论。 第三章阐述了对采集到的图像所进行的预处理工作，包括芯片图像分割和图 像去噪。提出了改进的基于分水岭的图像分割算法。 第四章分析了两种模板匹配算法的性能优劣，阐述了利用模板匹配完成p c b 板m a r k 标志点识别和定位的算法。 第五章阐述了c h i p 芯片的视觉检测与定位算法，给出了基本算法原理。对其 它小元件的视觉检测与定位也作了介绍。 第六章针对多引脚小间距的s o p 和q f p 芯片，提出了一种自主研发的视觉检 测与定位算法及其实现技术。 第七章针对b g a 芯片的视觉检测任务，提出了基于点模式匹配的快速定位算 法及其实现方法。 6 第二章视觉系统总体方案设计 第二章视觉系统总体方案设计 2 1系统总体设计 2 1 1视觉系统总体结构 贴片机中与视觉系统相关的主要结构包括图像采集卡、移动光学摄像系统( 下 视光学系统) 、固定光学摄像系统( 上视光学系统) 以及l e d 光源。而与贴装密 切相关的运动控制机构由伺服电机、传动丝杠、运动控制卡、i o 接口板、工业 p c 等组成。系统的整体结构如图2 1 所示。 丐 理器 图2 1 视觉系统总体结构示意图 f i 9 2 - 1s t r u c t u r eo f v i s i o ns y s t e m 移动光学摄像系统包括动镜头和面阵c c d 摄像头，安装在贴装头上，可以随 着贴装头一起运动：固定光学摄像系统包括静镜头和线阵c c d 摄像头，固定在 贴片机底座，位于p c b 板传送带和喂料平台之间。c c d 视觉传感器在给定的视 野范围内将实物图像的光强度分布转换成模拟电信号，模拟电信号再通过a d 转 换器转换为数字量，经图像系统处理后一方面将结果反馈给执行机构进行相关控 制，另一方面通过d a 转换器转换为模拟图像，由显示器反映出来，如图2 2 所 示。 2 1 2 视觉系统原理 移动光学摄像系统用于检测p c b 板的m a r k 标志点、送料器和p c b 板上元件 位置的示教以及贴装效果检查等；固定光学摄像系统用于检测贴装元件的缺陷、 7 华南理工大学硕士学位论文 相当于吸嘴中心的位置偏移和贴放角度的偏移等。工业p c 控制图像采集卡完成图 像采集，移动固定c c d 摄像头所获取的图像通过图像采集卡可传至p c 进行实 时观测，p c 完成图像处理后返回结果，完成其它相应控制。l e d 光源的主要功 能是控制光源的开关、亮度和照射方向。进行自动作业时，由视觉系统发送坐标 值，完成准确贴装。， 图2 2 光学系统流程 f i 9 2 2f l o wo fo p t i c ss y s t e m 2 1 3 视觉系统的作用 视觉系统在工作过程中首先是对p c b 的位置确认。当p c b 输送至贴片位置 上时，安装在贴片机头部的c c d ，首先通过对p c b 上所设定的定位标志的识别， 实现对p c b 位置的确认。所以通常在设计p c b 时应设计定位标志( 基准m a r k 点) 。p c b 位置确认后，p c 计算出贴片原点位置误差( 从、j ，) ，同时反馈给 运动控制系统，以完成p c b 识别过程。 接着是对元器件的确认，包括： 1 、元件的外形是否与预期一致； 2 、元件的中心是否对中； 3 、元件的角度是否偏移； 4 、元件引脚的共面性和形变。 在s m d 迅速发展的情况下，引脚间距已由早期的1 2 7 m m 过渡到o 5 m m 和 0 3 r a m 等，这样仅依靠上述两个视觉确认还不够，因此在p c b 设计时还增加了小 范围几何位置确认( 局部m a r k 点) ，即在要贴装细间距q f p 的位置上再增加元 器件图像识别标志，确保细间距器件贴装准确无误。 2 1 4 贴装流程 贴片开始前，贴装头运动到原点，喂料器安放在喂料位置并进行喂料位置学 习。然后系统首先进p c b 板，夹持机构将p c b 板夹紧，移动光学摄像系统摄取 p c b 板上的m a r k 坐标( 基准m a r k 和局部基准m a r k ) ，与贴片机原始坐标 系进行比较，对贴装位置进行数据转换，计算出贴片机贴装的准确位置，然后开 8 第二章视觉系统总体方案设计 始贴装。贴装开始时，系统会根据事先编制好的贴装程序为要贴装的元件选择吸 嘴类型，然后吸嘴运动至喂料器处吸取贴装元件，再运动至固定光学摄像系统处 进行元件识别、检测和校准，即检测元件缺陷( 发现缺陷的做抛弃处理) ，并校准 贴装位置和角度，然后进行贴装，贴装完毕贴装头运行回原位，准备进行下一次 贴装。其流程如图2 3 所示。 在整个贴装过程中，l e d 提供图像摄取所需的光线来源。l e d 光源的控制， 影响图像摄取的质量。 2 2 光源与照明 图2 3 贴装流程图 f i 9 2 - 3f l o wc h a r to fm o u n t i n g 在机器视觉应用系统中，好的光源与照明方案往往是整个系统成败的关键， 起着非常重要的作用，它并不是简单的照亮物体而已。光源与照明方案的配合应 尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部分与那些不重要部份之间应尽可 能地产生明显的区别，增加对比度；同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的 变化不应该影响成像的质量。在机器视觉应用系统中一般使用透射光和反射光。 对于反射光情况应充分考虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面的纹理，物体 的几何形状、背景等要素。t - 。一- 1 - 2 2 1光源的选择 光源的选择必须符合所需的几何形状、照明亮度、均匀度、发光的光谱特性 等，同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。l e d ( l o we m i t t i n gd i o d e 发光二 9 华南理工大学硕士学位论文 极管) 光源显色性好，光谱范围宽，能覆盖可见光的整个范围，且发光强度高， 光亮度稳定，使用寿命长，反应快捷。随着其制造工艺和技术的成熟，价格的降 低，它必将得到越来越广泛的应用，成为图像领域新的亮点。另外，l e d 光源可制 成各种颜色、形状、尺寸及各种照射角度，且电源带有外触发，可以通过计算机 控制，起动速度快，可以随时调节亮度。 由于l e d 光源具有许多优点，且可以根据客户需要，进行特殊设计，因此，本 课题视觉系统中采用高亮度l e d 光源，选择了c c s 公司的低角度环形同轴光源l d r 一5 0 b 和环形测光源l d r 一1 2 0 b 两种不同的环形光源。其中，同轴光源的l e d 排y l j 在 同一个平面上，光线直射上方或下方，以控制待贴装元件表面的亮度，适用于小 尺寸元件( 如c h i p 、二极管、三极管等) 的照明；侧光源的l e d 排y m j 在一个斜面上， 光线成一角度斜照，对于背景和待贴装元件边缘的亮度有较好的控制，适用于大 尺寸元件( 如0 f p 、b g a 等) 的照明。 移动光学摄像系统的光源采用单一同轴光，光线向下直射向下，在p c b 板上 形成均匀的亮度。固定光学摄像系统的光源由同轴光和侧光组成，它们嵌套在一 起，光线向上，通过这两个光源的配合并控制其亮度，可以获得各类不同元件的 最佳图像效果。 2 2 2 照明方式设计 贴片机光源系统中主要有背光和前光两种照明方式。背光照明方式的c c d 和 光源位于元件的同一侧，c c d 处于逆光拍摄，因此元件的边缘轮廓在图像上非常 明显，背景干扰少，有利于元件的边缘提取和定位。这种照明方式常用于转塔型 等高速机型，这类机型通常贴装c h i p 类外形简单的元件。但是对于b g a 等引脚 在底面的元件，这种照明方式就不适用。前光照明方式的c c d 和光源位于元件 的两侧，元件的底面和引脚均能拍摄下来。为了对目前市场上各种表面贴装元件 都能识别，本系统中采用前光照明方式。如图2 4 所示。 侧型生雕由冀源= 二7 z - - - 兀得 卜 i 光源 ij r 同轴光 c c d 图2 4 光源与照明方式 f i 9 2 - 4l a m p - - h o u s ea n dl i g h t i n gm o d e 1 0 第二