（信号与信息处理专业论文）pcb钻孔检测算法研究及系统设计.pdf

中 文 摘 要 i 摘摘要要 在现代电子设备中印刷电路板(printed circuit borad, pcb)占有重要的地位， 是集成各种电子元器件的信息载体，在各个领域得到了广泛的应用。随着技术的 不断发展和工业的持续进步， 电子产品趋于更轻、 更薄、 更短、 更小， 也使得 pcb 制造技术朝更高密度发展。目前 pcb 质量检验工作大部分由人工目测完成，人为 因素的影响易发生漏检和误检。因此，在高度自动化的生产现场如何检测高密度 pcb 一直是研究人员的难题。研制一种高效、稳定、精确、自动化的 pcb 检测 系统就成为一项具有现实意义的紧迫任务。 本课题确定了利用光学摄像技术、微机控制技术、图像处理分析技术来自动 检测 pcb 的方法，为研制一种高效、稳定、精确、自动化的 pcb 检测系统提供 了一个切实可行的方案。 本文首先介绍了 pcb 缺陷检测技术现状及发展，然后分三章来讨论了 pcb 缺陷检测技术。在第二章我们就 pcb 检测系统的构成及其设备的性质、特点进行 了分析，就部分设备的选择进行了研究，并就如何结合计算机视觉技术、精密机 械技术、自动控制技术和图像处理技术，如何解决图像采集高分辨率与大视场之 间的矛盾，如何实现图像的自动拼接，如何实现三维工作台的精确定位等问题展 开了重点研究。在第三章介绍了数字图像处理的基本原理和方法。在第四章我们 就系统构成特点和上述几个主要问题进行分析，论述了课题中软件系统的主要流 程，研究分析了 pcb 的孔心定位和孔径获取算法、检测获得的数据同标准数据比 较的误差分析算法。最后实验数据证明了本课题采用的这种利用图像处理的实用 算法能对印制电路板打孔精度和孔径进行精确检测，而且具有可靠的稳定性和实 用性。 关键词：关键词：pcb,在线检测,孔检测,自动监测， 图像处理 英 文 摘 要 iii abstract printed circuit borad (pcb) plays an important role in modern electronic equipment. it is an information carrier that integrates all kinds of electronic components and is widely applied to many fields. along with the constant development of technology and continuous progress of industry, electronic products tend to become lighter, thinner, shorter and smaller. this makes pcb manufacture technology developing towards high- density. the pcb quality affects the capability of products directly. at present pcb quality test works are mostly completed by manual eyeballing. as the subjective factors effects, missing and mistaken in test often happen. so it is urgent needed to take online automatic optical test into the pcb industry. this paper offers a pcb automatic test method by using optical video technology, microcomputer control technology and image process technology etc. this method put forward an operable and practical scheme to develop an efficient, steady, accurate and automatic pcb test system. this paper firstly introduced the present situation and future development of pcb test technology, then discussed pcb test technology at length in succedent three chapters. in the second chapter we analysed the composing of pcb test system, the property of equipments and part of the equipmentschoosing. we put emphasis on topics as how to integrate computer visual technology, accurate machine technology, autocontrol technology and image process technology, how to solve the conflict between high definition and wide visual range, how to accomplish image automatic joint, how to implement accurate orientation of three- dimensional work flat. in the third chapter we introduced elementary principle and method of digital image process. in the fourth chapter we analysed the characters of system composing, primary flow of software system, arithmetic of the hole center s orientation and the hole diameter s obtaining, arithmetic of the final data error analysis. at last experimental datas proved the practical arithmetic using image process technology in this paper can make accurate test on the precision of pcb hole drilling and hole diameter. this showed the method have credible stability and practicability. keyword:pcb, on- line detecting,hole detecting ，automatic test ，image process 1 绪 论 1 1 1 绪 论 1.1 引言 随着通信、计算机、消费电子等产业的飞速发展，促进了印刷电路板板高速 发展的同时，pcb 行业面临着巨大的挑战，那就是 pcb 的质量问题，现有的 pcb 检 测手段已经逐渐不能适应当今 pcb 的发展趋势。据资料统计，全球 pcb 的产值约 占电子元器件总产值的 18，2001 年全球 pcb 产值 460 亿美元，国内近几年 pcb 产业也在迅猛发展，多层板的产值 2002 年就达到 363.77 亿人民币，在 2005 以后 更是超过了日本成为了 pcb 产业的第一生产大国。随着 ic 产业的突飞猛进、特种 元器件的不断推出，元器件多功能化使得单位面积的引脚数大幅度地增加，加速 了 qfp、tcp 向 bga、csp 等转移，促使 pcb 技术有了与其相适应的明显变化。pcb 产品也向着超薄型、小元件、高密度、细间距方向快速发展。线路板上元器件组 装密度提高，pcb 的线宽、间距、焊盘越来越细小，已到微米级，复合层数越来越 多。目前,印刷电路板的设计、加工水平已经达到 0.20.3mm(孔径)、0.15 0.12mm(线条宽度和间距),层数已经达到 46 层甚至更多,可以说印刷电路板的高技 术和高复杂性已经达到一个相当高的水平,但在生产过程中,如何提高中间过程产 品品质,如何减少废品率,如何提高印刷电路板质量是各电路板生产厂家一直不懈 追求的目标。因此 pcb 工业迫切需要在线检测。然而这种检测由人工完成是十分 枯燥乏味的， 而且人的精力有限， 容易发生漏检和误检。 所以传统的人工目测 （mvi） 和针床在线测试（ict）检测因“接触受限” （电气接触受限和视觉接触受限）所 制，已不能完全适应当今制造技术发展的需要，从上个世纪 80 年代初开始国际上 纷纷研制 pcb 缺陷自动光学检测系统（aoi） 0501 。目前 aoi 已经成为 pcb 板制造 业的必然要求，aoi 设备正被越来越多地用来代替传统地 mvi 和 ict 技术，进行 pcb 板检测， 用来监视和保证生产过程的品质。 aoi 系统不但用于 pcb 制造行业中， 并扩展到 smt 组装线、mcm 基片组装线、玻璃模板、胶片模板的制造、多层陶瓷的 封装、元器件高密度互联、tbga（载带球栅阵列封装）wafer 封装等领域 02 。 印刷电路板检测系统的研究与应用同其它在线检测系统一样，涉及了许多前 沿学科，如信号检测技术、图像处理、模式识别、人工智能、神经网络、小波分 析及计算机实时处理与控制技术等 03 ，它们的工作原理大都一致，都是通过先对 检测对象的参量进行获取或采集，然后根据相应的处理方法得到处理结果，最后， 所得的处理结果通过一定的方式将这些参量体现在控制对象上。现有的印刷电路 板缺陷检测的方法有很多， 大致可以分为两类： 一是参考比较法， 它是将待测 pcb 与标准 pcb 逐点比较或者是把待检 pcb 上提取出的特征与标准 pcb 上提取出的 重庆大学硕士学位论文 2 特征比较，任何差异均被认为是潜在的缺陷。参考比较法的优点是概念上直观， 电路实现比较简单，缺点是要求待检 pcb 和标准 pcb 的空间位置的精确对准，否 则检测的虚报警较多。二是非参考法，它是检测 pcb 是否满足设计规则，主要是 进行尺寸检测，即检查导体和焊盘等尺寸是否满足设计标准所需的坐标、宽度和 间隙，任何与设计规则要求不符的均被认为是潜在的缺陷。它的优点是无需参考 pcb，因而它无需对准，缺点是不能检测出满足设计尺寸的缺陷，比如 pcb 上多 或是少了孔、丢失某条导线等。 同时，这种检测系统的应用非常广泛。该系统中的核心和关键部分是对物体 的实时检测与分选，它除了适用于 pcb 的识别与检测外，还可方便的移植到其它 场合，如：工业现场中的自动检测及加工过程监控；石油、煤矿等地钻探中的切 片图像视觉定量分析；纺织、印染业领域的自动分色、配色等；农副产品的质量 检测（水果自动分拣机器人、烟草自动分级机器人等） 、自动收割（水果自动采摘 机器人等） ；商业与安保上的自动监控与跟踪系统；医学图像的自动分析与诊断系 统；军事目标的自动识别、定位、跟踪等。这些技术的研究和应用对我国企业的 技术革新、增强竞争力具有非常重要的意义02 04 14。这些自动化检测系统所涉及 的理论基础都大致一样，各个系统之间有非常好的移植性，只要其中的一个应用 成功，只需稍做修改，其它的应用应该比较容易实现，因为其它的应用系统的理 论基础都同它一样，因此，对这种系统的理论研究与应用都具有非常重要学术意 义。 1.2当前技术现状和发展趋势 通常 pcb 生产线上一般有以下制作流程：对单面板来说，比较简单，通常是 下料、打孔、网丝漏印、腐蚀、去除印料、孔加工、印标记、涂助焊剂，成品； 对于多层板其制作工艺就为复杂了，内层材料处理、打孔、表面清洁处理、制内 层走线及图形、腐蚀、层压前处理、外内层材料层压、孔加工、孔金属化、制外 层图形、镀可焊金属、去除感光胶、腐蚀、插头镀金、外形加工、热熔、涂焊剂、 成品。可以看出 pcb 制作工序繁多，每一道工序都会出现各种缺陷从而影响产品 质量因此必须进行质量控制。 因此，在 pcb 生产线上就必然会有各种各样的在线检测设备，有的是采用光 学方法有的是采用电子方法（即光学和电测试两大类） 。 传统的电子测试方式是采用制造缺陷分析仪（manufacture defect analyzer， mda） ，它主要是针对生产线中的印刷板上元器件的错钻、漏钻、焊接断路或短路 等生产制造过程中的故障进行判断、分析。在线测试仪（in- circuit tester, ict）进 一步发展了 mda 方法，可以找出制造缺陷，并进行元件功能测试。而组合测试仪 1 绪 论 3 （combinational tester）则进一步对在线测试系统的功能进行了扩展，它可以测量 整个 pcb 或一个单元的功能。另一种电性能测试仪飞针测试仪是利用几根可以在 印刷板上任意运动的探针来对板上元件进行测试，探针在程序的指引下插入并接 触到待测件或部件的两端，在探针上施加测量电流，以判断元器件的是否有效， 它可以完成对断路、短路、元件值等的测试。此种测试方法程序开发也比较简单， 但是测试时间相当长，现常用于对原型板的测试。在以往的 pcb 生产过程中，电 测法曾经是一种比较有效的在线测试方法。但随着 pcb 生产技术的不断提高，它 的局限性也越来越大。目前高密度 pcb 的市场份额不断扩大，使得多数 pcb 上都 设计有极细的走线和超细间距的元器件；高引脚数量使得电气节点数不断上升。 还有许多 pcb 设计中采用了高额信号，使设计者尽量避免布置测试点。现今在一 些高档手机中，电测法往往测试其中不到 50的电气节点；一个测试焊盘甚至比 某一些分离器件还要大。而且电测法使一种接触式检测法，可能对产品造成损害。 所以，近年来光学测试法越来越受到重视。自动光学检查系统（automatic optical inspection system，aoi）利用摄像头、扫描仪等对 pcb 板进行扫描，将标 准板和被测板的电路图像进行比较来检查板上孔空间位置、孔径、走线的宽度、 空隙宽度、电子元件的缺陷。因此这一类检测系统有分为检测孔、检测走线和检 测电子元件的焊接位置等等在不同工序后进行质量控制的系统。这种方法直截了 当，因为 pcb 与元件的形状、尺寸、位置、颜色和表面特征是轮廓分明的。aoi 不仅能检查出 pcb 上断路、短路的缺陷，而且对导线上的缺口、空洞或划痕等都 能进行有效的检查，这是电测法仪器所不能完成的。并且 aoi 对高密度 pcb、超 小型元器件的检测也比电测法更优越。此外 aoi 是一种快速的在线测试法，可以 跟上高速的生产线。对 bga、csp 以及倒装片下隐藏焊点的检测过去曾是 aoi 系 统的一个难点，现在采用 x 光或红外视觉检测的 aoi 可较好的解决此类问题。 自从上个世纪 80 年代初开始国际上纷纷研制 pcb 缺陷自动检测系统。目前能 够生产印刷电路板的 aoi 系统、技术也比较成熟的世界主要制造供应厂商有以色 列 orbotech 及 camtek 公司、optrotech 公司、日本日立制作所的 lioyd doyle 和 screen、英国 tera dyne 公司的 5500 型，美国 angilent 公司的 5dx(有 x 射线)、 林肯激光公司、 ibm公司等。 其中以色列的camtek公司的2v30、 2v50型和optrotech 公司的 vision105 型机，采用设计保准法和 cahp（设计工作自动化系统）参数比 较法相结合的系统原理，来分别查出大缺陷和小缺陷；美国的林肯激光公司的 inspctar/verifier 型自动光学检测仪，也是基于设计保准法原理，可探测导线额 定尺寸和线间距偏差、跨接和断线等缺陷；日本的日立制作所研制的 mp1000 型机 利用在 pcb 板的原材料中产生的荧光，结合图像识别技术，自动检测、判断电路 板上划伤、毛刺、针孔、粘连和其他微细缺陷，具有极高的精度，还有 lc-2c 型 重庆大学硕士学位论文 4 机（如图 1.1 所示）不仅可检测基板上的穿孔位置，同时还可以检测孔径、塞孔、 缺孔、多余孔、检测精度高、速度快、检测时间与孔数无关 06 ；orbotech 公司生 产 trion-2000 系列采用多摄像头技术，因此对于很多平常难以检测到的缺陷都可 以发现，功能也十分强大。 图 1.1 lc-2c 实物图 fig1.1 picture of lc-2c 目前，世界主要制造厂商现以将开始把 aoi 技术推广到电路板上的贴装元件 的位置、方向的检测以及带芯片的电路板的整体检测等领域。从上面的所举的例 子，可以看出 aoi 技术在国外研究的比较早，技术压相对来说比较的成熟，研究 出来的产品也能检测除大部分的印刷电路板的缺陷。但他们大部分售价昂贵，一 般在 1040 万美元，有的甚至高达 100 万美元。这个价位，使国内大部分印刷电 路板生产厂家暂时无力购买。而目前国内对印刷电路板的自动检测系统的研究还 刚刚起步，大约始于 90 年代初中期，目前，从事这方面研究的科研院所也比较的 少，而且也因为受各种因素的影响，对于印刷电路板缺陷的自动光学检测系统 （aoi）的研究也停留在一个相对初期的水平。正因为现有的高性能产品几乎都是 国外产品，国内企业的产品在技术水平上还有一定的差距，而这些进口产品都有 一个弱点：价格昂贵，所以国内绝大部分电路板生产厂家还是采用人工用放大镜 1 绪 论 5 或投影仪查看的方法进行检测。由于人工检查劳动强度大，眼睛容易产生疲劳， 漏检率很高。而且随着电子产品的小型化、数字化，印刷电路板也向高密度、高 精度发展，最小线条宽度和间距已从 0.2mm 提高到 0.12mm。采用人工检测的方法， 基本无法实现。对更高密度和更高精度的电路板已完全无法用人工来检测。检测 手段的落后，导致目前国内多层板（812 层）的产品合格率仅为 5060。因 此，国内急需有自主知识产权的高性能 pcb 检测系统，从而大幅提高产品的合格 率，具备高密度、高品质多层 pcb 板的生产能力，与国外著名公司进行竞争。其 实现的主要思想是借鉴国外产品的一些技术方案进行仿制和技术改进。 1.3 课题具体任务及研究意义 然而，传统的电路板测试仪器往往是针对单一或固定的几块电路板的测试设 备，存在多种明显的不足，首先其自动化程度较低。当要检测一种新的电路板时， 又需要研制一种新的电路板测试仪器，不同电路板的测试设备之间不可通用，测 试和设计都需要专门的技术人员。因此，传统的人工测试手段和简单的自制测试 设备将难以满足对电路板测试越来越高的测试要求。 目前，大量的在线检测与分选系统被广泛应用于工农业生产中，此类系统大 多由经典的计量技术、仪器仪表、信息工程、计算机处理以及自动化控制等学科 知识结合而成。通过检测技术与生产工艺相结合，控制生产设备正常运行，减少 废品，提高质量，是产品和质量保证的核心所在。如前所述的水果在线自动分级 系统、工件尺寸在线检测系统、大米杂物在线分离器等等，它们的基本工作原理 比较简单，都是由五大部份组成：信息获取单元、处理单元、控制单元、执行单 元、结果显示等。 本课题研究的最终目的是要自行研制出能用于工业现场的具有自主知识产权 的高性能 pcb 钻孔检测系统，现阶段的目标是要制造出高性能 pcb 钻孔检测系统 的原理样机从前面所述可以看到，pcb 钻孔缺陷检测是质量控制的重要手段，在加 工过程中进行检测，以求尽早识别缺陷，减少进入下一步工序的有缺陷电路板的 数量，将有助于提高最终的质量，并通过降低返修量和减少废品率可实现降低成 本的目的。 而本课题所研究的正是 pcb 加工过程的钻孔加工环节的检测，该检测系统利 用图像处理的实用算法和 vc语言， 对用德国basler 公司的basler-l801k 线性ccd （电荷耦合器件）摄像机扫描进来的 pcb 图像进行处理，对 pcb 的打孔精度和孔 径进行精确检测，从而给出所有孔的位置、偏差值和整板打孔精度的分布星云图。 在本课题的研发过程中，应该要广泛用到图像处理、模式识别等理论知识，而且 对计算机实时控制技术的应用也必定非常深入。课题的关键部分就是要解决海量 重庆大学硕士学位论文 6 数据的实时处理与 pcb 板钻孔的精确定位、pcb 板钻孔缺陷的准确识别。通常的实 时性是相对于离线而言的，只要是对即刻的情况立即做出反应，比如：银行实时 监控系统，火警监控系统等都是在实时处理的范畴。但这种实时处理与本课题所 指的实时处理有很大的不同，主要体现在量上。通常所说的实时系统一般的反应 速度在 1/2 秒 1 秒左右，而本课题的实时性能不仅速度快，而且所处理的数据 量大。高实时性也正是体现在海量数据的处理上，我们假定 pcb 板的宽度为w像 素、高度为h像素,则对 256 色的灰度图像而言，每秒钟所要处理的数据量为 （hw ）byte；如果 pcb 板宽度为 50 厘米、高度为 60 厘米,分辨率为 1000 像素 /厘米,对本课题的设计要求而言，时间要求为 100s，那么每秒钟所处理的数据量 为：501000601000100=30mb。同时，对其可靠性要求非常高，一旦它出现 问题或工作不可靠，会对整个生产造成巨大的影响。因此，我们也准备在这方面 进行更深入地研究。对本系统而言，可靠性包括了整个系统的长时间稳定运行， 也包括对常见的典型缺陷的准确识别。对于前者，我们将设计系统自诊断模块， 要求系统在启动时进行自检，并且还要求系统能在运行时，监控系统各部份的运 行状况，确保系统能够稳定、可靠地运行。 本系统具有一下几个优点： 通用性强：通用性强：该测试系统能检测多种类型的电路板； 自动化程度高：自动化程度高：测试系统对电路板的测试是完全自动的，测试过程是完全由 计算机进行控制的，不需操作人员介入； 操作方便：操作方便：测试系统中，用户对测试的控制只需在测控软件界面上进行，通 过菜单控制即可完成各种功能； 可扩充性可扩充性：在系统需要检测种类不同的电路板时，只需要改变软件的一小部 分； 1.4 本论文主要完成的工作 本论文所研究的主要内容为研制检测 pcb 钻孔系统的算法以及系统设计。为 此，笔者在结合现有的图像技术的基础上，提出并实现了三种检测钻孔算法以及 本系统硬件的构建方案。在基于高质量无频闪照明、针对不同精度自动调节镜头 参数、光强自检；在对于高精度扫描与大对象范围这一对矛盾的解决方式上，我 们采用高精度的定位分块扫描和空间定位数据拼接的方法来解决。针对大分辨率 的图像中搜索目标对象并找出其圆心空间坐标和直径的参数，我们提出的质心算 法极大的提高了算法的效率。最后，对系统原理样机进行光、机、电、气联机调 试实验，并集中解决了在实验过程中光照方式问题，执行机构精确定位问题等等。 本论文是在对上述内容的研制与实验后的总结，共分为 5 章来进行阐述：第 1 绪 论 7 一章是序论，主要介绍了本课题研制的重要意义和国内外研究现状等。第二章集 中介绍了系统总体方案设计及关键部分。第三章介绍了数字图像处理的概念和基 本处理方法。第四章是本文重点，集中介绍了系统测控软件的设计以及在设计过 程中所用到的一些特殊处理，并且详细探讨了目标图像像素高速提取算法和圆心 坐标高速定位算法等问题。第五章原理样机联调运行及其结果分析，并分析了实 验结果并提出了后期工作的主要切入点以及相应方案。 2 系统方案 9 2 2 系统方案系统方案 2.1 工业检测与控制系统简介 随着现代科学技术的进步，社会正向着多学科、多领域、复合一体化的方向 发展，各种信息相互交织，密切相关。一台完善精密的智能检测与控制系统并不 是单纯的依靠某一项技术来实现的，往往涉及到多个领域、很多的方面，使多项 技术的一个综合体。其中检测是检出与测量的总称，其中，检出是指示某些特殊 量的存在，但无需提供量值的过程；测量是指以确定被测量对象量值为目的的全 部操作8。根据检测工作是在变化过程中进行还是在过程外或过程后进行，可将检 测分为“在线”检测和“离线”检测。工业应用上的在线检测（online detection and measurement） ，狭义上讲，是指在工业生产线上，加入某一环节，以便对生 产中某些参数或工作状况进行检测。从广义上讲，在线检测应当包括检测与控制， 也就是说，在生产线上，运用各种传感器对被生产的产品的某些参数进行实时检 测，将分析测量结果所获得的信息与预先设定的参数进行比较，然后根据比较差 值(即误差信号)做出决策（如反馈调节、数据报表和报警等） ，以保证产品的质量 和生产线处于最佳运行状态12。从准确意义上来讲，本课题所研究的印刷电路板 缺陷自动检测系统的第一步钻孔加工环节的检测系统应该算是第二类“离线”检 测，在第二步 pcb 走线的缺陷检测系统才是“在线”检测系统。它主要涉及到精 密机械、应用电子、工程光学、图像处理、计算机视觉和自动控制等领域。它是 集计算机视觉、图像处理、数控精确定位和自动控制技术于一体的光机电一体化 高科技产品07 08。 在计算机控制技术飞速发展的今天，几乎所有的生产车间都需要各种不同的 监测与检测系统，而且，在我国传统的工业生产中，各种检测与控制系统是提升 企业现代化水平与市场竞争能力的重要手段。因此，对各种工业在线检测与控制 技术的研究对我国的经济建设具有重要意义。在我国，对在线检测与控制技术的 研究和应用起步较晚，60 年代尚处于国外先进技术的引进阶段，到 80 年代初，在 线检测与控制技术才得到明显的重视和发展。近年来，随着人们对这种在线检测 与控制系统的需求的增加，在线检测与控制系统得到了很大的关注与发展。 2.1.1 系统工作原理与基本构成 对在线检测与控制系统的研制需要综合光学、机械学、电子学、自动化以及 计算机技术等多学科知识才能得以实现，从系统的组成来看，在线检测与控制系 统主要由信息获取（传感器）单元、信息处理单元、结果显示单元、信息反馈单 元和调执行机构等几大部分组成09，如图 2.1 所示。其基本工作原理为：由信息 重庆大学硕士学位论文 10 获取单元(sensors)检测被测对象参量变化，并将变化参量转化为能够计算机处理 的数字量；然后根据需要对数字量进行相应的预处理，去除无用信号和干扰信号， 并对有用数据进行快速处理，得出处理结果；而后再将处理结果反馈至预处理单 元和控制单元进行相应的参数调整；最后，将处理结果记录下来以供参考。 2.1.2 在线检测与控制系统的分类与特点 在线检测与控制系统根据不同的出发点可进行不同的分类，也有不同的特点， 下面对此作一下简单的列举8：1、根据检测的方式不同可分为接触式测量和非接 触式测量。对于接触式测量，传感器件或测量器具直接与被测对象相接触，来感 受被测对象的变化，它一般用于离线测量或常温、常压、无腐蚀等对象的测量； 而对于通常的在线测量及高温、高压、强腐蚀等恶劣环境下的对象测量则采用非 接触测量，不同方式的测量其原理不同，合理地选择非接触测量方案是保证测量 精度的前提。2、按照参数是否随时时间变化可分为静态参数和动态参数。对于静 态参数，在生产过程中，只需单次测量或定期测量，在系统中易于测量，易于处 理；而动态参数的检测与处理则显得相对复杂，动态参数可分为周期变化参数， 非周期变化参数、瞬态变化参数以及随机变化参数，其变化规律不同，给检测结 果造成的影响不同，可能是系统误差，偶然误差，或是随机误差，因此系统过程 要对参数实时测量，并对测量结果进行修正。3、根据传感器输出是模拟信号还是 数字信号，又可分为模拟量测量和数字量测量，模拟信号是信息参数表现为给定 范围内的连续信号。数字信号是信息参数表现为用数字表示的一组离散值中各个 值的信号。4、根据控制的方式不同有实时控制和非实时控制，实时控制是在得到 反馈信号的同时，马上对相应参数进行调节,而非实时控制对反馈信号的响应并不 是很迅速，可能会根据一段时间的反馈参考再做出决策。在实际应用中，要设计 出一个性能优良，精度较高，价格合理，操作方便的在线检测与控制系统，需要 综合考虑以上各种因素。 detection field recording sensors 图 2.1 在线检测与控制系统的组成 fig2.1 constituent part of online detection and control system comparison feedback control unit data acquisition information processinginformation display preprocessing 2 系统方案 11 2.2 检测系统方案 在线 pcb 板自动检测系统（aoi）是综合了光学、机械制造及自动化、计算机 处理学等领域的相关技术而研制的处理系统10 20。该系统所涉及到的一些学科与 技术是当今科学研究的前沿领域，其中，图像处理、模式识别、机器视觉等领域 就是一个非常前沿的科学,它从理论上涉及到数学、 图论、 神经生物学等多个领域 , 是一些交叉的边缘科学。pcb 缺陷产生的原因是多方面的，生产过程中的每一个工 序都可能产生缺陷。而各个工序产生的缺陷类型也是不完全相同，导致分析发现 缺陷之后处理方式也是不同的。本课题目前阶段主要针对 pcb 板生产的第一道工 序后检测（主要是对 pcb 板的孔经、孔定位、孔数检测） ，目的是检测分析结果来 对 pcb 板数控钻孔机床的机械参数进行调整。下面先介绍本课题 pcb 板自动检测 系统的结构设计方案。并简述系统中几个关键部分：运动控制环节、图像采集环 节、光学照明环节所需设备及性质以及选择原则。 2.2.1 系统结构框图 在线 pcb 板缺陷自动检测系统（aoi）主要是由几个单元组成：运动控制单元、 无频闪光照单元、图像数据采集控制单元、图像数据处理单元、误差分析处理单 元。如图 2.2 所示。 无 频 闪 照 明 单 元 图像传感器 受检物体 三维工作台 图像采集卡 运动控制器 计算机系统 显示及打印 内含误差分析处理单 元、图像数据处理单元 运动控制单元 图像采集单元 图 2.2 系统结构框图 fig2.2 system structure sketch 其中运动控制单元是由一维工作台（y 轴运动） 、线性 ccd 摄像机运动台（龙 门的 x 轴运动和摄像机的 z 轴上下运动） 、三个伺服电机、美国的 galil-8041 运 动控制卡（输出控制编码数据给三个伺服电机） 、计算机系统组成，它主要负责受 检测 pcb 板在 x 轴、 y 轴的方向上的精确运动控制以及线性 ccd 摄像机的精确成像 的位置移动。 无频闪光照单元是自动检测系统的一个很重要的部分，其主要任务就是产生 合适的照明及确定准确的物象位置关系，保证得到足够对比度和清晰度的图像。 重庆大学硕士学位论文 12 图像数据采集单元是由高精度线性 ccd 摄像机（basler l801k） 、高精度近对 焦镜头、图像采集卡、图像采集程序等组成，它主要负责对受检测 pcb 板的图像 采集，然后输入到计算机系统处理。 图像数据处理单元主要是运用数字图像处理算法，对受检测 pcb 板进行必要 的图像预处理、图像数据结构分析处理（压缩数据量）和图像分割，根据所需要 检测的目标对象，采用合适的算法，检测受检测 pcb 板的缺陷。 误差分析处理单元就是将图像数据处理后的结果来和 pcb 标准制板文件数据 进行比对，来获取误差统计数据并分析受检测 pcb 板的性能。 系统的具体硬件构成如图 2.3 所示。系统是由三维精密机床（工作台y 轴运 动，机床龙门x 轴运动，摄像机运动平台z 轴运动） 、伺服电机、伺服电机驱 动器（美国的 galil 运动控制卡） 、线性 ccd 摄像机、镜头、图像采集卡、计算机 系统（内含图像数据采集单元、图像数据处理单元、运动控制单元、误差分析处 理单元） 、显示器等部件构成。 工作台伺服电机 运动控制卡 图像采集卡 计算机 无频闪光源 摄像机ccd 龙门 镜头 传动丝杆 被检测pcb板 图 2.3系统组成原理图 fig2.3construction principle of system 系统的工作原理是以精密三维机床为核心，辅之线性 ccd 摄像机、伺服电机、 运动控制卡、镜头来构建一个 pcb 图像采集自动控制平台，实现了三维工作台的 精确定位（pcb 板的 xy 平面定位和摄像机的焦距定位） ，完成图像的自动采集， 其中主要是由高性能的 pc 机完成数据的采集、处理和机械平台的自动控制，软件 上以 vc+6.0 为开发工具平台实现运动控制、数据采集、图像定位、数据压缩， 运用数字图像处理技术，构建 pcb 图像处理系统平台，进行图像处理分析和检测， 最后将分析数据和标准数据比对分析 pcb 板钻孔数控机床的性能。 完整的处理流程如下。三维精密机床用线性 ccd 摄像机将 pcb 图像分块射入的图 像经图像采集卡数字化后送入计算机，在计算机的 pcb 图像处理系统软件平台对 此数字图像进行数据分析、压缩、识别并提取有用信息后将各个块图像的信息统 计汇合分析结果，及时将结果和标准 pcb 文件数据比对输出当前数控钻孔机床的 2 系统方案 13 性能并对之进行参数的调整。工作原理和处理流程如图 2.4 所示。 系统初始化 读取标准文件 图像扫描输入 图像调整 图像分割 平滑滤波 目标图像提取 数据提取分析 误差分析报表 图 2.4原理流程图 fig2.4flowchart of principle 2.2.2 图像自动采集单元设计 近年来，随着 ccd 工艺的发展，越来越多的图像采集与处理系统选用 ccd 作 为图像采集部件。一般有面阵 ccd 摄像机和线阵 ccd 摄像机两种，其中面阵 ccd 摄像机由于种类齐全、价格较低，具备实时预览图像功能等特点而得到了广泛的 运用。但是面阵 ccd 摄像机的视域是有限的，要保证在高分辨率的情况下采集大 视域的目标图像（650mm550mm）比较困难,并且光学镜头的边缘线性度不好（有 大约 0.00010.0002 的偏差）,所以一方面我们采用高分辨率的线阵 ccd 摄像机 提高整个检测系统的检测精度。一方面在 y 轴的方向采用精密机械(误差 12um) 传动扫描获取保证了图像 y 轴的高线性度。但是在 pcb 钻孔缺陷检测中，待检测 的 pcb 板通常比 ccd 摄像机的视场要大，这样就存在着高分辨率（10um）和大视 场测量范围（650mm550mm）的矛盾。目前，通常采用分开采集整个大视域目 标物体的多幅局部图像，随后对具有重叠部分的局部图像进行手工或自动图像拼 接的方法来达到目的。手工拼接需要操作人员细心观察图像的某些特征，找到最 佳配准点后进行。这一过程需要多次比较和调整才会有较好的结果。而自动图像 拼接需要采用合适的算法，来寻找最佳的匹配点，这样所花费的时间、内存比较 大。因此，有很多文献提出关于如何提高寻找最佳匹配点的拼接方法，这些方法 原理相似，只是算法不一样，计算量不同而已，但是都没有在数量级上有提高， 更何况由于此类算法有时会出现找错最佳配准点而导致自动拼接失败。所以，不 管一个共同的弱点就是图像的拼接速度太慢，拼接的效率太差，影响了整个系统 的性能。尤其是对 pcb 在线自动检测系统中，速度显得尤其重要。鉴于此，本课 题提出一种基于图像数据压缩处理得到特征数据再在后面采用这些数据进行空间 重庆大学硕士学位论文 14 定位拼接，而不是图像进行拼接是用特征数据进行拼接，这样数据量大大减小（缩 小 10000 倍） ，这样不仅取得了较高的图像采集分辨率，又获得了较高的图像采集 速度和精度。 基本原理就是：控制系统由 pc 机、运动控制卡、伺服电机控制三维数控机床 进行 x 轴和 y 轴的连续扫描分幅摄像，然后对采集到的图像数据用计算机图像处 理系统进行数据压缩、处理、分析拼接，从而得到整个 pcb 板的特征信息（孔数、 孔定位、孔径） ，然后这些信息提供给误差分析单元进行后续的数据分析检测、结 果输出等等。在整个图像采集过程中，其主要环节就是运动控制和图像数据采集 时间配合，一般有两种方式：一种是直线步进连续扫描拼接法；一种是直线单步 间断扫描拼接法。 ccd 摄像机的选择和分析： ccd 选择中的第一点考虑是选择线阵还是面阵。 由上面的论述因为线阵精度较 高，常常用于精密光学测量，所以我们选用线阵 ccd。 1是采用彩色还是单色摄像机 虽然彩色图像看起来漂亮一些，但是选择彩色摄像机就意味着更高的价格、 更大图像数据，并相应的导致了更多的处理时间的消耗。我们知道由于单色图像 （灰度图）通常是 8 位的，而彩色图像可以是 8 位、16 位、24 位或 32 位的，另 外单色图像只包含单一的强度成分， 而彩色图像中包含有 rgb （red、green、 blue， 红色、绿色、蓝色）或 his（hue、saturation、intensity，色调、饱和度、亮度） 成分11 19，彩色图像要达到单色图像的强度分辨率就需要 3 倍于单色图像的数据 量，所以彩色图像处理起来比较复杂，处理时间也多一些。所以，要根据颜色信 息是否对于检测有用来判断是否选择彩色摄像机。在有些应用中，比如测量图像 中物体间的边缘距离、所成角度等等空间位置关系，颜色信息并没有用处，这时 应选用单色摄像机。在本课题中所要研究检测的对象是第一道工序后的 pcb 板的 钻孔定位检测，很明显是对其边缘距离的定位检测来获取对象的空间数据，因此 颜色信息是不需要的，这时我们采用的就是单色摄像机。 2根据检测范围和检测精度来选择 检测精度、 成像光学系统的发大倍数f以及摄像机的灵敏度决定了所选用的 摄像机的象素尺寸d，如下式所示： k f d （21） 其中一般k1，是精度的域值系数。 在此情况下，可测得最大测量范围w为： w k n （2-2） 2 系统方案 15 其中n取整数，为摄像机纵向或横向的有效象素数。 当然，由于有 ccd 象素的细分技术，可以实现更高的检测精度，而且在提高 检测精度的同时检测范围不变12 16。 3根据检测速度来选择 在一些应用场合中，要求在线检测，所以这里就有一个检测时间的限制。对 比同类型日本日立制作所的 lc2c 的检测速度参数方面不能有太大的差别13。lc 2c 对应的 pcb 检测时间：1.200200mm 的 pcb 板,40 秒（标准：位置 0.03mm, 孔径 0.02mm）,60 秒(高精度:位置 0.015mm,孔径 0.01mm)；2. 300300mm 的 pcb 板,60 秒(标准),90 秒(高精度)；3.400400mm 的 pcb 板，80 秒（标准） ，140 秒 （高精度） 。 根据这一数据， 我们也就定下了本课题的检测速度的指标不低于 lc-2c 型设备。所以我们对数字摄像机的采集数据的速度提出了要求来保证检测速度： 采用高速高分辨率的线阵摄像机（basler l801k）如图 2.5 所示，其数据采集传 输的最高速度 4k/s，而一次可以采集 8160 的象素点。根据高精度分辨率要求 （0.01mm）,每一秒系统可以采集的图像的宽度 w=(81600.01mm)=8.16cm,图像的 高度 h= (4k/s0.01mm)=4cm,面积 s=32.64cm 2。对于 200200mm 的 pcb 来说时间 t400/32.64,大约为 14 秒的时间。这款线阵 ccd 款摄像机的价格不是很贵 40000rmb。 ccd camera power supply computer frame grabber supply camera link to ccd supply power to ccd handles video and control signal 图2.5basler l801k 实物图图2.6ccd摄像机连接方案 fig2.5 picture of basler l301bcfig2.6 ccd camera connection scheme 4集成要求和附件选择 选择 ccd 摄像机还要注意和前端的成像光学系统和后续的图像采集卡的配合 问题。在选择了基本的 ccd 摄像机之后，系统附件如镜头、支架、控制软件和与 计算机的接口对系统性能也有很大的影响。选择镜头要考虑视场范围和目标的放 大等因素，同时还有考虑镜头的安装和保护等。 重庆大学硕士学位论文 16 摄像机 校正模 块 多分支 数据转 换 4mbits 缓存 摄像机控 制 同步 输入/输出pci 总线接口 图 2.7 采集卡 horizon link图 2.8 horizon link 图像卡原理图 fig2.7 frame grabber of horizon linkfig2.8schematic of horizon link horizon link 图像卡是法国 i2s 公司专为 camera link 线阵摄像机设计生产 的多通道 pci 总线接口卡,可广泛应用于 camera link 摄像机图像采集、连续图像 检测、高速检测定位、高分辨率图像采集等领域。此图像卡的性能特点如下： 132bit pci 总线，即插即用； 21 至 4 独立 dma 通道，优化 pci 传输； 3可与彩色、黑白、tdi 及多分支输出线阵摄像机连接； 4可同时采集 2 只 8 至 16 位摄像机信号； 5每分支采集速度可达每秒 40 兆像素； 6对于多分支高速摄像机可实时数据重组； 7可选配实时平场校正模块； 8可对摄像机曝光时间、行速率进行控制； 9与角编码器、外触发信号同步； 108 个 ttl 电平输入/输出； 11包含 windowsnt 4.0 及 windows 2000 驱动、c/c+库、cap 交互软件。 2.2.3 无频闪光照单元的设计介绍 计算机视觉之所以能感知复杂的外界信息，完全是因为光场传递的结果，照 明策略又影响光场的传播。所以，目标照明系统的选取将直接影响图像的清晰度 和对比度，在对目标图像进行处理、分析的视觉应用中，决定了图像处理的实时 性和精度，在要求较高的图像检测、视觉定位等应用中尤其如此。因此，合理的 图像照明系统设计显得优为重要，是 pcb 板缺