（机械设计及理论专业论文）基于线结构光的电路板锡膏三维测量系统研究.pdf

摘要 摘要 提高锡膏印刷质量已经成为表面贴装技术( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ，s m t ) 生产中的最关键因素之一。多年以来，品质人员通过对影响印刷电路板( p r i n t e d c i r c u i tb o a r d ，p c b ) 质量的数据收集及统计发现，有超过6 0 的缺陷与锡膏印刷 质量有直接关系。在当今p c b 设计逐渐趋向小型化与复杂化的今天，有必要对锡 膏印刷质量在焊接之前就进行在线检测和控制。 本论文构建了电路板锡膏的三维测量系统。系统使用s i c k3 d 激光相机扫描 锡膏表面，该相机的工作原理是线结构光经聚焦后，投射在被测锡膏上，受锡膏 形貌调制变形的激光线在c c d 摄像机光敏面上成像，二维图像经过相机内部c p u 进 行处理，利用成像的透视变换模型，并根据光平面与摄像机及被测锡膏之间的位 置转换关系，计算出锡膏表面高度方向和横向的二维廓形( p r o f i l e ) ，将已涂锡膏 电路板放置于直线电机工作平台上，通过编码器将直线电机运动反馈给激光相机， 记录当前位置的横向坐标，与获得的当前锡膏表面的二维廓形结合，从而得到整 个锡膏轮廓的三维表面。相机在1 秒钟内可以完成3 5 0 0 0 个二维廓形的捕捉和拼合， 配合高速直线电机( 速度超过5 米秒) ，可以在1 0 0 毫秒以内完成测量精度在2 微米以内，尺寸15 0 毫米3 0 0 毫米电路板锡膏测量，能够满足电子行业生产流程 中的实时在线要求。采用直线电机平台进行运动实现和控制，应用竞选算法对锡 膏廓形进行拼接处理，实现了印刷锡膏高度信息与位置信息的实时获取，从而达 到对锡膏印刷质量进行检测和评估的目的。本文主要研究工作内容与创新点如下： 本文介绍了机器视觉的分类、机器视觉系统的组成及当今发展情况，其中深 入探讨机器视觉在电子制造行业中的应用，阐述了论文的研究目的与意义；论述 了直线电机在锡膏测量系统中必要性，并详述了其工作原理，分析了在锡膏测量 系统中对直线电机的选型要求；概述了线结构光三维轮廓测量的几种方法和计算 公式，对光切测量法的解析几何模型和透射投影测试模型进行分析；结合本论文 使用的核心部件s i c k3 d 激光相机，介绍了其安装方法、镜头选择、内部工作原 理及其算法；应用非完全b e t a 函数对二维图像进行增强处理和拼接处理，应用竞 广东工业大学t 学硕士学位论文 选算法对三维锡膏廓形进行了拼接处理，获得电路板锡膏三维高度整体信息。 关键字：激光；锡膏；三维测量；直线电机；竞选算法 a b s t r a c t p r o c e s sc o n t r o li ns m t ( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) a n di m p r o v i n gt h eq u a l i t y o fs o l d e rp a s t e rp r i n t i n gh a v eb e c o m eo n eo ft h ek e yf a c t o r si ns m t p r o d u c t i o n b a s e do nt h es t a t i s t i c a ld a t a ，q u a l i t yp e r s o n n e lf i n do u tm o r et h a n6 0 o f j o i n t i n g b u gi sr e l a t e dt ot h ep r i n t i n gq u a l i t yd i r e c t l y t o d a y , p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) d e s i g nh a v eb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e xa n dt i n y , m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo f p r i n t i n gq u a l i t yb e f o r ej o i n t i n gi sn e c e s s a r y t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s ht h r e e d i m e n s i o n a lp c bs ol d e r p a s t em e a s u r e m e n t s y s t e m t h ec a m e r as c a nt h es u r f a c eo fs ol d e rp a s t e ，a n dt h es t r u c t u r e - l i g h tf o c u so n t h ep c b a n a m o r p h i cl a s e ri m a g i n go nt h es e n s o ro ft h ec c dc a m e r a ，2 di m a g e d e l i v e rt oc p ua n dp r o c e s s e d w i t hi m a g i n gt r a n s f o r mm o d e la n dc o n v e r s er e l a t i o n a m o n gc a m e r aa n dl i g h ts u r f a c ea n ds o l d e rp a s t e ，2 dp r o f i l e sh a v eb e e nc a l c u l a t e d p u tt h ep c bw h i c hc o v e r e ds o l d e rp a s t eo nt h ep l a t f o r mo fl i n e a rm o t o r c a m e r ac a n r e c o r dc u r r e n tc o o r d i n a t et h r o u g hm o v i n gf e e d b a c kf r o mc o d e r , t o g e t h e rw i t ht h e2 d p r o f i l e s ，i tp r e s e n t st h e3 ds u r f a c eo fw h o l es o l d e rp a s t ep r o f i l e s c a m e r ac a nc a p t u r e 3 5 0 0 02 dp r o f i l e si nas e c o n d i tw o r kw i t hh i g hs p e e dl i n e a rm o t o r , c a m e r ac a n m e a s u r e15 0 m m 3 0 0 m mp c bi n 2 斗m i tc a ns a t i s f yt h en e e do fo n l i n ed e m a n di n t h ep r o d u c tp r o c e s sf o re l e c t r i cf i e l d i m p l e m e n tr e a lt i m ea c q u i r e m e n to fl o c a t i o na n d h e i g h ti n f o r m a t i o n i tr e a c ht h eo b j e c t i v eo fm e a s u r e m e n ta n de v a l u a t i o ni np r i n t i n g q u a l i t y t h em a i nr e s e a r c ha n di n n o v a t i o na sf o l l o w t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s ht h r e e - d i m e n s i o n a lp c bs ol d e r p a s t em e a s u r e m e n t s y s t e m , i m p l e m e n te x t r a c t i o no fi n f o r m a t i o no fl o c a t i o na n dh e i g h t ，w h i c hi s c o m p e t e n tf o rt h es u r f a c em o u n tq u a l i t yc o n t r o la n de v a l u a t i o n t h es t r u c t u r e d l i g h t m e a s u r e m e n tt h e o r ya n dl a s e rs c a n n i n gt e c h n i q u ei s a p p l i e dt o t h i ss y s t e m t h i s d i s s e r t a t i o ni n t e g r a t ee l e c t i o na l g o r i t h ma n di n c o m p l e t eb e t a f u n c t i o nt ot h ep c b s o l d e rp a s t e ri m a g ec o m b i n a t i o na n dq u a l i t ye n h a n c e m e n t w i t ht h ea s s i s t a n c eo f l i n e a rm o t o r ，t h es y s t e mi se x p e r i m e n t e d t h em a i nr e s e a r c ha n di n n o v a t i o na sf o l l o w d i s s e r t a t i o nr o u n d l yi n t r o d u c et h ec l a s s i f i c a t i o no fm e c h a n i c a lv i s i o na n di t s i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 i ! i 薯 d e v e l o p m e n t a ls i t u a t i o n i th a sd i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o no fm e c h a n i c a lv i s i o n i n e l e c t r o ni n d u s t r y a f t e r w a r d s ，t h ep a p e rp r e s e n tt h ea d v a n t a g eo fl i n e a rm o t o ri n i n d u s t r yf i e l d ，e x p a n d i t s o p e r a t i o n a lt h e o r y a n dc o n t r o lt h e o r y a n a l y z et h e r e q u i r e m e n to fc h o i c eo ft h el i n e a rm o t o rm o d e l ；n e x t ，s u m m a r i z es o m em e t h o d so f o p t i ct h r e e d i m e n s i o n a lp r o f i l em e a s u r e m e n ta n ds o m ef o r m u l a s ，a n a l y z et h ea n a l y t i c g e o m e t r ym o d e la n dc l a i r v o y a n tp r o j e c t i o n m e a s u r e m e n tm o d e lo fl a s e rc u t m e a s u r e m e n t ，a c c o r d i n gt ot h ec o r ec o m p o n e n to ft h i sr e s e a r c h ，t h ep a p e ri n t r o d u c e i t sm o u n t i n g ，a c c e s s o r i e s ，i n s i d eo p e r a t i o n ，a n ds o m ee m b e ds e n s o ra l g o r i t h m s a n d t h e n ，t h r o u g hi n c o m p l e t eb e t af u n c t i o n ，e n h a n c et h et w o d i m e n s i o n a li m a g ef r o m c a m e r a ，m a k et h ef o l l o w i n go p e r a t i o ne a s y t h r o u g he l e c t i o na l g o r i t h m ，j o i n tt h e t h r e e - d i m e n s i o n a lp r o f i l e st o g e t h e r ，a c q u i r et h e3 dm e s s a g e so f t h ep c b k e yg o r d s ：l a s e r ；s o l d e rp a s t e ；t h r e e - d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n t ；l i n e a rm o t o r ； e l e c t i o na l g o r i t h m i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表达了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人愿意承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 年月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论帚一早珀下匕 虽然人类对智能机器的幻想可以追溯到很遥远的过去，但人们直到上世纪中 叶a l a nt u r i n g 的出现，才在他一系列的相关论著中看到较为广泛清楚的论述。 a l a nt u r i n g 是现代数字计算机与人工智能两个领域的奠基人之一，他相信数字 计算机可以具备有理解场景的智慧和能力f l j 。不过有些学者已经证明利用现有的 人类科技水平难以实现这样远大的目标，就是在未来很长一段时间内要实现这样 伟大的目标也并非易事。令人振奋的是在某些研究领域人类对这方面的研究已经 有了令人惊奇的进展，赋予计算机类似生物体所具有的信息处理功能就是其中之 一。要让机器能够对可视世界进行理解，即不但要让机器有视的能力还要求机器 有一定程度的觉的能力，让机器具有这种视觉一直是人类很多年以来的梦想。随 着计算机科学和信号处理理论的发展，人们试图用摄像机获得环境图像并通过把 其转换成数字信号，使计算机实现了对视觉信息处理的全过程，这样就形成了机 器视和觉的过程，即产生了一门兴新的学科一一机器视觉，也叫计算机视觉【：l 。 计算机视觉的研究目标是使机器不仅能感知三维环境中物体的几何信息，如 它的形状、位置、姿态和运动等，而且能对它们进行描述、存贮、识别和理解。 计算机视觉的研究目的和内容有两个方面：一是如何用计算机实现部分人类视觉 的功能，即设计某种适度的视觉系统；二是由此帮助理解人类视觉的机理，即提 供人类视觉的计算模型【，l 。计算机视觉，它是计算机科学和人工智能研究领域的 重要分支。 视觉是人类观察世界和认知世界的重要手段，人类通过眼睛和大脑来获取、 处理与理解视觉信息。使机器具有视觉是人类多年以来的梦想，随着信号处理理 论和电子计算机等相关技术的发展，机器视觉得到了迅速的发展。从计算机视觉 概念和方法出发，将视觉应用于空间几何尺寸的精确测量和定位，从而产生了一 种新的计算机视觉应用概念一视觉测量。视觉测量是以计算机视觉为理论基础， 采用先进的高密度、低噪声和畸变小的图像传感器，通过高速实时图像采集系统， 专用图像硬件处理系统以及高性能计算机完成对二值或灰度图像的有效处理的先 _ 广东工业大学工学硕士学位论文 进系统。视觉测量任务对生产线上的工件或装配件进行测量以确保他们与预置标 准量的相符程度，具有非接触、动态响应快、大量程、高效率、全自动化等优点， 广泛应用于制造加工工业中l 川。视觉测量作为当今高新技术之一，在电子学、光 电探测、图像处理和计算机技术不断成熟和完善的基础上得到了突飞猛进酶发震， 并有着广泛的使用，如应用予产品在线质量监控、微电子器件( i c 芯片、p c b 板、 b g a 封装) 的自动检测、各种模具三维形状的测量及生产线中机械手的点位与瞄准 等，所以各先进匿家都竞相发展这项高新技术。 1 2 机器视觉 - 1 2 1 机器视觉系统分类 机器视觉系统分为嵌入式系统和p c - b a s e 系统两类。 冈一b a s e 系统一般由枫器视觉标准配件包括工业髑视觉光源、工业镜头、正 业相机、图像采集卡、机器视觉软件和工业p c 搭建而成，系统构成复杂，需要具 备光学、机械、自动化、图像算法及专业编程知识的技术人员来实现。一般情况 下，硬件系统搭建究毕后，还要根据项嚣需求进行二次开发后才能上线使翔。丽 嵌入式系统则是光源( 某些嵌入式系统会内置) 、镜头、相机、图像采集处理功 能和视觉图像分析软件的高度集成化，系统功能模块化。有些嵌入式系统的软件 操作界面j 鬻简单，按照软件界面向导设震后就可以上线运行。嵌入式视觉系统 又有两种名称：智能相机( s m a r tc a m e r a ) 、视觉传感器( v i s i o ns e n s o r ) 。智 能相机相对于视觉传感器，一般硬件处理速度更快、软件功能模块更为强大，可 以适应各种适合嵌入式系统的复杂视觉检测应用。当然，智能相机( s m a r tc a m e r a ) 与视觉传感器( y i s i o ns e n s o r 之间并没有严格的划分标准，我们都称为视觉传 感器也没有错f 5 l 。 p c b a s e 视觉系统和嵌入式视觉系统在半导体和电子行业都有广泛应用，嚣 要根据系统需求来确定到底采用哪种视觉系统。嵌入式系统的主要特点是速度快、 性能稳定、操作简单、体积小巧，非常适合于对检测系统安装空间要求非常严格、 二次开发需求不是很强以及要求性能稳定的场合。尤其是已有生产设备需增加检 2 第一章绪论 测功能，提高设备附加值者，选择嵌入式系统的性价比较高。世界知名机器视觉 厂商或自动化厂商如c o g n e x 、d a l s a 、o m r o n 、s i c k 、b a n n e r 、s i m e n s 等都有嵌入 式机器视觉系统大量应用在半导体后段制程及电子行业。 i 2 2 机器视觉的组成 机器视觉是一项综合技术，包括图像处理、机械工程技术、控制、点光源照 明、光学成像、传感器、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术( 图像增强和分 析算法、图像卡、i o 卡等) 。这些技术在机器视觉中是并列关系，相互协调应用 才能构成一个完整的工业机器视觉应用系统。机器视觉强调能够适应工业现场恶 劣的环境、有合理化的性价比、较强的通用性和移植性，即实用性；它更强调高 速度和高精度，即实时性。 机器视觉应用系统中，用到很多技术，但关键技术主要体现在光源照明、光 学镜头、摄像机( c c d ) 、图像采集卡、图像信号处理以及执行机构等。下面对这些 关键技术的发展现状进行阐述。 光源按其照射方法可分为背向照明、前向照明、结构光照明和频闪光照明等。 背向照明是被测物放在光源和摄像机之间，其优点是能获得高对比度的图像；前 向照明是光源和摄像机位于被测物的同侧，这种方式便于安装；结构光照明是将 光栅或线光源等投射到被测物上，根据他们所产生的畸变，解调出被测物的三维 信息；频闪光照明是将高频率的光脉冲照射到物体上，摄像机拍摄要求与光源同 步，这样能有效地拍摄高速运动物体的图像f s 】。照明亮度、均匀度、发光的光谱 特性要符合实际的要求，同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。 表卜1 列举了几种主要光源的相关特性f 7 - s i ： 广东工业大学工学硕士学位论文 表1 1 主要光源的相关特性 t a b l e1 - ic o r r e l a t i v ec h a r a c t e ro fm a i nl a m p - h o u s e 光源颜色寿命h发光亮度特点 发热多，较 卤素灯白色，偏黄 5 0 0 0 7 0 0 0 很亮 便宜 荧光灯白色，偏绿 5 0 0 0 - 7 0 0 0 亮便宜 红，黄，绿， 固体，能做 l e d 灯 6 0 0 0 0 - 10 0 0 0 0 较亮 白，蓝，等成很多形状 发热多，持 氙灯白色，偏蓝3 0 0 0 7 0 0 0 亮 续光 发光频率决发热少较便 电致发光管5 0 0 0 一7 0 0 0 较亮 定宜 光学镜头一般称为摄像头或摄影镜头，简称镜头，其功能就是光学成像。镜 头是系统中的重要组件，对成像质量有着关键性的作用，在组建机器视觉系统时， 硬件设备要根据实际需要选择合适口径和焦距的镜头【，l 。光学镜头成像质量优劣 程度可以用像差的大小来衡量，常见的像差有球差、彗差、像散、场曲、畸变、 色差等六种。在选用镜头时需要考虑一下的问题：( 1 ) 成像面大小，成像面是入射 光通过镜头后所成像的平面，这个面是圆形。一般使用c c d 相机，其芯片大小有 1 3 ，1 2 ，2 3 及1 英寸4 种大小，在选用镜头时要考虑的就是该镜头的成像面与 所用的c c d 相机是否匹配。( 2 ) 焦距、视角、工作距离、视野，焦距是镜头到成像 面的距离；视角是视线的角度，也就是镜头能看多宽；工作距离是镜头的最下端 到景物之间的距离；视野是镜头所能够覆盖的有效工作区域。以上四个概念相互 之间是有关联的；其关系是：焦距越小，视角越大，最小工作距离越短，视野越 大。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 相机及图像采集卡共同完成对目标图像的采集 与数字化。目前，c c d 、c m o s 等固件器件已经是成熟的应用技术。线阵图像敏感 器件，像元尺寸不断减小，阵列像元数量不断增加，像元电荷传输速率得到极大 提高。表1 - 2 所示为一种高性能线阵c c d 器件的参数【l o l 。从中可以看到，线阵器 4 第一章绪论 件像元素和数据的传输率大大提高， 能力，如增益调整、曝光时间选择、 而且器件设计集成了新的功能，具有可编程 速率调节以及维护等。 表1 2c c d 器件的参数 t a b l e1 2p a r a m e t e ro fc c dd e v i c e d a t a标称 器件名称譬 像元分辨数据动态 增益 率 r a t e 阵列数 格式范围 m h z 范围 8 - b i t p 2 - 8 0 - 1 2 k 8t a p s ， f u l l2 1 0 ： 1 2 2 8 8 7 z m 7 p z n 3 2 0 双阵列 l o 如 4 0c a m el c c d r a l i n k 在线阵器件性能提高的同时，高速面阵图像器件性能也在快速提高，某种超 高速面阵c c d 器件，允许的最大分辨率为1 2 8 0 x 1 0 2 4 像素，最大帧率可以达到 6 0 f p s ，且像素灵敏度达1 2 b i t s t m 。 图像信号的处理是机器视觉系统的核心。视觉信息的处理技术主要依赖于图 像处理方法，它包括图像变换、数据编码压缩、图像增强复原、平滑、边缘锐化、 分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。随着计算机技术、微电子技术以及大 规模集成电路的发展，为了提高系统的实时性，图像处理的很多工作都可以借助 硬件完成，如d s p 芯片、专用图像信号处理卡等，软件主要完成算法中非常复杂、 不太成熟或尚需不断探索和改进的部分1 1 2 】。要实现工业领域机器视觉系统的最终 目的还需执行机构来完成。不同的应用场合，执行机构可能不同，比如机电系统、 液压系统、气动系统、无论哪一种，除了要严格保证其加工制造和装配的精度外， 在设计时还应对动态特性，尤其是快速性和稳定性给予充分重视。 广东= 监大学工学硕士学位论文 1 3 机器视觉在电子行业中的应用 l l 。3 1 电子行业对检测的需求 电子制造工业对于产品的质量要求十分严格。对予每分钟高达数百乃至上千 件的患予件制造过程来说，每提高l 筠的产品合格率都意味着巨大的经济效益。然 而目前国内大部分电子制造企激尚处于劳动密集型生产方式，产品在制造过程中 各道工序的质量检测通常由专门的质检工完成。人工检测的劳动强度大、成本高 面检测效率低，已严重制约企业提高产品质量、降低生产成本、增强市场竞争力 的现代化进程；枫器视觉技术在电子工监实际应用中已经历了缀多年的发展。南 于具有1 0 0 在线、非接触、高效率、低成本、完全智能化等诸多优势，机器视谶 技术极为适合于大批量、高速度制造过程的产品质量检测。随着9 0 年代以来光电、 自动化和计算机图像处理技术的迅速发展，工业产品的机器视觉检测技术已经进 入应用成熟化阶段。而机器视觉检测技术是解决这一棘手问题的有效对策【1 3 4 s 1 。 因此，电子行业对先进的机器视觉技术的需求是巨大的。 1 1 3 。2 机器视觉在电子行业的应用 机器视觉传感技术在半导体工业上的应用早在二十年前就已开始，半导体设 备是机器视觉技术发源地：并蛊成为机器视觉赖以生存的巨大市场之一。半导体 制造业每次技术上的飞跃，如晶圆越做越大，而内部线路越做越细，向超细间 距式器件挺进；每分钟生产线上需要检测、测量器件的数量越来越多，都将伴随 着叛一轮半导体、电子生产装备的诞生。随之必将产生薪的质量保涯系统改善其 生产率和保证零次品率，进而促使机器视觉市场不断发展壮大。机器视觉技术本 身也随着电子行业以及光学、自动化等技术的发展而不断完善、发展。 半导体制造过程可以划分为蘸、中、蜃三段。在这三段中，每段劁程，机 器视觉都是必不可少的。在前、中段过程中，机器视觉主要应用在精密定位和检 测方面。没有精密定位，也就不可能进行硅片生产。中段制程是半导体制程的最 重要环节，与机器视觉相关的还有最小刻度测量。目前，后段制程则是机器视觉 6 第一章绪论 应用非常广泛的环节。后段制程主要涉及晶圆的电器检测、切割、封装、检测等 过程。晶圆在切割前必须使用机器视觉系统检测出瑕疵，并打上标记。检测完毕 切割过程中需要利用机器视觉系统进行精确快速对准定位，采用基于机器视觉技 术的预对准技术具备很强的速度优势。基于机器视觉的解决方案，只需要半秒钟 就能定位硅片中心并对准切口。美国知名机器视觉厂商c o g n e x 生产的智能相机 i n s i g h t l 8 2 0 就有类似的应用。切割过程开始后也要利用机器视觉进行定位。如 果定位出现问题，则可能整片晶圆会报废。切割后的i c 要保证在不互相接触的前 提下分装到相应的容器内部，再继续利用机器视觉系统找出非瑕疵品进入封装过 程。 在电子制造业，机器视觉应用广泛的另一领域就是连接器检测。世界知名的 连接器厂商如m o l e x 、t y c o 等的生产线上都有大量的机器视觉检测系统在运行。 其中，m o l e x 具有自己的一个独立自动化部门，专门根据客户要求及连接器各种 技术变化情况，自行研发制造机器视觉检测设备，该部门从检测需求到设备研发 完毕，上线研发周期均很短，从而能保证m o l e x 的连接器可以随时根据客户的要 求而有相对应的质检措施并能保证零瑕疵出厂。连接器制造流程主要分为冲压、 电镀、注塑、装配四个主要工艺流程，在四个流程当中，每个环节都对连接器产 品尺寸和质量要求极为严格。比如n o k i a 对m o l e x 生产的连接器要求为零次品率， 即要求m o l e x 提供给n o k i a 手机使用的连接器要求为1 0 0 都是合格品。而连接器 大都体积非常小、精度高、制作工艺繁复、产品数量巨大、生产线运行高速。如 电镀环节速度非常快，最快可达到1 0 米分钟。这就要求必须使用机器视觉技术 对所有的生产产品在相应环节过程中进行测量和检测，及时剔除不合格产品1 1 6 。 电子枪生产线最后一道工序是电子枪妞、弯曲等参数的检验和修复。长期以 来，检验主要靠人眼观察判断，对于检出的不良品，如其在可修范围内的，则由 有经验的工人通过眼睛观察用手矫正，这种检验与矫正需要由扭曲和弯曲两道工 序完成。由于电子枪成品是一个整体，一种参数的矫正操作会破坏其他参数的进 度，所以，矫正后还要再返回到上道工序重新检验确认。在大规模工业化连续导 板生产中，由于工人个性差异以及情绪的波动，这种检验和矫正方法很难保证产 品质量的一致性，良品率也不能得到稳定提高，有时还会是判断和误判失控。另 外，由于人工检测矫正花费时间太多，也限制了产量提高。基于机器视觉设计的 电子枪检验与缺陷修复系统，可快速对多个参数同时进行高质量的检测和修复， 7 广东工业大学工学磺士学位论文 有效地提高了良品率，降低了漏检率，一螽设备能适用多种规格奄予枪生产瞰l 。 微小芯片插片机( 以下简称插片机) 是集机、电、气一体化的电子元件加工设 备，实现微小芯片援至两条直经约为0 4 5 m m 金属引线的夹缝中，是针对一类小薄 型电予元俘的芯片进行高精度、高速度及高可靠性插片设备。若按照传统的位置 传感器对引线夹缝进行边界定位会存在以下问题；( 1 ) 走位不准。对引线等间距排 列连成体，形成一条引线带，引线间距会存在一定加工误差；另外，引线带以 固定的步距及方囱运动，会有概械传动误差的存在，如果靠传感器定位，将会导 致累加误差，这样难以实现引线的高精度定位。( 2 ) 效率较低。这类小薄型电子元 件的引线夹缝细，芯片又薄小，用传统的位置传感器很难实现高精度定位，从而 影响插片的准确性，就需要人工对未插片的弓l 线进行补插，大大降低了生产效率。 若要满足插片机的性能要求，需解决的关键闯题是运动引线的高速、高精度定位。 考虑到机器视觉技术具有自动化、非接触、实时、可视化、速度快、精度商、现 场抗干扰能力强等突出的优点m j ，与一般意义上的图像处理系统相比，机器视觉 强调的是精度和速度，以及工戴现场环境下的可靠性。若将它与运动控制系统结 合，可实现运动部件的高速和高精度定位。因此将机器视觉技术应用到微小芯片 插片机中，来提高插片准确度、稳定性，以弥补位置传感器定位不准，导致插片 效率低的缺点眇】。 除了以上这些之外电子行业的机器视觉应用还有如：p c b 底片检查、硬盘检 测、键盘检测、电子制造过程中的机器人视觉引导定位、元器件的在线分类筛选、 二维码读取等各种应用。 1 3 3 机器视觉当前存在的问题 对于人的视觉来说，由于入的大脑和神经的高度发展其霉标识别能力缀强。 但是人的视觉也同样存在障碍，例如，即使具有一双敏锐视觉和极为高度发达头 脑的人一旦置于某种特殊环境( 即使曾经具备一定的先验知识) ，其目标识别能力 也会急剃下降。事实上人们在这种环境下在对简单物体时，仍然可以有效丽篱使 地识别，而在对复杂目标或特殊背景时则在视觉功能上发生障碍，两者共同的结 果是导致目标识别的有效性和可靠性的大幅度下降。将人的视觉引入计算机视觉 中，计算机视觉也存在着这样的障碍。它主要表现在三个方面1 2 0 j ：一是如何准确、 第一章绪论 高速地识别出目标；二是如何有效地增大存储容量，以便容纳下足够细节的目标 图像；三是如何有效地构造和组织出可靠的识别算法，并且顺利地实现。前两者 相当于人的大脑的物质基础，这期待着高速的阵列处理单元，以及算法( 入神经网 络、分维算法、小波变换等算法) 的新突破，用极少的计算量以及高度地并行性实 现功能。 虽然随着相关技术的发展，机器视觉技术在国民经济的各行各业中得到了越 来越多的应用，也产生了不错的经济效益，但由于其自身或相关技术上的一些问 题，其应用还是受到了一定程度的限制。 要问题是实时性的问题 2 1 1 ，在工业检测、 总体来说，当前机器视觉系统存在的主 机器人视觉控制和监控等领域的机器视 觉应用中，实时性是衡量机器视觉系统的重要指标，目前国内外对实时性的研究 主要集中在硬实时与软实时两方面。当前硬件设备的迅猛发展为硬实时的实现提 供了比较好的解决方案，而软实时的实现则主要是靠优化算法提高图像处理速度。 现在出现的一些新的算法由于很多仍处于实验室阶段，因而在实际的应用中存在 准确性、鲁棒性下降等问题。而且目前已实际应用的算法普遍存在算法效率低、 处理速度慢等问题，特别是在有较多噪声的工业现场，系统抗干扰能力较差，造 成准确度和精度下降，有待算法的进一步优化1 2 2 l 。 1 4 研究的目的和意义 如果在p c b 的装配过程中，在焊盘上面施加了过量的焊膏，或者焊膏添加不 足、甚至于根本没有安置焊膏，那么在随后所实施的再流焊接以后，一旦焊点形 成，就会引发在元器件和电路板之间的电子连接产生缺陷。事实上，大多数的缺 陷可以借助于焊膏的应用情况找到相关的质量优劣痕迹。目前许多电路板的制造 厂商己经采用一些内置电路测试( i n c i r c u i tt e s t 简称i c t ) 或者说x 射线技术来 检测焊点的质量状况。它们将有助于消除由于印刷工艺操作所产生的缺陷，但是 这些方式不能监测印刷工艺操作本身。印刷错误的电路板可能会接受随后所增加 的工艺步骤，而每一项工艺步骤都会不同程度的增加生产成本，使得这样一块有 缺陷的电路板最终直达生产的贴装阶段。最后制造厂商就需要丢弃这块有缺陷的 电路板，或者需要接受成本昂贵和形成大量时间浪费的返修工作，此刻可能还没 有非常明确的答案来说明产生缺陷的根本原因。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 为了有助于电路板的制造厂商在生产工艺实施的早期阶段能够发现所产生的 缺陷，目前越来越多的电路板印刷设备制造厂商在他们所制造的电路板印刷设备 中综合了在线机器视觉技术。内置的视觉系统能够实现三个主要目的： 首先，它们能够在印刷操作实施以后直接发现所存在的缺陷情况，在主要的 制造成本被添加上电路板以前，可以让操作者能及时处理有关的问题。该步骤一 般包含在电路板从印刷装置上移下来的时候、在清洗剂中清冼好了以后、以及在 返修好了返回生产线的时候。 其次，因为在该阶段发现了有关的缺陷，所以可以预防有缺陷的电路板送达 生产线的后端。于是预防了返修现象或者在有些场合所形成的废弃现象。 最后，也许是最重要的，能够给操作者以及时的反馈，使之明了正在操作中 的印刷工艺操作是否良好，进而可以有效地防止缺陷的产生。 为了能够在这一层面的工艺操作过程中提供有效的控制，配置在线视觉系统 能够检测焊膏涂覆好了以后的p c b 上焊盘的情况，以及相应的印刷模板缝隙是否 存在堵塞或者拖尾现象。绝大多数情况下，对微细间距的元器件进行检测是为了 优化检测时间和集中于最容易产生问题的区域。为此，当消除了所可能产生的问 题的时候，在检测方面所化费的这点时间还是值得的。 本研究的三维激光检测系统是基于机器视觉相关理论的，依靠图像处理和竞 选算法的相关理论，实现对已知立体目标的三维检测。随着工业现场机器视觉技 术越来越多地用在监控生产过程和检测产品质量中，从而保证产品的性能和质量。 目前国内绝大多数生产线的产品检测都是依靠人力来完成，这样不仅会增加入力 的投入及产生人力资源的浪费，也会造成生产效率的低下，不良率高。因此，用 机器视觉技术来完成产品的检测、分类和分级有着巨大的市场需求，同时也是目 前整个视觉行业比较热衷的领域。 1 5 论文的主要研究内容 本文分为五章。第一章为绪论，首先介绍了机器视觉理论及其系统分类，接 着概述了机器视觉技术在电子工业中的应用和现状，最后简要介绍了一下机器视 觉技术在电子工业和半导体行业中的应用。 第二章介绍了直线电机的理论基础，工作原理以及控制原理。 1 0 第一章绪论 第三章详细介绍了激光三维测量的理论基础，各种三维轮廓测量原理，特点 和应用。 第四章利用智能摄像机所得到的二维图像，结合不完全b e t a 算法和竞选算法 及图像处理中的图像增强技术，提高图像的质量，为下一步的检测提供良好的基 础。 第五章将得到的锡膏印刷电路板的整个轮廓的三维数据，结合3 d 相机为二次 开发所提供的a p i ，利用v i s u a lc + + 6 0 程序开发软件编程进行后续处理。 第六章是论文的结论部分，总结了本次毕业论文的一系列成果和一些未完善 的地方，毕业论文期间所做到的所有工作，以及对这项技术未来的展望和期待。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第二章直线电机原理 直线运动与旋转运动是世界上最主要的两种运动方式。至于许多曲线运动， 从微观上来看，也还是一些直线运动。目前，许许多多的直线运动往往都是通过 旋转运动转换而成的。随着直线电机技术的出现和不断完善，用直线电机驱动一 些直线驱动力，从而使整个装置和系统的结构显得非常简单，运行可靠，性能更 好，控制更方便。在许多场合，其装置和系统的成本比原来的机构更低，且在运 行中有节能效果 2 3 1 。 直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动机械能， 而不需要任何中间转换机构的传动装置。他是2 0 世纪下半叶电工领域中具有新原 理、新理论的新技术，如图2 - 1 所示。它所具有的特殊优势，已越来越引起了人 们的重视，不久的将来，它将像微电子技术和计算机技术一样，在人类的各个领 图2 12 0 世纪下半叶新技术的发展概况 f i g u r e2 1t h ed e v e l o p m e n t a ls i t u a t i o no fn e wt e c h n i q u ei nl a t e2 0c e n t u r y 域中得到广泛的应用【2 4 】。 直线电机系统把高精度机械和伺服控制技术相融合，从而消除电机丢转和共 1 2 第二章直线电机原理 振的问题，在追踪、定位控制等方面，有着显著的提高。机械的传动系统变得非 常简单，机械设计的自由度提高了。采用直线电机驱动，电机直接和负载连接， 不存在中间机械传动的传动间隙( 齿轮间隙，丝杠螺母间隙) ，同时避免了高速运 动时在启动、变速和换向阶段因多个传动环节的弹性变形导致的机械谐振现象， 整个伺服执行机构的静态刚度和动态刚度均大大提高，从而容易获得较高的k v 因子。由于系统中取消了丝杠等一些相应时间常数较大的机械传动件，使运动惯 量变小，伺服环可以有较高的闭环带宽。闭环控制系统的整体伺服性能大幅提高， 反映异常灵敏快捷。没有之间环节的传动误差，减少了插补时因传动系统滞后带 来的跟踪误差。通过位置检测反馈控制，即可大大提高定位精度。其定位精度完 全取决于位置反馈检测元件的精度。由于直线电机没有传动丝杠、变速箱等部件 产生的机械摩擦，导轨也可以采用滚动导轨或磁悬浮导轨( 无机械接车) ，因此其 高速运动时传动平稳，无振动，运行噪声大大降低，听觉噪声一般可降低2 0 d b 左右，可以实现静音运行的效果。 2 2 直线电机工作原理 直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也 与旋转电机相似。图2 - 2 便是一台简单的二极旋转电机。图中线圈a x 、b x 、c x 为定子彳、b 、c 三相绕组。当其通入三相对称正弦电流后，便在气隙中产生了 一个磁场，这个磁场可看成沿气隙圆周呈正弦分布。当彳相电流达到最大值时，曰 和c 相电流都为负的最大值的二分之一，这时磁场波幅处于彳相绕组轴线上。经 ” 过，= 箸时间( 其中彩为电流的角频率) 后，b 相电流达到最大值，这时c 和彳相 j 国 a 一 都为负的最大值的二分之一，而磁场波幅转到b 相绕组轴线上。经过f = ：时间 j 缈 后，c 相电流达到最大值时，彳和召相电流都为负的最大值的二分之一，磁场波 幅又转到c 相绕组轴线上。由此可见，电流随时间变化，磁场波幅就按彳、曰、c 相序沿圆周旋转。电流变化一个周期，磁场转过一对极。这种磁场成为旋转磁场， 带领转子做同向运动陋鲥。 广东工业大学工学硕士学位论文 卜定子；2 一转子 图2 2 旋转电机基本工作原理 1 s t a t o r ：2 r o t o r f i g u r e2 - 2r ol l i n ge l e c t r o m o t o rb a s i co p e r a t i o nt h e o r y 将旋转电机在顶上沿径向剖开，并将圆周拉直，便成了图2 - 3 所示的直线电 机。在这台直线电机的三相绕组中通入三相对称正选电流后，也会产生气隙磁场。 当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的分布情况 与旋转电机的相似，即可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布。当三相电流随时 间变化时，气隙磁场将按么、曰、c 相序沿直线移动。这个原理与旋转电机的相 似，二者的差异是：这个磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。显 然，行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，即为 v 。，称为同步速度，且 1 ，。= 2 厅 ( 2 1 ) 式中1 ，。同步速度，m s f 一一极距，m 厂一一电流频率，h z 1 4 第二章直线电机原理 1 初级；2 一