（控制理论与控制工程专业论文）高速高精度多功能贴片机及产业化关键技术研究.pdf

s t u d y o fk e y t e c h n o l o g yo fd e v e l o p m e n t a n di n d u s t r i a l i z a t i o nf o rh i g hs p e e da n d h i g hp r e c i s i o nm o u n t e r b y y u a np e n g ad i s s e r t a t i o np r e s e n t e dt o s o u t hc h i n au n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h y c o l l e g eo fa u t o m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t hc h i n au n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u5 1 0 6 4 0 ，p r c h i n a n o v 2 0 ，2 0 0 5 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：棠呜 吼和f 钏月7 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，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密团，在2 q ! q 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打 “4 ) 作者签 导师签 日期：勿f 年月日 日期：够t 1 月日 。 摘要 摘要 表面封装技术( s m t ) 是衡量电子制造业技术水平的重要标志，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 制的并市场化的报道。作者三年来一直致力贴片机核心技术的研究，目前已与广 东风华高科属下肇庆新宝华公司成功合作完成贴片机的研发工作，并已推向市场。 本文对高速高精度全自动贴片机研制过程中的关键核心问题进行了深入的研 究。取得了以下几个主要成果： 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 片机的整体硬件设计方案进行了讨论。设计了基于p c i 0 4 结构的贴片机的i o 控 制系统。对运动控制系统中x y 两个关键运动轴的性能需求做了重点分析，并介 绍了解决的方案以及实际达到的性能指标。讨论了视觉处理系统的方案选择，并 分析了本机所采用的飞行对中视觉处理技术的优点。 2 针对贴片机元件图像识别的高速高可靠性的图像识别定位算法的研究，提 出了将分水岭变换、边缘检测与阈值分割相结合以及集水盆合并处理的改进算法。 该算法可以比较好的处理物体的分割和背景的抑制与消除问题。实现了贴装元件 图像的正确分割。 3 讨论了现有图像模板匹配算法在贴片机芯片定位应用中的缺陷，提出采用 点模式匹配算法对q f p 、b g a 等高密度管脚芯片进行图像定位处理。算法中考虑 到一般i c 芯片引脚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，可大大减少了匹配的计算量。通过用i p c 一9 8 5 0q f p l 0 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定位的可靠性、重复性以及 定位精度的要求。 4 在研究贴片机贴装时间优化算法方面，以多贴装头直列动臂式贴片机为研 究对象，以i p c - 9 8 5 01 6 0 8 c 标准板为范例详细地分析和论述了此类贴片机贴装时 间优化问题的研究内容。针对喂料器己指派情况下的元件贴装顺序优化问题，首 次提出了基于伞布搜索( s s ) 优化算法，并详细介绍了具体实现步骤。首先，介绍 了s s 算法初始种解的生成方法以及如何保证初始种解的多样性，从而增加搜索收 敛于全局最优解可能性的方法。其次讨论了待评估解的改良算法的设计思路和实 现方法。再次，从所研制的贴片机贴装优化的特点出发，提出了s s 算法参考解集 的生成和合并规则以及如何避免参考解集重复解的判定方法。最后对该算法的优 化效果进行了验证。结果表明所设计的s s 算法整体的优化效果比遗传算法g a 提 a bs t r a c t s u r f a c e m o u n t i n gt e c h n o l o g y i sa n i m p o r t a n t i n d e xt o e v a l u a t et h e m a n u f a c t u r i n gl e v e lo fe l e c t r o n i c si n d u s t r y a u t o m a t i cm o u n t e ri st h ek e yd e v i c eo f t h es m ta s s e m b l yl i n e t h i sk i n do fe q u i p m e n tl o n g - t e r md e p e n d so ni m p o r ta n di n d o m e s t i ct h e r eh a sn or e p o r to ns u c c e s s f u ln a t i o n a l i z e dd e v e l o p m e n ta n dm a r k e ts a l e t h ea u t h o rc o n t i n u o u s l yd e v o t e st ot h er e s e a r c ho ft h ec o r et e c h n o l o g yf o rt h r e ey e a r s a n dr e c e n t l yh a ss u c c e s s f u l l yc o m p l e t e dt h ed e v e l o p m e n tw i t hz h a o q i n gn e wb a o h u a l t d ，a n dt h em a c h i n eh a sp u s h e dt ot h em a r k e t t h i sd i s s e r t a t i o nl u c u b r a t e st h ec o r et e c h n o l o g yo ft h eh i g h s p e e da n dh i g h p r e c i s i o na u t o m a t i cm o u n t e ra n dg a i n st h ef o l l o w i n gs e v e r a lc o n t r i b u t i o n s 1 a f t e rt h o r o u g h l ya n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c ed e m a n d so ft h es y s t e ma 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 ne x p e r i e n c ea sr e f e r e n c e ；t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h e m o u n t e r sw h o l eh a r d w a r ed e s i g np r o p o s a l f i r s t ，i ti n t r o d u c e st h em o u n t e r si o c o n t r o ls y s t e mb a s e do np c10 4s t r u c t u r e ；n e x t ，i ta n a l y s i st h ep e r f o r m a n c ed e m a n do f t h et w ok e ya x i s e sx ya n dp r e s e n t st h es o l v em e t h o da n dt h ep e r f o r m a n c ew h i c hc a n b e a c h i e v e di np r a c t i c e ；f i n a l l y ，i tc o m p a r e st h ei m a g eg r a bm e t h o db e t w e e nl i n ec c d a n df r a m ec c di ng r a bs p e e d ，i m a g er e s o l u t i o na n di m a g es i z e t h er e s u l t ss h o wt h a t g r a bw i t hl i n ec c di sf a s t e ra n dm o r ec o s t e f f i c i e n tt h a nf r a m ec c d 2 a i m e da tt h er e s e a r c ho fh i g hs p e e da n dh i g h r e l i a b i l i t yi m a g el o c a t i o n a l g o r i t h m ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sa ni m p r o v e dw a t e r s h e da l g o r i t h m ，w h i c h c o m b i n e dt h ew a t e r s h e dt r a n s f e ra n de d g ed e t e c tm e t h o d sw i t ht h r e s h o l ds e g m e n ta n d b a s i nc o n s o l i d a t i o nm e t h o d s t h ei m p r o v e da l g o r i t h mh a sb e t t e re f f e c ti ns e g m e n ta n d r e s t r a i n i n gt h eb a c k g r o u n dn o i s et h a nt r a d i t i o n a lw a t e r s h e da l g o r i t h m 3 t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h el i m i t a t i o no fe x i s t i n gp a t t e r nm a t c ha l g o r i t h m s a n dp r o p o s e sp o i n tp a t t e r nm a t c ha l g o r i t h mt os o l v et h ei m a g el o c a t i o np r o b l e mw i t h h i g h - d e n s i t yp i n s i c s u c ha sq f pa n d b g a c o n s i d e r i n gt h e i c s p i n s a r e s y m m e t r i c a l ，t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t saf a s tp o i n tp a t t e r nm a t c ha l g o r i t h mt h a ti s m o r ee f f i c i e n tt h a ng e n e r a lp o i n tp a t t e r na l g o r i t h ma n dg r e a t l yr e d u c e st h ec a l c u l a t i o n s t e p s b ye v a l u a t i n gw i t hi p c 一9 8 5 0q f p i0 0v e r i f i c a t i o np a n e l ，t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ea l g o r i t h mh a sm e e t st 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 yw i t h i c i m a g el o c a t i o na p p l i c a t i o n i i i 华南理工大学博士学位论文 4 f r o mt h ep o i n to fo p t i m i z a t i o na s s e m b l yt i m e ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s i st h e p r o b l e mo fm i n i m i z i n gt h ep c ba s s e m b l yt i m ef o rm u l t i - h e a dm o u n t e rw i t hi p c 一9 0 5 0 16 0 8 cv e r i f i c a t i o np a n e la sa ne x a m p l e a i m e da tt h ep l a c e m e n ts e q u e n c ep r o b l e m w i t ht h ef e e d e rh a sa s s i g n e d ，i tp r o p o s e san e wo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do n s c a t t e rs e a r c h ( s s ) a l g o r i t h mf o rt h ef i r s tt i m e f i r s t ，i ti n t r o d u c e st h em e t h o do fh o w t og e n e r a t eas t a r t i n gs e to fs o l u t i o nv e c t o r st og u a r a n t e eac r i t i c a ll e v e lo fd i v e r s i t y w h i c hc a ni n c r e a s et h ep o s s i b i l i t yt og e tt h eb e s ts o l u t i o ni nt h ew h o l ef i e l d ；n e x t ，i t d i s c u s s e st h ei m p r o v e m e n tm e t h o df o rt h ee v a l u a t i o ns o l u t i o n s ；a n dt h e ni tp r o p o s e s t h ec r e a t e ，c o m b i n ea n da v o i d i n gd u p l i c a t i o n sm e t h o do fr e f e r e n c es e t ；f i n a l l y ，i t e v a l u a t e st h ea l g o r i t h mw i t h3 8e v a l u a t i o nb o a r d sa n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h es s a l g o r i t h mc a ni n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eu pt o14 。2 5 c o m p a r ew i t hg e n e t i c a l g o r i t h ma n dt h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e sa st h en u m b e ro fc o m p o n e n t si n c r e a s e s 5 a i m e da tt h ef e e d e ra s s i g n m e n tp r o b l e m ，t h i sd i s s e r t a t i o nt h r o w sad e t a i l e d a n a l y s i sa n dp o i n t so u tt h a tt h e “o n e t o - o n em a p p i n g b e t w e e nc o m p o n e n tt y p ea n d f e e d e ri st o os t r o n gr e s t r a i n tc o n d i t i o nt om e e tt h ea c t u a lp r o d u c t i o nd e m a n d s i nv i e w o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o u n t e rw em a d e ，t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e san e w a l g o r i t h m t h ea l g o r i t h m i n t r o d u c e sa n i m p r o v e dm e t h o dw i t h “o n e - t o m a n y m a p p i n g ”b e t w e e nc o m p o n e n tt y p ea n df e e d e r ，a n dt h e np r e s e n t sa na s s e m b l yt i m e o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m b a s e do nh y b r i d o p t i m i z a t i o ns t r a t e g y t h e a l g o r i t h m o p t i m i z e st h ef e e d e ra s s i g n m e n ta n dp l a c e m e n tr o u t ew i t hh i e r a r c h i c a ls i m p l i f i c a t i o n m e t h o d b ye v a l u a t i n gw i t hi p c 一9 8 5 0 16 0 8 cv e r i f i c a t i o np a n e la n dc o m p a r i n gw i t h b i o l o g i c a li m m u n ea l g o r i t h m ( b i a ) ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a sr e a c h e d t h es a m el e v e lw i t ht h es a m ek i n do fi m p o r tm a c h i n ea n dh a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a n b i a t h ea l g o r i t h mh a sw e l lo p t i m i z a t i o nr e s u l ta n ds h o r tc a l c u l a t i n gt i m e i t s s u i t a b l et os o l v et h el a r g e s c a l eo rs u p e rl a r g e - s c a l eo p t i m i z a t i o na s s e m b l yp r o b l e m a n dh a sas t r o n g e rv e r s a t i l i t y k e yw o r d s ：s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ；m o u n t e r ；p o i n tp a t t e r n ；s c a t t e rs e a r c h ； f e e d e ra s s i g n m e n t i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i l |录v 第一章绪论。1 1 1s m t 及其发展1 1 1 1s m t 简介1 1 1 2 贴片机的发展历程和现状2 1 1 3国内s m t 发展概况3 1 2 本课题的意义7 1 3 本文的主要研究内容和章节安排9 1 3 1 本文的研究内容一9 1 3 2 本文的章节安排1 0 第二章课题背景知识和研究内容1 2 2 1贴片机结构特点介绍1 2 2 2 贴片机视觉系统的研究现状1 5 2 2 1 机器视觉概述1 5 2 2 2 贴片机视觉系统1 6 2 3贴片机生产效率优化问题的研究现状1 7 2 3 1 贴装时间优化问题的应用背景和理论研究1 8 2 3 2 几种类型的贴片机及其优化算法研究2 0 2 3 2 1 单吸嘴单贴装头的顺序贴片机2 0 2 3 2 2 多贴装头直列式贴片机2 l 2 4i p c 一9 8 5 0 标准简介：2 3 2 4 1标准的目的2 3 2 4 2 标准的背景2 3 2 4 3与精度相关的指标一c m m 测量参数一2 4 2 5 本章小结2 6 第三章贴片机整机硬件系统设计。2 8 3 1系统的性能需求和设计原则2 8 3 1 1整机系统的性能指标2 8 3 1 2 系统基本机械特性2 9 3 1 3 整机系统运行步骤2 9 v 华南理一 大学博七学位论文 3 2 整机控制系统设计3 0 3 2 1i o 控制系统设计3 1 3 2 2 运动控制系统设计3 l 3 3图像采集系统设计。3 5 3 4 本章小结3 7 四章芯片图像的采集与预处理。3 8 4 1 视觉系统光源设计一3 8 4 1 1照明方式设计3 8 4 1 2 光源的选择3 9 4 2 元件图像的预处理4 1 4 2 1传统阈值分割算法及其缺陷4 2 4 2 2 传统分水岭算法及其缺陷4 3 4 2 3改进分水岭算法4 4 4 2 4 试验结果及分析4 6 4 3本章小结4 7 五章贴片机芯片识别算法研究。4 8 5 1元件图像识别算法研究4 8 5 1 1图像识别算法的选择4 8 5 1 2 点模式算法简介4 9 5 2 基于点模式算法的b g a 芯片识别5 0 5 2 1 b g a 的封装类型5 0 5 2 2 贴片生产中的b g a 的芯片对中算法5 0 5 3 基于点模式算法的q f p 芯片识别5 3 5 3 1 q f p 芯片管脚的点集表达5 5 5 3 2 q f p 芯片点模式匹配一5 5 5 4 算法评估一5 6 5 5 本章小结5 8 六章基于伞布搜索法的贴装顺序优化5 9 6 1 贴片机贴装时间优化问题分析5 9 6 2 伞布搜索法简介6 3 6 3 贴装顺序优化问题模型6 4 6 4 伞布搜索法s s 的实现6 5 6 4 1多样性解集的产生6 5 6 4 2 改良解集算法6 7 6 4 3 参考解集的建立和合并6 9 v i 6 5 算法谱锆1 、 6 5 1 基于两种改良算法的s s 优化算法比较7 l 6 5 2s s 2 与遗传算法( g a ) 比较7 3 6 6 本章小结一7 4 第七章贴片机喂料器指派问题研究7 5 7 1喂料器指派问题分析7 5 7 2 贴片机贴装时间优化算法描述7 6 7 2 1 数学符号约定2 9 1 7 6 7 2 2 优化算法描述7 7 7 2 3 优化问题的预处理7 7 7 2 4 确定元件类型、数量一喂料器分配方式7 9 7 2 5 确定吸嘴贴装头分配方式7 9 7 2 6 构造喂料器组一8 0 7 2 7 贴装时间优化问题的分析和求解8 l 7 3 优化效果评估8 8 7 3 1i p c 9 8 5 0 标准板优化效果评估8 8 7 3 2 与b i a 免疫算法的比较8 8 7 4 本章小结8 9 结论9 1 参考文献9 5 攻读博士学位期间发表的论文1 0 7 致谢10 9 v l i 华南理工大学博士学位论文 c o n t e n t s a b s t r c ti i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t i i c o n t e n t s v c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h ed e v e l o p m e n to fs m t 1 1 1 1s m ti n t r o d u c t i o n 1 1 1 2 d e v e l o p m e n th i s t o r yo fs m t 2 1 1 3d o m e s t i cd e v e l o p m e n to fs m t 3 1 2 s i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c hw o r k 7 1 3m a i nc o n t e n t sa nl a y o u to ft h ed i s s e r t a t i o n 9 1 3 1m a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o n 9 1 3 2 l a y o u to ft h ed i s s e r t a t i o n 1 0 c h a p t e r2b a c k g r o u n dk n o w l e d g e 。12 2 1i n t r o d u c t i o no fm o u n t e rs t r u c t u r e 1 2 2 2v i s i o ns y s t e mr e s e a r c ho ft h em o u n t e r 15 2 2 1i n t r o d u c t i o no fm a c h i n ev i s i t i o n 15 2 2 2v i s i o ns y s t e mo fm o u n t e r 16 2 3r e s e a r c ho fo p t i m i z a t i o na s s e m b l yt i m ep r o b l e m 17 2 3 1 a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dt h e o r yo fo p t i m i z a t i o na s s e m b l yt i m e p r o b l e m 1 9 2 3 2s e v e r a lt y p i c a lm o u n t e ra n dt h e i ro p t i m i z a t i o np r o b l e m 2 0 2 3 2 1m o u n t e rw i t ho n en o z z l ea n do n eh e a d 2 1 2 3 2 2m o u n t e rw i t hm u l t ip a r a t a c t i ch e a d 2 1 2 4i n t r o d u c t i o no fi p c - 9 8 5 0s t a n d a r d 2 3 2 4 1 o b j e c t i v eo fs t a n d a r d 2 3 v 1 1 1 c o n t e n t s 2 4 2 b a c k g r o u n do fs t a n d a r d 2 3 2 4 3c m mm e a s u r e dp a r a m e t e r s 2 4 2 7 s u m m a r y 2 6 c h a p t e r3 h a r d w a r es y s t e md e s i g no ft h em o u n t e r - - - - - - - 2 8 3 1 s y s t e mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa n dd e s i g nr u l e s 2 8 3 1 1 s y s t e mp e r f o r m a n c e 2 8 3 1 2 s y s t e mm e c h a n i s mc h a r a c t e r i s t i c 2 9 3 1 3 s y s t e mo p e r a t i o ns t e p s 2 9 3 2 d e s i g no ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m 3 0 3 2 1 d e s i g no fi o c o n t r o ls y s t e m 3 1 3 2 2 d e s i g no fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m 3 1 3 3 d e s i g no fi m a g eg r a b b i n gs y s t e m 3 5 3 4 s u m m a r y 3 7 c h a p t e r4c o m p o n e n ti m a g eg r a ba n dp r e t r e a t m e n t - - - - - - - - - - - - 3 8 4 1 l i g h t i n gd e s i g no fv i s i o ns y s t e m 3 8 4 1 1s e l e c t i o no fi l l u m i n a t i o n 3 8 4 1 2s e l e c t i o no fl i g h t i n g 3 9 4 2 c o m p o n e n ti m a g ep r e t r e a t m e n t 。4 1 4 2 1l i m i t a t i o no ft r a d i t i o nt h r e s h o l ds e g m e n ta l g o r i t h m 4 2 4 2 2l i m i t a t i o no ft r a d i t i o nw a t e r s h e da l g o r i t h m 4 3 4 2 3 i m p r o v e dw a t e r s h e da l g o r i t h m 4 4 4 2 4 a l g o r i t h me v a l u a t i o n 4 6 4 3 s u m m a r y 4 7 c h a p t e r5 r e s e a r c ho fc o m p o n e n ti m a g er e c o g n i z a t i o na l g o r i t h m - - 一4 8 5 1r e s e a r c ho fi m a g er e c o g n i z a t i o na l g o r i t h m 4 8 5 1 1 s e l e c t i o no fi m a g er e c o g n i z a t i o na l g o r i t h m 4 8 5 1 2 i n t r o d u c t i o no fp o i n tp a t t e r na l g o r i t h m 4 9 5 2b g ap a c k a g el o c a t i o nb a s e do np o i n tp a t t e r nm a t c h 5 0 i x 华南理t 大学博士学位论文 5 2 1 t y p i c a lb g ap a c k a g e 5 0 5 2 2b g ap a c k a g el o c a t i o na l g o r i t h m 5 0 5 3q f pp a c k a g el o c a t i