摘要：隨著微型和密間距片式電子元件的廣泛應(yīng)用，電子產(chǎn)品的制造商在貼裝精度與速度方面對(duì)貼片機(jī)提出了更高的要求。因此，機(jī)器視覺系統(tǒng)在貼片機(jī)中被普遍采用。貼片機(jī)視覺系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩類功能：對(duì)PCB板的Mark識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；對(duì)貼片元件識(shí)別、檢測、對(duì)中，從而實(shí)現(xiàn)元件的正確貼裝。其組成可以分為硬件部分和軟件部分。硬件部分的主要功能是獲取高質(zhì)量的圖像；軟件部分的主要功能是完成高精度高速度的算法。
關(guān)鍵詞：視覺系統(tǒng) 貼片機(jī) LED光源

傳統(tǒng)貼片機(jī)是使用的機(jī)械對(duì)中裝置，由于其不可靠和容易損傷元件的缺點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)遭到淘汰，目前的貼片機(jī)都使用激光對(duì)中或視覺對(duì)中。

針對(duì)片式電子元件的管腳越來越密、體積越來越小的發(fā)展趨勢，要想精確地貼裝就必須考慮如下因素：（1）PCB板的定位誤差；（2）元器件的定心誤差：（3）貼片機(jī)本身的運(yùn)動(dòng)誤差。如果將影響貼裝精度的這些因素累積在一起，就難以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)間距元器件的精確貼裝。單純地用機(jī)械方式對(duì)PCB板定位和對(duì)元器件定心，不能滿足貼裝細(xì)間距元器件的精度要求。另外，雖然貼裝誤差與機(jī)器本身的運(yùn)動(dòng)誤差緊密相關(guān)，但是，即使機(jī)器本身的運(yùn)動(dòng)精度再高，也難以保證貼裝細(xì)間距元器件的精度要求。幾年前，行業(yè)內(nèi)可接受的精度標(biāo)準(zhǔn)還是0．1 mm（chip元件）和0．05mm（密間距元件）。現(xiàn)在，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)縮減到0．05mm（chip元件）和0．025mm（密間距元件）的趨勢。因此，必須使用機(jī)器視覺系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)這樣高的精度要求。

1 貼片機(jī)視覺系統(tǒng)

1.1 貼片機(jī)視覺系統(tǒng)的硬件組成

視覺系統(tǒng)硬件主要由：動(dòng)攝像機(jī)、靜攝像機(jī)、LED光源、圖像采集卡和工業(yè)PC組成。靜攝像機(jī)用于元件的識(shí)別、檢測、對(duì)中。動(dòng)攝像機(jī)與貼裝頭本體聯(lián)動(dòng)用于學(xué)習(xí)元器件的貼放位置和取料位置，檢查貼裝效果或質(zhì)量。攝像機(jī)將獲取的圖像傳送到采集卡，由工業(yè)PC控制圖像采集卡完成圖像采集，并將視頻信號(hào)與工業(yè)PC輸出的視頻合成后送到顯示器顯示。圖1為貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，圖2為貼片機(jī)視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。


圖像采集卡捕獲的瞬間動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)由工業(yè)PC做處理后返回結(jié)果給主控程序，完成其它相應(yīng)的控制過程。

1．2 視覺系統(tǒng)功能

視覺系統(tǒng)的功能包括兩類：生產(chǎn)功能和標(biāo)定功能，具體內(nèi)容見表1和表2。

1.3 視覺系統(tǒng)的工作流程圖

軟件執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)源是片式電子元件的數(shù)據(jù)庫和PCB板的PIK文件（以Protel設(shè)計(jì)為例）。元件數(shù)據(jù)庫中包含了元件的所有特征描述值；PIK文件中包含了貼裝元件在PCB板上的坐標(biāo)值。圖3是對(duì)元件一次貼裝操作的流程圖，功能是完成對(duì)一個(gè)元件的判定、識(shí)別與對(duì)中。

2 視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

2．1 LED光源的設(shè)計(jì)

隨著光刻技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝技術(shù)以及貼裝元件的封裝技術(shù)也迅速發(fā)展，貼片元件的封裝種類達(dá)萬種以上。全視覺貼片機(jī)通過視覺系統(tǒng)對(duì)貼片元件進(jìn)行識(shí)別、檢測與對(duì)中，根據(jù)封裝形式與視覺算法可將貼片元件分為Chip、SOIC、QFP、BGA、ODD5種類型。

如果采用單一類型的LED光源是很難獲得高質(zhì)量圖像的，將多種類型的LED光源組合并通過計(jì)算機(jī)控制，可以高速、準(zhǔn)確地采集高質(zhì)量的圖像，從而完成快速的貼裝過程。組合光源由3個(gè)可以獨(dú)立控制的光源：低角度光源、側(cè)光源和同軸光源組成。

由于選用黑白的攝像機(jī)，所以LED發(fā)光二極管選用紅色、高亮度型。表3為元器件與光源的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2．2視覺系統(tǒng)硬件集成

（1）選擇CCD應(yīng)當(dāng)考慮以下因素：采用隔行或逐行掃描、幀傳輸速率、分辨率、種同步方式、像素顆粒大小造成的電荷溢出、幀場傳輸間隔、電子快門、最低照度、信噪比、是否具有增益等。

根據(jù)貼裝速度的要求，在中速貼片機(jī)中可以選用隔行掃描的CCD，尺寸大小為6．4mm×4．8mm，分率辨為768H×494V，電子快門可達(dá)1／10000s，最低照度可達(dá)0．1lx，信噪比（S／N）為56dB。

（2）選擇鏡頭應(yīng)當(dāng)在確定工作參數(shù)的情況下和CCD相匹配。需要確定以下主要工作參數(shù)：攝像機(jī)的工作距離、視場大小以及鏡頭本身性能參數(shù)可以調(diào)節(jié)的范圍等。動(dòng)、靜攝像機(jī)的工作距離分別為50-100mm和100-200mm，其對(duì)應(yīng)的視場分別為20mm×20mm和55mm×55mm。利用以下兩個(gè)公式可以算出鏡頭焦距。

鏡頭的本身性能理論上講應(yīng)當(dāng)是越高越好，即低畸變（<0．1％），大光圈（可達(dá)1．4），可以手動(dòng)調(diào)焦，還應(yīng)考慮是否為6．4mm×4．8mm的鏡頭，是否為C接口等匹配問題。

（3）LED燈也要和鏡頭相匹配，尤其在貼片機(jī)的動(dòng)燈上尤為明顯，這是由于光滑的PCB板反光造成的。理論上，動(dòng)燈最內(nèi)圈的直徑有多大，其映影產(chǎn)生就有多大，因此使攝像頭視場在燈直徑之內(nèi)，可以避免映影在圖像中呈現(xiàn)。

如圖4所示，如果在θ′范圍內(nèi)，映影處于所攝的圖像之外，即達(dá)到了所能照射的最大區(qū)域：如果攝像頭的視場再大些，達(dá)到θ′包圍區(qū)域，燈罩擋住了部分圖像；如果把攝像頭調(diào)低，達(dá)到夕包圍區(qū)域，映影處于圖像中。 根據(jù)以上的分析，可以確定動(dòng)、靜攝像頭的結(jié)構(gòu)安裝與調(diào)整參數(shù)值，見表4所示。其安裝結(jié)構(gòu)見圖5所示。



（4）圖像卡與CCD的匹配

圖像卡的選配應(yīng)該考慮以下功能：數(shù)字和模擬信號(hào)處理，標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)處理，逐行和隔行信號(hào)處理，多通道和單通道處理，彩色和黑白信號(hào)處理，軟件匹配等問題。

在中速貼片機(jī)中，可以采用具有數(shù)字、標(biāo)準(zhǔn)、隔行、多通道和黑白信號(hào)處理功能的圖像卡。選擇VC++為開發(fā)平臺(tái)，自主開發(fā)視覺程序。

3 視覺系統(tǒng)的圖像攝取與處理

實(shí)驗(yàn)1：將不同種類的片式電子元件吸取并運(yùn)動(dòng)到攝像頭上方，攝取圖像并計(jì)算位置與角度的偏差（Δx，Δy，θ），見表6所示。貼裝頭帶著元件分別移動(dòng)位置和旋轉(zhuǎn)角度各20次，計(jì)算Δx，Δy，θ值。計(jì)算結(jié)果表明：計(jì)算偏差同運(yùn)動(dòng)的預(yù)值誤差小于8μm。滿足規(guī)定的要求。