高精度mst贴片机视觉系统

高精度mst贴片机视觉系统

随着SMT电子设备对小型、轻型、薄型和高可靠性的要求，细间距表面组装器件QFP、BGACSP，Flip Chip得到迅速发展，被越来越多地用于各类电子产品上。单纯用机械方式或光学方式对PCB定位和对元器件对中，已不能满足贴片精度的要求。目前国外均采用高精度贴片机与视觉系统相结合，从而获得优良的贴片精度。高精度视觉贴片机与普通贴片机相比最大难点之一在于视觉系统。本文以美国Quad公司贴片机为基础探讨高精度贴片机视觉系统。

1 视觉系统构成

   贴片机视觉系统是以计算机为主体的实时图像识别系统(图1)。摄像机探测出在给定视觉范围内目标的光强度分布的模拟电信号，再A/D转换成数字图像，数字图像被分割成一定数量的网络(像元)，每个数据表示给定点的平均光强度。计算机将所获得的数字图像与事先输入的参考图像进行分析计算，并将结果输入主控计算机，控制贴片机的运动和贴装。

   贴片机视觉系统采用两种分辨力，一种是灰度分辨力，是用图像多级亮度来表示的分辨力，规定在多大的离散值时，贴片机能分辨给定点的测量光强度，需要处理的光强度越小，灰度值分辨力越高。一般采用25 6级灰度值。具有很强的精密区别目标特征能力，但处理计算时间长，像元亮度需用8位数表示。另一种是空间分辨力，规定覆盖原始图像的栅网的大小，棚网越细，网点和像元数越高，尺寸测量就越精确。一般下视系统采用1960×1460像元图像，每幅图像要处理信息达2 000万比特之多，要实时处理(200 ms以内)必须采用专用硬件处理器。影响视觉系统精度的主要是摄像机的像元素和光学放大倍数，像元素越多或光学放大倍数越大，精度就越高。一般上视觉系统的放大倍数为6：1。

1.1 硬件系统

   高精度视觉贴片机采用二级计算机控制系统(图1)。主控计算机是整个系统的指挥中心，主要运行和贮存中央控制软件(Central Controll)和自动拾放程序编程软件(Au-to Program)，示教编程视觉系统，PCB基准标号坐标数据和CAD/键盘/拷贝视觉系统所要检测辨识的细间距器件数据库。贴片机现场控制计算机系统主要控制贴片机运动和示教功能，最多可控制6个贴片头，具有视觉系统所需的示教编程功能。

   贴片机有2种视觉处理计算机，一种是由4块独立PC板构成。另一种是由一块68020CPU为主体的MVS计算机系统，一般采用MVS系统。Quad视觉系统由PCB定位下视系统Vu3和元器件对中上视系统Vu4/6组成，可同时处理4台摄像机的图像信息，系统构成为：

   (1)微计算机

   以68020CPU为主体，EPROM4OM，RAM8M，含有RS—232通信接口，控制所有运行，并与主控计算机进行数据传输，将专用视觉硬件处理器计算的结果传输给主控机。

   (2)视觉专用硬件处理器

   要进行实时图像处理，采用软件计算，速度不够，所以采用硬件处理器，完成实时高速图像计算和数据压缩、贮存与传输。采用数据压缩技术，专用硬件处理器首先将数字图像数据(如Vu3处理图像需计算2 000万比特的数据)进行压缩，分成可连接的数据段，再进行计算，此乃是视觉系统最关键的问题。

   (3)视频贮存器

   将摄像机探测的模拟图像，经A/D转换成数字图像，传送到视觉专用处理器中进行分析计算，并将图像用DTK技术(Display Timing Kid)输出到监示器。

   (4)图像接口板

   每个接口板可连接4台摄像机。

   (5)固态摄像机

   固态摄像机的主要部分是一块集成电路，集成电路芯片上制作有许多细小精密光敏元件组成的CCD阵列。每个光敏探测元件输出的电信号与被观察目标上相关位置反射光强度成正比，这一电信号即作为这一象元的灰度值被记录下来，像元坐标决定了该点在图像中的位置，每个像元产生的模拟电荷值经模数转换变成0～255间的某一数值，并传送到计算机。

   视觉系统由PCB定位下视摄像机Vu3和元器件对中上视摄像机Vu4或Vu6组成。

1.2 贴片机视觉系统参数设置

   视觉系统通过RS-232与主控计算机相联接，必须由中央控制软件(Central troller)中结构编辑文件(CC Configuration File)设置视觉系统参数。

   DEVICE：设置所选视觉系统种类，贴片头数等；

   U/D CAMERA：确定所选摄像机种类，可选多个下视摄像机；

   SFUV-MAXSZ：确定所测试器件最大尺寸；

   TVRETRY：确定测试数量；

   CAMERA：设置摄像机数目，标号尺寸与视区范围，摄像机x-y坐标，上视摄像机聚焦的Z高度，下视摄像机置零；

   ICK：在DOS环境下，设置时间，ltick=1/18 s；

   MANUAL：当视觉系统失误时，是否可手动调节；

   FIDMAP：ON表示用MIOK示教和放置时可调节灰度值，MVS不需调节灰度值；

   LI-DISPLAY：仅用MIOK引脚检测显示；

   LIGHT：设置每个贴片头4个光束通道的亮度1～256；

   CAM-LGT：设置摄像机与贴片头和光束通道的关系；

   ALIGN MENT-Z：设置z轴下降高度，用于摄像机聚焦。

2 PCB板定位下视系统

   首先将Auto Program软件生成的视觉标号数据，通过Central Controller传输到视觉处理计算机中，或者用示教盒HHT通过Central Controller示教标号，使视觉系统识别各种基准标号(real model)。这样在同类PCB定位时，摄像机在3个区域内搜索标号，由视觉系统分析计算实测标号坐标与参考基准标号坐标的误差，并发出校正补偿信息，保证PCB的精确定位。

2.1 标号与识别区域

   标号有3种，参见图(2)PCB板基准标号

   Global：PCB板标号，确定整个PCB板位置，并用于坐标补偿；

   Image：拼板图形标号，便于重复贴片；

   Local：器件两角上标号，决定器件位置和方向。

   视觉系统辨识方法或示教方法，是设置3个区域，若Auto Program编辑文件中无标号数据，则由示教盒通过Central Controlier设置。

   Field of View：Vu3的视野区；

   Search Areu：搜索区，接近目标；

   Taryet Window：目标区，找到标号。

2.2 示教基准标号

   由Auto Program或Central Controller产生PCB所有拾放坐标后，用Central Controller和示教盒示教2个同类标号(Global或Image或Local)和不良标号(Re ject)。

   ①设置区域：用示教盒使Vu3接近目标1，设置目标窗口和搜索区域。同样设置标号2。

   ②设置亮度：亮度设置必须在设置目标窗口之前进行。

   A.照度设置：根据PCB板图形和材料，可通过Central Controller独立调照度和元器件基体的照度。高反射的材料所需光量少一些。视觉系统用广角WAVI保证光亮度，调节2个卤素灯源，使光照在标号或器件引脚周围，得到最佳亮度0～255。

   B.灰度值调节： 用Central Controller，在标号前后黑点之间和灰度值初始点之间确定3个部分，以提高对比度。用扫描方法，确定标号前影灰度值后，调节标号背影灰度值，确定2个黑点之间灰度值成线性梯度关系。灰度值调节，如MIOK和MVS均可用于标号校正，MIOK还用于器件对中，MVS不用器件对中。如果图像呈白色，增加背影(background)亮度，如果图形呈黑色或图形中有黑点，减少前影的亮度(Foreground)，使标号和PCB板有明显的白/黑对比度，如果标号不同，在图形内延伸前影和背影的灰度值，以减少标号差别便于视觉处理。

2.3 视觉处理算法

   下视系统主要用于PCB板定位，拼板图形定位、器件的定位和不良板号去掉等。要准确地确定目标位置，视觉系统要辨识3个坐标值x-y-θ。要达到实时高速计算，视觉系统之间距离比例，得到一个比例数，再以PCB板标号1为参考点，计算所有贴片位置与参考点的距离，再乘上这一比例数，得出校正后的实际贴片位置坐标。再通过主控计算机将数据传输到现场控制计算机，驱动执行机构系统中专用硬件处理器采用了数据压缩技术，将原始图像分割成相关的可传输的几个部分，每部分均包括可压缩和可再组织的信息。视频贮存器(Frame Grabber)定义相关部分，并贮存数据，将压缩的数据送至专用视觉处理计算器(Vision Proces sor)进行高速计算。

   当PCB弯曲时，视觉系统计算实测标号坐标与示教标号，保证高精度的贴片。

   器件标号(Local)作用是当PCB翅曲时减小误贴片。如果器件上只有一个标号，则由器件标号(Local)确定x-y坐标，由Image或Global标号确定器件θ坐标。如果器件对角线两角有2个标号时，则x-y-θ坐标只由Local确定。

3 细间距器件对中上视系统

   首先由Central Controller软件编辑元器件库或由AutoProgram软件用CAD描述元器件库，并输入到视觉处理计算机中，元器件的建立不同于下视系统用示教方法辨识实际模型(Real Model)。视觉系统实时探测辨识器件x-y-θ坐标和引脚坐标，并与元器件库中器件坐标比较，得到校正坐标数据，传输到现场控制计算机中，驱动执行机构运动，保证细间距器件高精度贴片。

3.1 元器件数据库

   元器件数据库包括器件描述数据库和引脚描述数据库，对于间距0.78 mm以下的元器件须建立引脚数据库，0.78 mm以上间距的器件对中是由激光对中系统来完成的，图3表示器件的描述图。

3.2 视觉处理算法

   上视系统一般采用小区域摄像机，根据器件尺寸检查器件单边或多边引脚，检查尺寸大的器件，Vu4依次移动到器件的4个角，检查每边引脚。也有采用大区域镜头，分辨力低，不需要检查器件的4个角，直接检查1/4直径范围内的器件，增加定时处理速度。

   有二种算法软件，一种是尺寸小的器件对中算法，如CHIP，MELF和SOT等，器件相对于中心是对称的，另一种是细间距器件对中算法，是以引脚位置为基础进行对中的。细间距器件对中算法分四步进行：

   第一步：元器件预对中

   将CCD移至器件四边引脚的任一边，根据设置区域(Window)的大小和搜索方法(INNER,CENTER,OUTER)，判定引脚是否在区域内。

   第二步：精确对中

   再将CCD移动到所检查某一边引脚的相邻边的引脚位置，采用匹配法或高精度引脚检查法(ACE)确定每个引脚的位置。

   第三步：引脚检查

   将引脚描述数据库的引脚数据与实测数据比较，计算出引脚位置校正坐标。对于间距0.3 mm 的细间距器件还要进行共面性检查。

   第四步： 确定器件位置

   采用两种算法，一是平均法，器件位置是所有引脚位置的平均值。另一是校错法，在不影响其它引脚前提下，校正不良引脚尽量与焊盘靠近，器件的位置仍是所有引脚位置的平均值。

3.3 元器件激光对中系统(Laser)

   采用激光光束和阴影法对引脚间距在0.78 mm以上元器件对中，比视觉系统速度快的多。在编程中确定所要检查元器件的长宽高尺寸和公差，根据有引脚元器件和无引脚元器件，按高速、中速和低速3种方式在拾放元器件过程中对中。

经营：回流焊    smt贴片机    波峰焊     点胶机