CN102865815B - 一种新型的单视觉相机对位pcb的定位补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的CCD单相机对位PCB的定位补偿检测方法，其主要是针对PCB定位，应用CCD相机检测产品的标志点的中心，将检测数据传送给计算机PC，利用CAS辅助对位补偿系统（CCD Alignment system）对检测图像计算这两者之间的位差，并记录相应的检测结果，从而得到位置偏移值，将结果传输给连接激光控制器的计算机，作位置自动补偿和校正标刻。与现有的PCB 定位技术相比，本发明具有低成本、使用便捷、精度高等优点，并且支持市面大多数激光，可以在普通的机台上加该装置，对客户产品升级和应用升级提供了可能。

Description

一种新型的单视觉相机对位PCB的定位补偿方法

技术领域

本发明是一种新型的CCD的单相机对于PCB的位置补偿方法。 该发明可应用于称为CAS辅助对位补偿系统（CCD Alignment system，以下简称CAS），是建立在XY坐标平台和相机CCD辅助影像定位基础之上的位置补偿系统，PCB由于加工和成型的工艺决定了， 每批和每块PCB的外缘和图像的位置不确定性， 高精度定位需要借助CCD做位置补偿， 该发明属于光机电一体化中检测技术领域。

它利用CCD相机对已确定的PCB的XY 坐标系统， 对产品的图案和标志进行定义检查，比对需检测的图案的特征值，将图像偏移技术结果，运用CAS辅助对位补偿系统软件，计算出图案位置偏移量，或产品偏移量， 补偿给检测系统计算机PC或XY平台，并以确认的数据格式输出， 可以精确定位PCB的图案位置。对后续加工和工序提供高精度的保障。

该开放式的数据格式可以按后续加工的特点, 进行多格式编辑。例如: 可输出给激光半导体矩阵式PCB子板方码的标刻位参数校正, 以便激光进行标刻图案位置的调整，提高的标刻位置质量和精度。

CAS补偿系统是因客户对PCB板码的激光标刻高精度要求而开发的。通常的PCB边定位精度在+/-0.2-0.15mm， 此CAS补偿精度优于+/-0.1-0.05mm，可以提高PCB的激光标刻的成品率和激光标刻的一致性。CAS是专业用于PCB位置检测的补偿系统，可选不同分辨率的工业相机组合和安装位达到不同的应用目的。例如：

A、基于XY平台的PCB高精度定位的偏差补偿；

B、单相机配合XY平台, 分步可以检测PCB图案、器件和标码的位置误差检测。

背景技术

一．同一个产品要打A、B两块板，PCB内部焊盘mark点及焊盘完全一样，只是由于PCB外边缘做的不整齐（这在SMT生产中是绝对会大量出现的，PCB制造商保证焊盘与mark点的坐标是绝对一致准确的，不保证每个焊盘点与任何一个边的准确性），那这种情况如何能实现打码位置准确呢？

原因在于， 通常在PCB制作中, 相同的批号, 是由一张膜片拍照制成的，所以定位点和打码的相对位置都是相同的， 精度在50um的之内。而每块PCB的边缘裁切就会产生不同的边角精度，既是后续机械切边造成的。通常精度在0.2~0.4毫米。针对0.3毫米以内的位置要求的客户就需要订购CCD做高精度位置补偿。

二．激光标刻技术是激光加工量最大的应用领域之一。激光标刻技术是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料气化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种标刻方法。激光可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。

激光能标记何种信息，仅与计算机里设计的内容相关，只要计算机里设计出的图形是打标系统能够识别的，那么打标机就可以将设计信息精确地还原在合适的载体上。因此软件的功能实际上很大程度上决定了系统的功能。

激光标刻技术已被广泛的应用于各行各业，为优质、高效、无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。随着现代激光标刻应用领域的不断扩展，对激光制造的设备系统小型化，高效率和集成化的要求也越来越高，新型高功率光纤激光技术的开发成功，必将对此产生极大的推动。

三．随着技术的不断发展，加工设备的不断更新，CNC被大量使用，使得原来只能依靠进口国外机器的时代渐行渐远，在一些高科技、高精度行业对标刻技术提出了更高的要求，单纯的机械定位精度已经不能满足客户的要求，CAS定位补偿方法， 给激光加工系统是在对高端PCB客户的激光标刻的应用中应运而生。

在激光标刻行业领域中，优质的高精度定位方码标刻是汽车电子PCB的基本要求，正确完整清晰可辨是方码标刻的基本规范, 全自动化系统是标刻高产能和高质量的保证，高精度的定位补偿系统的配备，使得PCB标刻结果和质量的一致性得到了保障和检验。

CAS系统是在国内的PCB产业共同挑战汽车电子、 便携式新型电子、交通电子、航天电子的PCB工艺需求和相应的设备保障的基础上发明的。它结合了近两年来先进的激光技术，并随着CCD的广泛应用和功能的标准化不断进步而发展的，可应对极小型PCB的高精度标刻要求。CAS综合了现有的CCDP技术，和CCA技术， 应用于高端PCB生产的质量管理中，其CCD检测精度优于+/-50-30um，该CAS定位补偿检测技术将是国际、国内独创的专业应用于PCB产业化的系统。

发明内容

本发明是国际、国内独创的定位补偿检测方法，其主要是针对PCB定位，应用CCD相机检测产品的标志点团的中心，将检测数据传送给计算机PC，利用CAS对检测图像计算这两者之间的位差，并记录相应的检测结果，从而得到位置偏移值，将结果传输给连接的激光控制器的计算机，作位置自动补偿和校正标刻。

使用方法：单工业相机对XY平台上的PCB作定位补偿。

一．基础保证: 我们保证机台应有装配关系和精度， 和运动的线性驱动。 如：XY平台的直角， 激光的安装正确（含与平台的水平和平行）。

二．补偿提高精度: CAS的补偿的计算方法是：单个相机扑捉俩到三定位点， 计算出板子的当前位置， 作补偿。

1．该机台有三个基础坐标系，一是XY-A平台， 二是PCB-B板的基图，三 是激光L-C的图形位子。CCD是A坐标系中的一个固定眼位（Xz， Yz），如图1所示。

2．通常的传统补偿方法: 作 XY平台可以补偿X向和Y向， 转角就交给激光。特点:速度慢，补偿精度低。方法。

CAS采用的X向补偿和Y向补偿， 转角补偿都交给激光处理。特点：速度快，补偿精度高，合适高精度PCB定位要求。

三．补偿算法: CAS的补偿的计算方法， 目前只正对PCB的边加工和其他问题所造成的标刻位置的偏移，作补偿。 在完成了上述粗调和相对位置测量后， 正对PCB版的位置漂移和板子运动的停止，造成的补偿通常是小于2~3毫米的。 我们可以利用CCD的测量， 补偿给激光图形的位置参数（X， Y，Ɵ）。

四．补偿实现: CAS的补偿值可以通过激光的软件指令的通讯方法， 通知激光的标刻位置的偏移，作补偿，如图2所示。

与现有的PCB 定位技术相比，本发明具有低成本、使用便捷、精度高等优点，并且支持市面大多数激光，可大大提高国产激光同国外激光的竞争优势，并且可以在普通的机台上， 后加该装置，为客户的提供产品升级和应用升级提供了可能。

附图说明

图1 CAS定位补偿系统的安装事例

图2 CAS定位补偿系统应用一工作流程图

图3 三个坐标系和CCD, PCB及激光坐标系点的关联图

图4 针对PCB的图形移动作的各点的关系图

具体实施方式

一．基本方法:

1, 基础保证: 我们保证机台应有装配关系和精度， 和运动的线性驱动。 如：XY平台的直角， 激光的安装正确（含与平台的水平和平行）。具体方法参考技术文件: <激光安装测试XY TABLE 090418.doc>和<XY平台安装直角测量及激光安装配合检查补充说明.doc>

2, 补偿提高精度: CCD的补偿的计算方法科学合理。目前是：单个相机扑捉俩到三定位点， 计算出板子的当前位置， 作补偿。

(1).坐标系学习：该机台有三个基础坐标系，一是XY-A平台， 二是PCB-B板的基图，三 是激光L-C的图形位子。CCD是A坐标系中的一个固定眼位（Xz， Yz）， 如图3所示。

(2).补偿方法:

a. 作 XY平台可以补偿X向和Y向， 转角就交给激光。特点:速度慢，补偿精度低。

b. X向补偿和Y向补偿， 转角补偿都交给激光处理。特点:速度快，补偿精度高，合适。

二．做几个基本测试:

1.CCD安装的绝对位置确认( Xz, Yz) ；前提是基本满足应用的全行程， 不干涉激光标刻全扫描区域和读码枪的基本功能。 要注意的CCD一旦移动位子（含重新安装，包括改变光圈，重新定焦， 安装高度等工作，可能影响CCD的分辨像素值的动作）， 需重新确认该绝对位置参数，校对像素比例（相同的直径圆为等比例=1） 填入测试参数校正。

2．XY-A坐标系的确认；利用CCD对已知的标准基板作XY的直角测量和定距离的补偿值。 粗调参考：<激光安装测试XY TABLE 090418.doc>和<XY平台安装直角测量及激光安装配合检查补充说明.doc>， 测试保障X向和Y向分别在300毫米小于0.5毫米为限， 即每100毫米小于0.15毫米， 一个激光线宽的偏位； 细调：就利用在机台走（Xz+50，Yz+50） 定长步距打十字， 由CCD读取每个定距离的偏差， 生成坐标补偿表格， 或定距离每0.1毫米补充的是算式(Xa，Ya)。 移动的坐标位的绝对值（XA+Xz+ Xa*XA*10，YA+Yz+Ya*YA*10）

3．激光中心安装位(LX，LY)的确认；粗调部分已由激光安装的测试保障在300毫米小于0.5毫米为限。细调部分：激光在中心位置打十字，CCD测量得激光在XY-A 坐标系中的位置(XL=LX+Xz，YL=LY+Yz)。 激光的转角的图形与XY-A坐标系平行即，得ƟL值，因为是小角度，利用激光图形校正， 存在激光的标准图形文件即可。 每次安装过XY平台和激光的位置时， 注意该参数要重新测试校正。

如图3所示，三个坐标系和CCD, PCB及激光坐标系点的关联图。其中： 一要定义XY平台的原点， 可以在输送带的右STOPPER附近定义。 二要注意XY双向轴的原点传感器位子（HOME）， 要能在软件中得到补偿和定义距离。

三． 补偿算法: CCD的补偿的计算方法， 目前只正对PCB的边加工和其他问题所造成的标刻位置的偏移，作补偿。 在完成了上述粗调和相对位置测量后， 正对PCB版的位置漂移和板子运动的停止，造成的补偿通常是小于2~3毫米的。 我们可以利用CCD的测量， 补偿给激光图形的位置参数（X， Y，Ɵ）。

如图4所示，正对PCB的图形移动作的各点的关系图。

MARK1 和MARK2 是PCB的对角定位标志， 及对应的坐标位。

M1’和M2’是PCB的移动后的对角定位标志点位，及对应的坐标位。

M6 是PCB中的任意一点， M6’ 是移动后PCB中的任意一点。

以下是移动后夹角的计算。

其中的X3=X1’；Y3=Y1’

以下是M2‘的移动位置， 及M6’的移动坐标。

以下是验证M6‘公式在M6条件下的坐标位是否回位。M4’， M5‘

可以用几何法验证。 结论：移动后夹角的计算公式与M2’ 的移动位置及M6’的移动坐标计算公式是可以接收的。

以下是几何法独立计算M4与M4’，M5与M5’， M6与M6’的坐标位关系。

四． 补偿实现: CCD的补偿值可以通过ROFIN激光的MJC指令POSTMATRIX方法， 通知激光的标刻位置的偏移，作补偿。

五．其他方法:

1, 忽略角度补偿的方法: 变通方法处理PCB的外缘定位误差， 条件一我们保证机台应有装配关系和精度， 和运动的线性驱动。条件二已知产品的大小尺寸， 利用双定位得到位移偏差和转角， 在X向和Y向， 直接按坐标位的比例尺，直接补差到坐标位中。 注意单位补偿值要计算到X .xxxum/100um

六．注意事项:

所以计算要保留有效值四位。 运动的驱动要保证线性精度到0.01mm/100mm。

Claims (1)

1.CAS单相机对PCB的位置补偿方法，它利用CCD相机对已确定的PCB的XY坐标系统，对产品的图案和标志进行定义检查，比对需检测的图案的特征值，将图像偏移技术结果，运用CAS辅助对位补偿系统软件，计算出图案位置偏移量，或产品偏移量，补偿给检测系统计算机PC或XY平台，并以确认的数据格式输出，可以精确定位PCB的图案位置。