CN102990178A - 一种使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法，包括有如下的步骤：1)向编程文件中导入Gerber文件；2)设置Gerber参数；3)解析Gerber文件，先得到Gerber图形中的焊接图层；4)对Gerber焊接图层进行处理，建立图形坐标和实物坐标的关系；5)在处理好的Gerber焊接图层上选定待焊接的焊点，根据步骤4)得到的坐标转换关系，计算图形坐标对应的实际物理坐标，焊嘴移动到实际物理坐标焊接；6)利用步骤5)的方法找到其它焊点的实际物理坐标进行焊接。本发明不需要用相机拍缩略图，减少了编程时间；能够准确的计算出PCB板的旋转角度；能够准确的对PCB板的旋转角度进行补偿，提高焊接精度；焊接时，不会因为PCB板的位置发生偏移而焊接不准。

Description

一种使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法

技术领域

本发明涉及自动焊锡机器人自动焊接技术领域，用于PCB板的焊接，特别是关于一种使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法。

背景技术

工业领域常见的机器人应用模式，都是按照图1所示的流程进行的。自动焊锡机器人是当前国内各大工厂企业广泛应用的一款自动化系统，它具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，焊接质量明显优于人工焊接，大大提高了焊接作业的生产效率。它的出现将大大降低生产成本，将人工工作转化为机器自动操作。用户还可以根据焊接工艺的不同，调节机器人的各项参数，使焊接效果更好。

对于自动焊锡机器人，通过编程控制自动焊锡，是其进行可靠、高效工作的一个十分重要的环节。目前通常使用的编程方法是使用示教盒人工示教编程：将待焊锡的PCB板装夹到自动焊锡机器人台面上，人工控制焊枪移动到需要进行焊锡的焊点位置处，通过传动装置获取此位置焊点坐标，设置该焊点的焊锡参数，按照编程文件参数进行焊接动作，如图2所示。

但是，随着电子行业的发展，各种微小型插接件的应用越来越广泛，这也对自动焊锡机器人的焊点位置精度提出了更高的要求。在此情况下，通过示教盒人工示教编程的方法，需要频繁移动焊枪来定位焊点位置，存在着编程过程繁琐，编程效率低，位置精度较低且受限于编程人员的熟练程度等一系列问题，因而如何提高编程的速度和精度，成为了摆在各大厂商面前的一个难题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法，使得在进行焊接操作时，既保证了编程操作的高精度需求，又能够有效的提高编程效率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法，其特征在于，包括有如下的步骤：

1)将包含PCB板的Gerber文件导入到编程文件中；

2)设置Gerber参数，包括确认文件格式，描述文件的大小、尺寸、类型、缩放比例；

3)解析Gerber文件，先得到Gerber图形，进一步得到图形中的焊接图层；

4)对Gerber焊接图层进行处理，建立图形坐标和实物坐标的关系；

5)在处理好的Gerber焊接图层上选定待焊接的焊点，根据步骤4)得到的坐标转换关系，计算图形坐标对应的实际物理坐标，焊嘴移动到实际物理坐标的位置进行焊接；

6)利用步骤5)的方法找到其它需要焊接的焊点的实际物理坐标，焊嘴移动到该点进行焊接。

在所述步骤1)中，导入的方法是：选择要导入的是RS-274-D格式的文件还是RS-274-X格式的文件，如果是RS-274-D格式的，则需要导入RS-274-D文件和D码文件，如果是RS-274-X格式的，则只需要导入RS-274-X文件。

在所述步骤3)中，解析Gerber文件的方法是：通过编写软件代码，逐行读取Gerber文件中的内容，并且按照固定格式逐个字符进行解析，即可得到焊接图层数据，并将解析获得的数据，描绘在一个图形文件中即可。

在所述步骤4)中，对Gerber焊接图层进行处理的方法是：

①选取图像上的两个点A(X_A，Y_A)、B(X_B，Y_B)为基准点；进一步讲，A、B两点最佳在PCB板的对角线上。

②目测找到实物PCB板上与图像上A点对应的点C，找到之后用相机的正中心对准C点，1∶1取像，呈现在显示屏上，获取C点坐标C(X_C，Y_C)；再目测找到实物PCB板上与图像上B点对应的点D，找到之后用相机的正中心对准D点，1∶1取像，呈现在显示屏上，获取D点坐标D(X_D，Y_D)；

③根据A、B两点的图像坐标，-依据直角三角形定律求出AB连线与图像X轴方向的夹角：

∠AB＝arctan(ΔY_AB/ΔX_AB)；

④根据C、D两点的物理坐标，依据直角三角形定律求出CD连线与物理X轴方向的夹角：

∠CD＝arctan(ΔY_CD/ΔX_CD)；

⑤计算两个夹角之差ΔT＝∠CD-∠AB，ΔT就是图像与实物之间的偏移角度。

在所述步骤4)中，对CAD图形进行处理的方法还可以是：

利用CAD图形和CAD坐标文件(来自贴片机)，来计算图像坐标和物理坐标之间的转换关系。由CAD坐标文件，生成一张与电路板实物完全一致的模拟图，然后，按照用相机拍摄的方法，使用这张模拟图和CAD图形来进行坐标对应。

在所述步骤5)中，在处理好的Gerber图形上选定待焊接的焊点，根据得到的ΔT计算该焊点对应的实际物理坐标，方法如下：

X_T＝(X_I-X_A)*cos(ΔT)-(Y_I-Y_A)*sin(ΔT)，

Y_T＝(Y_I-Y_A)*cos(ΔT)+(X_T-X_A)*sin(ΔT)，

其中，X_T ^/为物理目标点X轴坐标，Y_T为物理目标点Y轴坐标，X_T为图像目标点X轴坐标，Y_T ^/为图像目标点Y轴坐标，X_A为图像基准点X轴坐标，Y_A为图像基准点Y轴坐标。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、不需要用相机拍缩略图，减少了编程时间。2、能够准确的计算出PCB板的旋转角度。3、能够准确的对PCB板的旋转角度进行补偿，提高焊接精度。4、焊接时，不会因为PCB板的位置发生偏移而焊接不准。

附图说明

图1为普遍机器人工作流程。

图2为焊锡机器人焊接流程。

图3为本发明方法的焊接流程。

图4为Gerber图形，其中矩形框和六边形框为焊点。

图5为由图1中的Gerber图形解析出来的焊接层的图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细的描述。

本发明的设计构思如下：利用机器人具有的对图形、图像的处理功能(这在机器人编程领域属于常规技术)，在编程过程中，将Gerber文件导入到编程文件中去。Gerber文件中包含有Gerber图形信息，通过软件中的代码处理后，转换成编程文件能够支持的文件格式，从而导入。

Gerber文件是一种国际标准的光绘格式文件，在PCB板制造和电子组装行业有着广泛的应用。它包含RS-274-D和RS-274-X两种格式，其中RS-274-D称为基本GERBER格式，并要同时附带D码文件才能完整描述一张图形；RS-274-X称为扩展GERBER格式，它本身包含有D码信息。导入时，如果是RS-274-D格式的，则需要导入RS-274-D文件和D码文件；如果是RS-274-X格式的，则只需要导入RS-274-X文件。

导入文件后，编程文件将Gerber图形文件进行解析，生成焊点模拟图；然后对图像坐标和实际的物理坐标进行关系对应；获得了图形和实物之间的坐标转换关系之后，就可以在图形上选择任何焊点，而软件模块内部会根据这个转换关系自动计算该焊点对应的实际物理坐标，焊嘴就会准确的移到实际焊点的位置，进行焊锡参数设置并焊接。

这样在进行编程时就可以直接在Gerber图形上选定待焊的焊点，经过系统内部自动计算后，焊嘴就能自动找到实际焊点的位置，从而无需在编程时人工定位所有待焊锡焊点的位置，通过系统自动提高编程的精度和速度。

体现本发明方法的操作流程如图3所示，其中包括的几个具体步骤如下：

1、向编程文件中导入Gerber文件。导入的方法是：选择要导入的是RS-274-D文件还是RS-274-X文件，选择好之后，在编程界面上点击“确定”按钮，编程文件就会开始自动导入Gerber文件了。如果是RS-274-D格式的，则需要导入RS-274-D文件和D码文件；如果是RS-274-X格式的，则只需要导入RS-274-X文件。

2、设置Gerber参数。设置参数包括两方面内容：1)确定文件格式，从Gerber文件列表中选择D码文件：如果是RS-274-D格式的，则需要导入RS-274-D文件和D码文件；如果是RS-274-X格式的，则只需要导入RS-274-X文件；2)对Gerber文件的大小、尺寸、类型、缩放比例等参数的描述。

3、解析Gerber文件，得到Gerber图形(如图4所示)，进一步处理得到图形中的焊接图层(如图5所示)。解析的方法是：由于上文提到的两种Gerber文件都是公开的文本格式，所以我们只需要编写软件代码，逐行读取Gerber文件中的内容，并且按照固定格式去逐个字符的进行解析，即可得到焊接图层数据，并将解析获得的数据，描绘在一个图形文件中即可。

4、对Gerber焊接图层进行处理，建立图形坐标和实物坐标的关系。处理的方法有两种：

第一种方法是，在Gerber焊接图层中选择一个Mark点，然后用眼睛目测在PCB板实物中找到与在该图层中选中的Mark点位置相同且大小相同的Mark点；找到之后，移动相机，使PCB板实物上的该Mark点出现在相机视野的正中心，1∶1取像，呈现在显示屏上，然后获取坐标。再在Gerber焊接图层中选择另一个Mark点，这个Mark点尽量和Gerber图层中选择的第一个Mark点在板的对角线上，这样的好处是能够更好地确定“X轴”、“Y轴”的偏移量和旋转角度；选择好了之后，在PCB板实物中找到与在Gerber图层中选中的第二个Mark点位置相同且大小相同的Mark点，找到之后，移动相机，PCB板实物上的该Mark点出现在相机视野的正中心，1∶1取像，呈现在显示屏上，然后获取坐标。

获取坐标之后，按如下的算法进行处理，这样就能够把图形上的点和实物上的焊点对应起来。

1)设A、B分别为图像上的两个点(尽量在板的对角线上)，我们用X_A表示A点在图像中的X轴坐标，Y_A表示A点在图像中的Y轴坐标，B点及以下各点标记方法类似。A、B两点作为图形上的两个基准点。

2)再设C点为实体PCB上与图像A点对应的点，D点为实体PCB上与图像B点对应的点，坐标表示方式与A、B两点类似。

3)首先，我们根据A、B两点的图像坐标，可以根据直角三角形定律求出AB连线与图像X轴方向的夹角：

∠AB＝arctan(ΔY_AB/ΔX_AB)。

4)然后，我们根据C、D两点的物理坐标，可以根据直角三角形定律求出CD连线与物理X轴方向的夹角：

∠CD＝arctan(ΔY_CD/ΔX_CD)。

5)最后，这两个夹角之差ΔT＝∠CD-∠AB，就是图像与实物之间的旋转角度(即图像与实物之间的旋转偏移)。而至于图像与实物之间的X、Y轴方向的偏移，则取其中任何一点的偏移即可。

第二种方法是利用CAD图层和CAD坐标文件(来自贴片机)，来计算图像坐标和物理坐标之间的转换关系。CAD坐标文件由贴片机产生，是一个格式非常简单的文本文件，其中每一行，都表示一个焊点的相关物理信息(包括坐标、尺寸、形状、角度等)。焊锡机器人软件可以根据CAD坐标文件，生成另一张与电路板实物完全一致的模拟图，然后，按照方法一，使用这张模拟图和CAD图层来对图像坐标进行转换，算法和上述相同。

5、在处理好的Gerber图形上选定待焊接的焊点，系统内部会根据步骤4得到的这个转换关系自动计算该焊点对应的实际物理坐标，焊嘴就会自动移动到实际物理坐标的位置进行焊接。计算原理描述如下：

1)在Gerber图形上的焊接层中，用眼睛找出要焊接的焊点，获取图像上的目标焊点T与上面提到的A点之间的相对偏移，这个偏移实际上就是T点相对于A点的旋转半径。

2)利用旋转极坐标公式，求出T点相对于A点旋转ΔT之后的新的点T^/点，T^/点坐标就是我们所要找的真正的物理焊点。

具体计算方法如下：

X_T ^/＝(X_T-X_A)*cos(ΔT)-(Y_T-Y_A)*sin(ΔT)，

Y_T ^/＝(Y_T-Y_A)*cos(ΔT)+(X_T-X_A)*sin(ΔT)。

其中，X_T为物理目标点X轴坐标，Y_T为物理目标点Y轴坐标，X_T为图像目标点X轴坐标，Y_T ^/为图像目标点Y轴坐标，X_A为图像基准点X轴坐标，Y_A为图像基准点Y轴坐标。

因此，当我们选中图像目标焊点T(坐标为(X_I，Y_T))后，系统就会自动计算出物理目标点T^/的坐标(X_T，Y_I)，焊嘴自动移到该位置，进行参数设置并焊接。

6、利用步骤5的方法找到其它需要焊接的焊点的实际物理坐标，焊嘴自动移动到该点进行焊接。

Claims (7)

1.一种使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法，其特征在于，包括有如下的步骤：

1)将包含PCB板的Gerber文件导入到编程文件中；

2)设置Gerber参数，包括确定文件，描述文件的大小、尺寸、类型、缩放比例；

3)解析Gerber文件，先得到Gerber图形，进一步得到图形中的焊接图层；

4)对Gerber焊接图层进行处理，建立图形坐标和实物坐标的关系；

5)在处理好的Gerber焊接图层上选定待焊接的焊点，根据步骤4)得到的坐标转换关系，计算图形坐标对应的实际物理坐标，焊嘴移动到实际物理坐标的位置进行焊接；

6)利用步骤5)的方法找到其它需要焊接的焊点的实际物理坐标，焊嘴移动到该点进行焊接。

2.如权利要求1所述的使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法，其特征在于，所述步骤1)中，导入的方法是：选择要导入的是RS-274-D格式的文件还是RS-274-X格式的文件，如果是RS-274-D格式的，则需要导入RS-274-D文件和D码文件，如果是RS-274-X格式的，则只需要导入RS-274-X文件。

3.如权利要求1所述的使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法，其特征在于，所述步骤3)中，解析Gerber文件的方法是：通过编写软件代码，逐行读取Gerber文件中的内容，并且按照固定格式逐个字符进行解析，即可得到焊接图层数据，并将解析获得的数据，描绘在一个图形文件中即可。

4.如权利要求1所述的使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法，其特征在于，所述步骤4)中，对Gerber焊接图层进行处理的方法是：

①选取图像上的两个点A(X_A，Y_A)、B(X_B，Y_B)为基准点；

②目测找到实物PCB板上与图像上A点对应的点C，找到之后用相机的正中心对准C点，1∶1取像，呈现在显示屏上，获取C点坐标C(X_C，Y_C)；再目测找到实物PCB板上与图像上B点对应的点D，找到之后用相机的正中心对准D点，1∶1取像，呈现在显示屏上，获取D点坐标D(X_D，Y_D)；

③根据A、B两点的图像坐标，依据直角三角形定律求出AB连线与图像X轴方向的夹角：

∠AB＝arctan(ΔY_AB/ΔX_AB)；

④根据C、D两点的物理坐标，依据直角三角形定律求出CD连线与物理X轴方向的夹角：

∠CD＝arctan(ΔY_CD/ΔX_CD)；

⑤计算两个夹角之差ΔT＝∠CD-∠AB，ΔT就是图像与实物之间的偏移角度。

5.如权利要求1所述的使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法，其特征在于，所述步骤4)中，对Gerber焊接图层进行处理的方法是：

①选取图像上的两个点A(X_A，Y_A)、B(X_B，Y_B)为基准点；

②利用CAD坐标文件，生成另一张与电路板实物完全一致的模拟图，在模拟图上找到与图像上A点对应的点C(X_C，Y_C)，与图像上B点对应的点D(X_D，Y_D)；

③根据A、B两点的图像坐标，依据直角三角形定律求出AB连线与图像X轴方向的夹角：

∠AB＝arctan(ΔY_AB/ΔX_AB)；

④根据C、D两点的图像坐标，依据直角三角形定律求出CD连线与物理X轴方向的夹角：

∠CD＝arctan(ΔY_CD/ΔX_CD)；

⑤计算两个夹角之差ΔT＝∠CD-∠AB，ΔT就是图像与实物之间的偏移角度。

6.如权利要求4或5所述的使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法，其特征在于，A、B两点在PCB板的对角线上。

7.如权利要求4或5所述的使用Gerber文件提高焊锡机器人编程速度和精度的方法，其特征在于，所述步骤5)中，是在处理好的Gerber图形上选定待焊接的焊点，根据得到的ΔT计算该焊点对应的实际物理坐标，方法如下：

X_T ^/＝(X_T-X_A)*cos(ΔT-)-(Y_T-Y_A)*sin(ΔT)，

Y_T ^/＝(Y_T-Y_A)*cos(ΔT)+(X_T-X_A)*sin(ΔT)，

其中，X_T ^/为物理目标点X轴坐标，Y_T ^/为物理目标点Y轴坐标，X_T为图像目标点X轴坐标，Y_T ^/为图像目标点Y轴坐标，X_A为图像基准点X轴坐标，Y_A为图像基准点Y轴坐标。

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