CN103383745B - 一种焊点质量检测系统检测窗优化布局的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊点质量检测系统检测窗优化布局的方法，该方法通过引进布尔矩阵M，将问题转化为寻求布尔矩阵M中的全1子阵。本发明解决了航天电子产品焊点质量检测系统中检测窗口优化布局的问题，能够快速的确定检测窗口的数量和位置，且本方法简单、直观、快速、易于实现。

Description

一种焊点质量检测系统检测窗优化布局的方法

技术领域

本发明涉及一种焊点质量检测系统检测窗优化布局的方法，属于焊点质量检测技术领域。

背景技术

目前，航天电子产品焊点质量的检测主要依靠人工检测。人工检测容易受操作员经验、疲劳程度和主观感觉等人为因素的影响，没有统一的判别量化标准，检测一致性较差，很容易出现漏检。随着航天电子产品高密度集成及轻小型化的发展，传统的人工检测手段已经越来越不能适应航天电子产品质量高可靠的检测需求。近年来，AOI(AutomatedOptical Inspection)设备在民用电子产品的生产过程中已有一定程度的应用，但由于航天产品多品种、小批量生产的特点，现有的AOI设备难以在航天领域中推广应用，需要研制适用于航天电子产品生产特点和高可靠焊点检测要求的自动光学检测系统，实现焊点的100%检测。

在焊点质量的自动光学检测系统中，由于CCD相机的视野(检测窗口)有限，必须通过移动CCD相机多次采集PCB板上待检元件的图像来完成整个PCB板上所有待检元件的检测。这就需要对CCD相机检测窗口位置进行优化布局，使得检测窗口的数量尽可能小，即CCD相机的拍摄次数尽可能少。关于上述问题，现有的方法(模拟退火法、遗传算法、蚁群算法等)虽可以得到问题的最优解，使检测窗口数量最小，但由于这些方法过度追求了最优解的目标，而忽略了算法本身的运行代价，表现出算法复杂、运算量大，实时性不高的缺点，不能满足航天电子产品焊点质量实时的检测要求。

发明内容

本发明提出一种焊点质量检测系统检测窗优化布局的方法，解决了航天电子产品焊点质量检测系统中检测窗口优化布局的问题，能够快速的确定检测窗口的数量和位置，且本方法简单、直观、快速、易于实现。

该方法的约束条件是1)所有检测窗的并集能覆盖PCB板上的所有待检元件；2)每个待检元件都不被分割到两个检测窗口中；设c＝{c₁,c₂,...c_i...,c_n}为PCB板上所有待检元件的集合，w＝{w₁,w₂,...w_j...,w_m}为所有检测窗口的集合，1≤i≤n，n表示待检元件的个数，1≤j≤m，m表示检测窗口的个数，目标就是要使满足约束条件的m值尽可能小；设检测窗口的宽为固定值W、高为固定值H，检测窗口w_j的中心坐标为待检元件c_i的中心坐标为待检元件c_i的宽为，高为。设布尔函数 $f_{i,j}=\left\{\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right.$ ，当待检元件c_i与c_j可以放置到同一个检测窗口中时，f_i,j=1;当待检元件c_i与c_j不能放置到同一个检测窗口中时，f_i,j=0。则f_i,j=1须满足:

$\left\{\begin{array}{c}|c_i^x-c_j^x|+\frac{1}{2}(c_i^w+c_j^w)\≤W\\ |c_i^y-c_j^y|+\frac{1}{2}(c_i^h+c_j^h)\≤H\end{array}---\left(1\right)\right.$

引进布尔矩阵M，M的元素m_i,j由布尔函数f_i,j的值决定。则矩阵M是一个n×n的对称阵，且主对角元素均为1。可以证明，若k个待检元件两两都能放置到同一个检测窗口中，则这k个元件也可以放置在同一个检测窗口中。则问题的目标转化为寻求M阵中的全1子阵。

求全1子阵的具体步骤为:

(1)从M的第1行开始，找到元素为1的k列，通过基本的列互换及相应的行互换，使k×k子阵的第1行、第1列元素全为1;

(2)从k×k子阵的第2行开始，找到元素为1的p列，通过基本的列互换及相应的行互换，使p×p子阵的第1行、第1列元素全为1;

(3)以此类推，直到得到q×q子阵，使该阵所有行、所有列的元素均为1，得到第1个全1子阵。从矩阵M中把这q行、q列删除。则这q行、q列所对应的q个待检元件可以放置到同一个检测窗口中，将这q个待检元件从待检序列中删除;

(4)此时，n×n阵变为(n-q)×(n-q)阵，重复步骤(1)、(2)、(3)，得到第2个全1子阵;

(5)以此类推，重复步骤(4)，直到待检序列为空，得到第m个全1子阵，m即为所求的检测窗数。

得到检测窗数m后，还需确定m个检测窗的位置，若待检元件c_i可以放置到检测窗口w_j中，须满足:

$\left\{\begin{array}{c}|c_i^x-w_j^x|+\frac{1}{2}{c}_i^w\≤\frac{1}{2}W\\ |c_i^y-w_j^y|+\frac{1}{2}{c}_i^h\≤\frac{1}{2}H\end{array}---\left(2\right)\right.$

根据式(2)，可以由能够放置在同一检测窗w_j中的q个待检元件{c₁,c₂,......，c_q}的相应坐标值与宽高值，确定w_j的中心位置坐标的范围。但在实际检测中，当PCB板上待检元件分布密集、待检元件尺寸较小时，所得的检测窗口移动的范围非常有限，故可用下式来快速确定检测窗的位置。

$\left\{\begin{array}{c}{w}_j^x=\frac{1}{2}(\min (c^x-\frac{1}{2}{c}^w)+\max (c^x+\frac{1}{2}{c}^w))\\ w_j^y=\frac{1}{2}(\min (c^y-\frac{1}{2}{c}^h)+\max (c^y+\frac{1}{2}{c}^h))\end{array}---\left(3\right)\right.$

式(3)中，表示可以放置在检测窗口w_j中的q个待检元件{c₁,c₂,......，c_q}的左边界的横坐标中取最小值， 依次表示q个待检元件的右边界的横坐标取最大值、下边界的纵坐标取最小值、上边界的纵坐标取最大值。即检测窗口w_j的位置由分布在上、下、左、右四个边界上的元件来确定。

本方法的适用条件为1)PCB板上所有待检元件均为水平或垂直放置(其它角度放置的不适用);2)所有待检元件的尺寸均不大于检测窗口的尺寸，即 $\∀i,(1\≤i\≤n),c_i^w\≤W,c_i^h\≤H.$

至此完成了全部运算步骤，得到了检测窗口的数量、每个检测窗所包含的待检元件及各检测窗的具体位置。

本发明的有益效果:

本方法可以直观、快速的得到检测窗口的数量和位置，尽管不一定能得到问题的最优解，即检测窗口的数量不一定为最小，但相比现有方法运算量大，计算时间过长的缺点，本方法快速、实时的优点足以弥补其非最优解的缺陷，表现出其独有的优越性。

附图说明

图1检测窗口布局示例图

图2(a)(b)(c)(d)(e)(f)布尔矩阵转化图

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

为了直观、简便的说明问题，取少量待检元件为例，设待检元件在PCB板中的分布位置如图1所示，图1中黑色矩形代表待检元件，此时n=7。根据待检元件的具体尺寸、分布坐标及检测窗口的数据可以得出布尔函数f_i,j的值，并由此得到原始的布尔矩阵M_7×7，如图2(a)所示，其中第一行的数字1至7表示该原始矩阵的列号，第一列的数字1至7表示该原始矩阵的行号，矩阵的元素(0或1)从第二行、第二列开始。为方便说明问题，以下矩阵变换得到的子矩阵图2(b)、(c)、(d)、(e)、(f)中都在第一行和第一列标注该子阵在原始矩阵中的行号和列号。

步骤(1)，从矩阵M_7×7的第1行开始，找到元素为1的k列，此时k=3，即第1列、第2列、第4列，将第4列(及行)与第3列(及行)互换，得到矩阵M_3×3，则M_3×3的第1行、第1列全为1，如图2(b)。

步骤(2)从M_3×3的第2行开始，找到元素为1的p列，此时p=2，即第1列、第2列，此时不需行列互换，得到2×2子阵M_2×2，第1行、第1列元素全为1，如图2(c);

步骤(3)此时M_2×2已经是一个全1子阵，就是第1个全1子阵，从矩阵M_7×7中把这2行、2列删除，得到M_5×5，如图2(d);

步骤(4)对M_5×5重复步骤(1)、(2)、(3)，得到第2个全1子阵，如图2(e)，从矩阵M_5×5中把这3行、3列删除，得到M_2×2，如图2(f);

步骤(5)此时的M_2×2已为全1子阵，即第3个全1子阵，由于此时待检序列为空，则m=3即为所求的检测窗数。

由上述步骤得到的全1子阵，如图2(c)、(e)、(f)可知，7个待检元件可分组为{c₁,c₂}、{c₃，c₅、c₆}、{c₄，c₇}，同组的元件即可放置在同一个检测窗口中，如图1所示，检测窗口依次为w₁、w₂、w₃。

检测窗口的位置范围可由式(2)确定。

如由式(2)可确定w₁的移动范围如式(4)。

$\left\{\begin{array}{c}{c}_2^x-\frac{1}{2}{c}_2^w-\frac{1}{2}W\≤w_1^x\≤c_1^x-\frac{1}{2}{c}_1^w+\frac{1}{2}W\\ c_2^y-\frac{1}{2}{c}_2^h-\frac{1}{2}H\≤w_1^y\≤c_1^y-\frac{1}{2}{c}_1^h+\frac{1}{2}H\end{array}---\left(4\right)\right.$

而在实际中，PCB板上的待检元件分布非常密集、元件尺寸较小，考虑到此情况可由式(3)来得到w₁的中心坐标的具体值，如式(5)。如此得到的w₁的位置为待检元件c₁、c₂的中心位置。

$\left\{\begin{array}{c}{w}_1^x=\frac{1}{2}(c_1^x-\frac{1}{2}{c}_1^w+c_2^x+\frac{1}{2}{c}_2^w)\\ w_1^y=\frac{1}{2}(c_1^y-\frac{1}{2}{c}_1^h+c_2^y+\frac{1}{2}{c}_2^h)\end{array}---\left(5\right)\right.$

类似，检测窗口w₂、w₃的具体位置也可由式(3)得到。

至此，就完成了本例的全部运算步骤，得到了检测窗口的数量、每个检测窗所包含的待检元件及各检测窗的具体位置。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种焊点质量检测系统检测窗优化布局的方法，其特征在于，

该方法的适用条件为1)PCB板上所有待检元件均为水平或垂直放置；2)所有待检元件的尺寸均不大于检测窗口的尺寸；

该方法的约束条件是1)所有检测窗的并集能覆盖PCB板上的所有待检元件；2)每个待检元件都不被分割到两个检测窗口中；设c＝{c₁,c₂,…c_i…,c_n}为PCB板上所有待检元件的集合，w＝{w₁,w₂,…w_j…,w_m}为所有检测窗口的集合，1≤i≤n，n表示待检元件的个数，1≤j≤m，m表示检测窗口的个数，目标就是要使满足约束条件的m值尽可能小；设检测窗口的宽为固定值W、高为固定值H，检测窗口w_j的中心坐标为待检元件c_i的中心坐标为待检元件c_i的宽为高为设布尔函数 $f_{i,j}=\left\{\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right.,$ 当待检元件c_i与c_j放置到同一个检测窗口中时，f_i,j＝1；当待检元件c_i与c_j不能放置到同一个检测窗口中时，f_i,j＝0；则f_i,j＝1须满足：

$\left\{\begin{array}{c}\left|c_i^x-c_j^x\right|+\frac{1}{2}(c_i^w+c_j^w)\≤W\\ \left|c_i^y-c_j^y\right|+\frac{1}{2}(c_i^h+c_j^h)\≤H\end{array}\right.---\left(1\right)$

引进布尔矩阵M，M的元素m_i,j由布尔函数f_i,j的值决定；由此可知布尔矩阵M是一个n×n的对称阵，且主对角元素均为1；若k个待检元件两两都能放置到同一个检测窗口中，则这k个元件也可以放置在同一个检测窗口中；则问题的目标转化为寻求布尔矩阵M中的全1子阵；

矩阵变换的具体步骤为：

(1)从M的第1行开始，找到元素为1的k列，通过基本的列互换及相应的行互换，使k×k子阵的第1行、第1列元素全为1；

(2)从k×k子阵的第2行开始，找到元素为1的p列，通过基本的列互换及相应的行互换，使p×p子阵的第1行、第1列元素全为1；

(3)以此类推，直到得到q×q子阵，使该阵所有行、所有列的元素均为1，得到第1个全1子阵；从布尔矩阵M中把这q行、q列删除；则将这q行、q列所对应的q个待检元件放置到同一个检测窗口中，并把这q个待检元件从待检序列中删除；

(4)此时，n×n阵变为(n－q)×(n－q)阵，重复步骤(1)、(2)、(3)，得到第2个全1子阵；

(5)以此类推，重复步骤(4)，直到待检序列为空，得到第m个全1子阵，m即为所求的检测窗数；

得到检测窗数m后，还需确定每个检测窗的位置，根据式(3)确定检测窗的位置；

$\left\{\begin{array}{c}{w}_j^x=\frac{1}{2}\left(\min \right(c^x-\frac{1}{2}{c}^w)+max(c^x+\frac{1}{2}{c}^w\left)\right)\\ w_j^y=\frac{1}{2}\left(\min \right(c^y-\frac{1}{2}{c}^h)+max(c^y+\frac{1}{2}{c}^h\left)\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，表示放置在检测窗口w_j中的q个待检元件{c₁,c₂,……,c_q}的左边界的横坐标中取最小值，依次表示q个待检元件的右边界的横坐标取最大值、下边界的纵坐标取最小值、上边界的纵坐标取最大值；即检测窗口w_j的位置由分布在上、下、左、右四个边界上的元件来确定；

至此完成了全部运算步骤，得到了检测窗口的数量、每个检测窗所包含的待检元件及各检测窗的具体位置。