CN103675588A

CN103675588A - 印刷电路元件极性的机器视觉检测方法及设备

Info

Publication number: CN103675588A
Application number: CN201310586078.1A
Authority: CN
Inventors: 鲍宇; 陈映; 周娟; 赵亮; 孟鑫
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: CN103675588B

Abstract

一种印刷电路元件极性的机器视觉检测方法及设备，在测试区域内设置传送待测印刷电路板的导轨，导轨上设有由传感器控制的行程开关，导轨上方设有罩住测试区域的封闭工作箱，在封闭工作箱内部设置可调节亮度的光源和多个传感器，将不同类型待测元件依次放在含有可调节光源的封闭工作箱测试区域内，获取元件样本；按照电容或二极管型号分类，确定待检元件需要的检测参数，针对印刷电路板元件位置不同，划定不同元件在电路板上的相对位置，通过版型标识符号、元件型号、位置和检测参数值制定不同印刷电路板对应的标准版型；利用机器视觉代替人工目检的方式，减少人员疏忽和极性元件的极性方向漏检错误的情形，降低生产成本，提升产品质量。

Description

印刷电路元件极性的机器视觉检测方法及设备

技术领域

本发明涉及一种带有极性标记的电解电容和二极管的电路板的方法以及设备，尤其是一种适用于检测安装在电路板上的电解电容和二极管极性是否正确的印刷电路元件极性的机器视觉检测方法及设备。

背景技术

印刷PCB板是现代电子工业的重要组成部分，其质量直接影响到产品的性能。而印刷电路板上的元件焊接是定制电路板的基本工作流程。在流水线上，由于目前PCB板组件的高密度快速组装，这给传统的人工在线检测和分析带来较大困难。其中双排脚封装的电子元件仍多是以人工手插的组装方式以插置于印刷电路板。双排脚封装电子元件中的电解电容的组装正、负极性的方向仰赖人工目视做检测，若在人工目检时没发现主机板上其中一个电解电容的极性方向是相反时，焊接之后板卡很难重新处理，直接给企业造成损失，甚至会造成电容爆炸，伤害到人员。而部分二极管元件存在同样问题。

电解电容由于有正负极性，在电路中使用时不能颠倒连接。为了在焊接电路板是准确掌握电解电容的极性，工业中将电解电容的顶端的表面设计成负极部分涂有不同颜色的涂层，例如黑色涂层，以标志电解电容的正负极。

新的检测方法自动光学检测(AOI)技术用光学手段获取被测物体的数字图像，并以某种方法进行检测、分析和判断，实现了PCB板的非接触式自动光学检测。对电容等元件实现极性检测便是利用了极性标记，通过图像中的颜色来区分正负极。

但是，目前流水线上的工业应用监测元件极性的方法仍然存在方法简陋，与流水线配合不紧密的缺点。相似工作“极性元件的极性方向自动检测方法（申请号：200610103884.9）”提出使用AOI方式，很好的解决了利用色标识别电解电容极性的问题，但是该方法需要使用标准样本，需要保存原始样本影像，最后需要比较标准样本与待测样本图像，计算相对复杂，对寻找极性方向缺乏具体方法。而且，该方法虽然提到可以检测其他电子元件，但是没有注重二极管元件同电容元件检测是不一样的。而近期的“检测带有电解电容的电路板的方法以及设备（201210029456.1）”方法同样需要标准图像，检测方法是通过比较待测样本图像与标准图像的差异，而且是直接划定负极区域，对电路板所处的位置精度要求高。上述两种方法都缺少去除光强造成的干扰。因此，需要针对原有方案提出一种新的识别方案。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种印刷电路元件极性的机器视觉检测方法及设备，利用机器视觉代替人工目检的方式，能减少人员疏忽和极性元件的极性方向漏检错误的情形，使产品维持稳定的良率，进而减少生产成本。

技术方案：本发明的印刷电路元件极性的机器视觉检测方法，包括如下步骤：

（1）将不同类型待测元件依次放在含有可调节光源的封闭工作箱测试区域内，为每一种元件拍摄多张照片，获得元件样本；

（2）对元件样本，按照电容或二极管型号分类，确定每一种类型待检元件需要的检测参数，并将所有使用到的检测参数组成一个检测参数集；

（3）针对印刷电路板元件位置不同，划定不同元件在电路板上的相对位置，并规定元件型号和检测参数值，通过版型标识符号、每个元件型号、位置和检测参数值制定各种不同印刷电路板对应的标准版型；

（4）将待测印刷电路板沿导轨传动到含有可调节光源的封闭工作箱内,触发设在测试区域内的传感器，由传感器触发行程开关停止导轨移动，并触发照相设备对测试区域拍照，得到待测印刷电路板的照片；

（5）通过待测印刷电路板的照片，在设定印刷电路板标准版型中寻找对应标识的标准版型：

如找不到对应标识的标准板型，则判定待测印刷电路板的版型错误，将待测印刷电路板从测试区域退出；

如找到对应标识的标准板型，将拍摄的待测印刷电路板照片按照对应标识的标准版型中位置参数，剪切出该位置含有1个元件的子图片；

（6）按照对应标识的标准版型中该位置元件型号的参数，判断子图片中的一个元件型号：

如果该元件型号是电容，则根据对应型号的电容检测参数，首先进行灰度化处理，得到电容灰度图，然后在灰度图上通过Hough算法根据电容检测参数寻找电容主体轮廓圆，记录该圆的圆心位置和半径，再对电容灰度图进行二值化，得到电容二值化图，去除杂斑后，使电容极性标识轮廓与电容二值化图上其他区域不连通，获得极性标识的位置坐标；依据电容二值化图上电容主体轮廓对应圆心的位置坐标，在电容二值化图上通过电容对应圆的位置寻找电容极性标识，并判定是否在指定方向位置，在指定方向位置上为正确，继续获取标准版型上的下一个位置参数，剪切子图片，并执行该子图片的元件极性检测，否则显示极性错误元件在板卡上的位置，并报警；

如果该元件型号是二极管，则根据对应型号的二极管检测参数，对子图片进行二值化，并去除杂斑，区分二极管主体轮廓，二极管主体轮廓与二值化结果图上其他区域不连通，获得二极管主体二值化图和主体位置，然后再一次对子图片进行二值化，区分二极管极性标识轮廓，二极管极性标识轮廓与二值化结果图上其他区域不连通，获得二极管极性标识二值化图与极性标识轮廓位置，计算极性标识轮廓位置相对二极管主体轮廓位置的方向是否是指定的二极管极性方向，若正确，继续执行标准版型上的下一个位置参数，剪切子图片，并执行该子图片上的元件极性检测，否则，显示极性错误元件在板卡上的位置，并报警；

（7）首块印刷电路板上的所有元件全部判断正确后，经传感器控制导轨输出，并输入下一待测印刷电路板，重复步骤（4）至（6）多次，依次对下一个待测印刷电路板进行检测，直至完成所有待测印刷电路板的检测。

所述检测参数集为：待检测元件型号、电容极性标识二值化阈值、电容极性标识方向、电容主体轮廓圆的直径和像素面积大小、电容极性标识轮廓宽度和像素面积大小、二极管极性标识方向、二极管主体和极性标识二值化阈值、二极管主体和标识的矩形轮廓及其像素面积大小；所述的极性标识方向为8个，以待测元件中心为圆心，每旋转45度角为一个方向。

所述的标准版型为由待测电路板上多个元件所对应的型号、位置和检测参数具体值组成的序列化电子文档。

所述的电容二值化图采用25-150灰度值的阈值对电容灰度图二值化。

所述的去除杂斑是在二值化图上，使用反色填充像素面积小于极性标识像素面积1/2的区域。

所述的在电容二值化图上通过电容对应的圆的位置寻找电容极性标识，并判定位置是否在指定方向采用如下两种方法中的一种：

1）根据电容主体轮廓圆的圆心位置和半径，在对应的电容二值化图上，从圆心开始，沿检测参数中的电容极性标识位置方向计算电容主体轮廓圆边沿、正逆各45度角、宽度为电容极性标识宽度大小的环状面积内的极性标识颜色所占比例，比例结果在0.55-1内，则判断极性标识在指定方向区域内；

2）根据电容主体轮廓圆的圆心位置和半径，在对应的电容二值化图上，从圆心出发，沿检测参数中的电容极性标识位置方向、正逆各45度角的扇形区域内等角度分出5-20条射线，计算电容轮廓圆边沿、且宽度为电容极性标识宽度大小的环状面积内各射线上的线段极性标识黑白颜色比例，统计颜色比值结果为0.45-1的线段数与总射线数比值，该比值结果在0.25-1内，则判断极性标识在指定方向区域内。

所述的区分二极管主体轮廓、二极管极性标识轮廓、计算极性标识轮廓位置相对二极管主体轮廓位置的方向，具体如下：

1）所述的区分二极管主体轮廓先是采用灰度化处理，得到二极管灰度图，再对二极管灰度图用二极管主体二值化阈值进行二值化，以黑色区域标识主体轮廓，阈值范围的灰度值为150-250，以白色区域标识主体范围，阈值范围的灰度值为5-150；

2）所述的区分二极管极性标识轮廓是先采用灰度化处理，得到二极管灰度图，再对得到二极管灰度图用二极管极性标识二值化阈值进行二值化，以白色区域标识二极管极性标识范围，阈值范围的灰度值为5-150，以黑色区域标识二极管极性标识范围，阈值范围的灰度值为150-250；

3）所述的计算极性标识轮廓位置相对二极管主体轮廓位置的方向是在二极管主体二值化图上找出与二极管主体矩形轮廓像素面积大小最近似的矩形轮廓，将该矩形轮廓位置作为二极管主体轮廓位置，然后在二极管极性二值化图上、二极管主体位置周边区域寻找与极性标识的像素面积大小最为近似的矩形轮廓，将该矩形轮廓位置作为二极管极性轮廓位置，比较二极管主体和二极管极性的轮廓中心连线与水平方向夹角，得出二极管极性标识方向。

本发明的印刷电路元件极性的机器视觉检测方法的设备，包括照相设备、计算机，在测试区域内设有传送待测印刷电路板的导轨，导轨上方设有罩住测试区域的封闭工作箱，在封闭工作箱内部设有可调节亮度的光源和多个传感器，封闭工作箱的上部安装可对测试区域进行拍照的照相设备，所述的导轨上设有由传感器控制的行程开关，所述的多个传感器和照相设备分别经数据传输线与计算机相连接，所述待测印刷电路板经控制信号线与计算机相连接。

所述安装照相设备的拍摄角度与导轨平面的纵向夹角小于15度；所述的多个传感器包括导轨行程开关传感器、拍照控制传感器，印刷电路板定位传感器。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明与已有技术相比具有如下优点：

1、利用自动检测方式代替人工目检,可以节省人事成本，降低极性方向配置错误的几率，提升产品质量，利用导轨控制，提高检测自动化程度。

2、通过元件参数值的定义，使得版型中不需要存储原始图片作为标准，仅需指定元件类型和更新检测参数,便可以微调元件极性检测。对不同电路板而言，只需要指定元件类型和位置，便形成一个新的版型，从而直接进入自动检测程序。

3、处理图片过程增加了控制光源和去除杂斑，受到反光干扰更小。

4、简单易行，只要在生产线上直接增添该部分设备即可，具有使用便利及应用范围广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明的电容色标探测原理图。

图3为本发明的二极管色标探测原理图。

图4为本发明的工作流程图。

图中：A1-照相设备，A2-封闭工作箱，A3-平行导轨，A4-待测电路板，A5-数据传输线，A6-计算机，A7-控制信号线，B1-二值化后电容极性标识形成的半环状区域，B2-从圆心出发的探测射线，B3-电容极性标识方向，PM-二极管主体二值化后的矩形区域，SM-二极管极性标识二值化后的矩形区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的印刷电路元件极性的机器视觉检测方法，包括如下步骤：

（2）对元件样本，按照电容或二极管型号分类，确定每一种类型待检元件需要的检测参数，并将所有使用到的检测参数组成一个检测参数集；所述检测参数集为：待检测元件型号、电容极性标识二值化阈值、电容极性标识方向、电容主体轮廓圆的直径和像素面积大小、电容极性标识轮廓宽度和像素面积大小、二极管极性标识方向、二极管主体和极性标识二值化阈值、二极管主体和标识的矩形轮廓及其像素面积大小；所述的极性标识方向为8个，以待测元件中心为圆心，每旋转45度角为一个方向。

（3）针对印刷电路板元件位置不同，划定不同元件在电路板上的相对位置，并规定元件型号和检测参数值，通过版型标识符号、每个元件型号、位置和检测参数值制定各种不同印刷电路板对应的标准版型；所述的标准版型为由待测电路板上多个元件所对应的型号、位置和检测参数具体值组成的序列化电子文档。

如果该元件型号是电容，则根据对应型号的电容检测参数，首先进行灰度化处理，得到电容灰度图，然后在灰度图上通过Hough算法根据电容检测参数寻找电容主体轮廓圆，记录该圆的圆心位置和半径，再对电容灰度图进行二值化，得到电容二值化图，去除杂斑后，使电容极性标识轮廓与电容二值化图上其他区域不连通，获得极性标识的位置坐标；依据电容二值化图上电容主体轮廓对应圆心的位置坐标，在电容二值化图上通过电容对应圆的位置寻找电容极性标识，并判定是否在指定方向位置，在指定方向位置上为正确，继续获取标准版型上的下一个位置参数，剪切子图片，并执行该子图片的元件极性检测，否则显示极性错误元件在板卡上的位置，并报警；所述的电容二值化图采用25-150灰度值的阈值对电容灰度图二值化。

本发明印刷电路元件极性的机器视觉检测方法的设备，包括照相设备A1、计算机A6，在测试区域内设有传送待测印刷电路板A4的导轨A3，导轨A3上方设有罩住测试区域的封闭工作箱A2，在封闭工作箱A2内部设有可调节亮度的光源和多个传感器，封闭工作箱A2的上部安装可对测试区域进行拍照的照相设备A1，所述安装照相设备A1的拍摄角度与导轨平面的纵向夹角小于15度。所述的导轨上设有由传感器控制的行程开关，所述的多个传感器和照相设备分别经数据传输线A5与计算机A6相连接，待测印刷电路板A4经控制信号线A7与计算机A6相连接，所述的多个传感器包括导轨行程开关传感器、拍照控制传感器，印刷电路板定位传感器。

一般而言，电解电容或二极管具有极性的元件外层裹有一层极性方向及极性元件特性的保护膜,也就是业界俗称的焦皮。为方便辨别元件的极性方向，常见的作法是将保护膜大致分成深浅不同的两种颜色以便区别，表示极性的颜色块称为极性标识，简称色标，通常标识负极。

本发明的原理示意图如图1所示，A1为照相设备，其位置是固定的，在拍摄覆盖面较小的情况下，可以增加拍摄设备，通过组合照片覆盖完整电路板。A2为封闭工作箱，是一个封闭的空间，罩扣在导轨之上，用于挡住外部扰动光照，其内部存在固定角度的可调节光源，该光源光照柔和，电路板对其反光较小，A2内部含有多个传感器。A3为平行导轨，用于输送待测电路板A4。A5是数据传输线，用于传输影像和信号的线路，照相设备所拍摄的照片经由A5传输，A2内部对电路板定位的传感器信号也经由A5传输。A6是计算机，用以处理拍摄的影像，并显示错误元件在板卡上的位置。A7为导轨控制信号线，A6发送控制信号，经A7控制导轨移动。

图2为第二种电容色标探测方法原理示意图，B1表示二值化后电容极性标识形成的半环状区域，即二值化后色标形成的半环状区域，B2为从圆心出发的探测射线，用于探测色标位置所走的路线，图例中有6条。B3为电容极性标识方向，箭头所指的方向为该模块色标的方向。图3为二极管色标探测示意图，图中PM表示二极管主体二值化后的矩形区域，是二极管主体在第一次二值化形成的矩形区域，SM为二极管极性标识二值化后的矩形区域，即色标二值化后的矩形区域，本例色标在水平方向，如果在垂直方向则宽高度互换。

图4为本实施例的电路板检测工作流程示意图。首先是准备工作：如图4中步骤S1，是将从设备上直接拍照获取多种电路板的多个彩色影像，拍照数量按照学习算法所需要的样本数来确定。在不同电路板上找到相同型号的电子元件，对该类型的元件编制元件型号，然后通过学习算法寻找判断该类型元件极性方向的最佳参数并确定相关阈值，相关参数见技术方案。不同分辨率摄像设备会造成检测参数中像素面积参数的变化，需要适应性调整。

在S1中获得检测参数后，如图4中S2所示，需要对不同的电路板指定待检测元件。假设有电路板B01，其上有3个待检测元件电容CP01，电容CP02，二极管DP03，需要给每一个待检测元件指定在电路板图像的相对位置、元件类型、检测极性使用的相关参数和元件极性方向，参数值使用S1中所获取的参数值。对每一类型电路板需要专有一个对应的标准版型。S2的印刷电路板的版型，是对电路板的每一个元件指定在待测印刷电路板拍摄图片的相对位置，元件类型和元件检测参数值形成的电子化文档，可以采用XML文档。如下例：

<?xml version="1.0"encoding="utf-8"?>

<colortype>BlackGray</colortype>

<cvthreshhold_3para>xx</cvthreshhold_3para>

<houghcir_3para>xx</houghcir_3para>

…

</Unit></Part1></CheckingPart>开始进入检测流程S3-S9。S3通过导轨移入一个待检测电路板，在传感器感应到待检测电路板到达合适位置时，传感器发送信号让导轨停止移动，待检测电路板停留在工作箱封闭空间内。隔上一个时间间隔，如3s，在待检测电路板稳定后，摄像设备拍照，并将图片送入计算机中处理。摄像设备的像素分辨率同S1中使用的一致。照片采用彩色，不仅方便人工查看，而且可以判断极性色标相对主体部分进行二值化时是否需要反色，并可以利用颜色辅助判决。

在S4，通过直接扫描设备或人工操作获得该类印刷电路板的编号，从而确定版型，然后从版型电子文档中读取各个元件的参数。由于有自动导轨引导电路板进入固定光源的封闭工作箱，固定焦距的摄像设备对印刷电路板拍照，在导轨上使用不同类型板卡进行检测时，需要自动扫描板卡上的编号获取版型或手动指定版型。然后，通过版型中的参数值取得各个电子元件相对待测印刷电路板照片的相对坐标，剪切元件对应子图片Pic01，Pic02，Pic03，分别包含待检测元件CP01，CP02，DP03。该坐标可以使用几何坐标或像素坐标，坐标制定时，元件距离子图片边缘的大小要大于电路板拍照时相对摄像设备的位置误差，即元件距离子图片边缘的大小要大于电路板拍照时相对摄像设备的位置误差，保证在固定位置剪切时能够获取元件完整图像。剪切含有元件的部分，形成一个子图片序列。对每一个子图片分别获取版型定义中的元件类型，从而区分使用何种检测方法。对Pic01，根据版型中的元件类型参数可知是一个电容元件，进入S6。对Pic03则进入S7。

在S6，对Pic01转换为灰度图HPic01，通过Hough算法寻找电容在HPic01上形成的圆，对HPic01进行二值化得BPic01。然后对BPic01去除杂斑，该步骤使用寻找轮廓后填充背景色进行，其目标是去除其他元件或焊脚反光等。然后从HPic01圆心位置在BPic01上进行定位（BPic01、HPic01尺寸大小是一样的），从圆心出发，沿二极管极性标记方向计算轮廓圆边沿、正逆各45度角、宽度为电容极性标记位宽度大小的环状面积内的黑色像素（设极性标记在二值化后显示为黑色）比例，该环状区域如B1所示，如果黑色像素比例高于1/2，或明显高于其他方向的环状面积的黑色像素比例，从而断定标记位所在方向正确，否则错误。（探测方法还可以使用如下方法解决：获取版型文件中指定的方向参数，从圆心出发，沿二极管极性标记方向在正逆各45度角的扇形区域内等角度的分出5-20条射线，计算轮廓圆边沿且宽度为电容极性标记位宽度大小的环状面积内各射线上线段黑色像素比例。如图2电容部分所示。）Pic02类似处理。

在S7，通过对Pic03变换为使用深度范围为0-255的灰度图HPic03。使用主体二值化阈值对HPic03进行二值化，使得二值化图像上二极管主体清晰，能明显与其它黑色区域区分开，得到BPic03a，根据二极管主体的像素面积大小寻找二极管主体位置PM，如图3二极管主体部分。对HPic03反色后，再一次使用色标的阈值进行二值化，得BPic03b，根据PM，在上下左右4个SM宽度×SM高度范围内寻找二值化后的色标SM位置。

最后，如果整个电路板上元件通过检测，则循环对下一个电路板进行检测，否则根据结果显示定位错误元件，进行人工处理。

对于本领域技术人员，还可以根据具体信任模型的不同以及本发明的核心思想设计和构造自己的检测算法。需要特别说明的是，本文对本发明的说明是以黑色标记为例，但是对本发明进行适当的调整后，它同样适用于其他颜色色标。

最后，尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解；在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种印刷电路元件极性的机器视觉检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的印刷电路元件极性的机器视觉检测方法，其特征在于：所述检测参数集为：待检测元件型号、电容极性标识二值化阈值、电容极性标识方向、电容主体轮廓圆的直径和像素面积大小、电容极性标识轮廓宽度和像素面积大小、二极管极性标识方向、二极管主体和极性标识二值化阈值、二极管主体和标识的矩形轮廓及其像素面积大小；所述的极性标识方向为8个，以待测元件中心为圆心，每旋转45度角为一个方向。

3.如权利要求1所述的印刷电路元件极性的机器视觉检测方法，其特征在于：所述的标准版型为由待测电路板上多个元件所对应的型号、位置和检测参数具体值组成的序列化电子文档。

4.如权利要求1所述的印刷电路元件极性的机器视觉检测方法，其特征在于：所述的电容二值化图采用25-150灰度值的阈值对电容灰度图二值化。

5.如权利要求1所述的印刷电路元件极性的机器视觉检测方法，其特征在于：所述的去除杂斑是在二值化图上，使用反色填充像素面积小于极性标识像素面积1/2的区域。

6.如权利要求1所述的印刷电路元件极性的机器视觉检测方法，其特征在于：所述的在电容二值化图上通过电容对应的圆的位置寻找电容极性标识，并判定位置是否在指定方向采用如下两种方法中的一种：

7.如权利要求1所述的印刷电路元件极性的机器视觉检测方法，其特征在于：所述的区分二极管主体轮廓、二极管极性标识轮廓、计算极性标识轮廓位置相对二极管主体轮廓位置的方向，具体如下：

8.如权利要求1所述方法的印刷电路元件极性的机器视觉检测设备，包括照相设备、计算机，其特征在于：在测试区域内设有传送待测印刷电路板的导轨，导轨上方设有罩住测试区域的封闭工作箱，在封闭工作箱内部设有可调节亮度的光源和多个传感器，封闭工作箱的上部安装可对测试区域进行拍照的照相设备，所述的导轨上设有由传感器控制的行程开关，所述的多个传感器和照相设备分别经数据传输线与计算机相连接，所述待测印刷电路板经控制信号线与计算机相连接。

9.如权利要求1所述方法的印刷电路元件极性的机器视觉检测设备，其特征在于：所述安装照相设备的拍摄角度与导轨平面的纵向夹角小于15度。

10.如权利要求1所述方法的印刷电路元件极性的机器视觉检测设备，其特征在于：所述的多个传感器包括导轨行程开关传感器、拍照控制传感器，印刷电路板定位传感器。