CN105699399A - 一种smt模版质量的检测设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种SMT模版质量的检测设备与方法，该设备特征在于SMT模板固定在检测平面上，X、Y向伺服电机分别通过X、Y向导轨带动CCD相机及平面背光光源分别在检测平面的上、下方移动；由X、Y向光栅尺对CCD相机的位置进行反馈；CCD相机移动并采集SMT模板局部图像；工控机通信控制X、Y向伺服电机移动，PCI接口与数据采集卡通信获取X、Y向光栅尺的位置数据，通过GigE接口与CCD相机通信获取采集图像，继电器控制平面背光光源。该方法采用本发明所述检测设备和如下步骤：（1）Gerber数据解析；（2）检测窗位置及检测轨迹规划；（3）偏移量计算；（4）SMT模板定位误差计算-；（5）孔位缺陷检测。

Description

一种SMT模版质量的检测设备与方法

技术领域

本发明涉及机器视觉及图像处理技术，具体为一种SMT模版质量的检测设备与方法。

背景技术

随着表面贴片技术(SMT)得到广泛应用，PCB电路板的集成度和复杂度越来越高，贴片与SMT产品组件间的间隔越来越小，人工难以检测。PCB上所出现的缺陷主要源于锡膏印刷，锡膏印刷是SMT工艺中最重要的环节。而SMT模版的质量是决定锡膏印刷质量好坏的关键因素。随着SMT模版上开孔尺寸不断减小、数量不断增多，应用自动光学检测技术(AOI)成为一种必然选择。传统的人工检测方法存在主观误差，耗时长等缺点，且只能对SMT模版进行抽样检测；而使用基于数字图像处理的计算机视觉检测则具有非接触性、检测精度高、速度快等优点，机器视觉检测代替人工检测已经成为了一种必然选择。

现有的SMT模板的自动测量方法采用Gerber文件生成的SMT模板标准图像后，由CCD相机或扫描仪采集SMT模板图像与标准图像进行对比从而确定SMT模板缺陷。由于CCD相机分辨率以及计算机硬件的限制只能对小尺寸的SMT模板进行检测，因为图像分辨率的限制对大尺寸的SMT模板则导致细节的丢失。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种SMT模版的质量检测设备与方法。该设备适用于SMT模版的质量检测，并且结构简单；该方法利用本发明所述检测设备,通过Gerber文件获取SMT模板标准图像后，多次移动CCD相机对SMT模版进行图像采集，将采集图像与标准数据进行对比，确定SMT模板的缺陷。该方法提高了检测精度、实现了SMT模板的全自动检测，缩短了检测时间，且适用于各种尺寸的SMT模板。

本发明解决所述检测设备所采用的技术方案是，设计一种SMT模版质量检测设备，其特征在于该设备包括有：CCD相机、X向伺服电机、X向导轨、X向光栅尺、Y向伺服电机、Y向导轨、Y向光栅尺、SMT模板固定装置、平面背光光源、工控机、运动控制卡、数据采集卡和继电器；所述SMT模板由SMT模板固定装置固定在检测平面上，X、Y向伺服电机分别通过X、Y向导轨带动CCD相机及平面背光光源分别在检测平面的上、下方移动；由X、Y向光栅尺对CCD相机的位置进行反馈；CCD相机在检测平面上方移动并采集SMT模板局部图像；所述工控机通过PCI接口与运动控制卡通信控制X、Y向伺服电机移动，通过PCI接口与数据采集卡通信获取X、Y向光栅尺的位置数据，通过GigE接口与CCD相机通信，获取采集图像，并通过继电器控制平面背光光源的亮灭。

本发明解决所述检测方法技术问题的技术方案是，设计一种SMT模版质量检测方法，该检测方法采用本发明所述的检测设备和下述检测步骤：

(1)Gerber文件解析

SMT模版的标准图像由对应的Gerber文件生成，为了提高检测精度，本发明提出一种将Gerber文件生成的缩略图局部分割后依次生成高分辨率的局部图像的方法，从高分辨率的局部图中提取孔位信息，保证了数据精度；之后由人工定位Gerber文件中的位置基准点(Mark点)，用于后续检测过程中SMT模板的位置误差校正。

(2)检测窗位置及轨迹规划

为了提高精度检测精度，检测时需多次移动CCD相机对SMT模版进行图像采样；检测窗的位置及轨迹影响着检测效率，在检测前需对检测窗位置及轨迹进行规划。

(3)确定孔位相对于设备零点的偏移量

由Gerber数据获取的图像均为相对坐标，在检测前需确定图像相对于设备零点的偏移量；由步骤2中获得Mark点位置，之后手动将CCD相机移动到被固定的SMT模版的对应的Mark点位置，根据实际Mark点相对于设备零点的位置与标准Mark点的相对位置进行差值计算，可获得Mark点偏差，同时也是SMT模板标准数据的偏差。

(4)SMT模板定位误差校正

SMT模板在检测时由人工放入检测装置，由于定位误差以及SMT模板边框不平整等原因导致SMT模板产生倾斜、旋转、移位等定位误差(如图6所示)。此时检测窗的理想位置与实际位置间产生偏差，故在检测前需校正位置误差。

(5)孔位缺陷检测

根据校正后的检测窗位置，移动CCD相机后采集图像，由光栅尺采集位置数据经PCI总线传入计算机，对采集到的图像进行预处理，然后提取孔位数据，并变换为实际尺寸；与Gerber文件生成的孔位数据进行对比从而判断是否存在多孔，少孔，孔偏移，孔大，孔小和毛刺，从而判断SMT模版质量的优劣。

与现有技术相比，本发明设备通过移动CCD相机多次采集SMT模板图像完成检测，有效提高了检测精度；本发明方法将机构本身误差源与待检测SMT模板的定位误差分别进行矫正，进一步提高了检测精度；并规划检测窗的位置与轨迹，提高了检测速度；将Gerber文件直接转换为孔位信息与检测图片进行对比，缩短了检测时间。本发明具有快速、精确、非接触的特点，可有效的对SMT模板质量进行检测。

附图说明

图1是本发明SMT模版质量检测方法一种实施例的流程示意图。

图2是本发明SMT模版质量检测设备一种实施例的整体结构示意图；

图2a是本发明SMT模版质量检测设备一种实施例的整体结构示意图；

图2b是本发明SMT模版质量检测设备一种实施例的固定SMT模板示意图：

图2c是本发明SMT模版质量检测设备一种实施例的结构框图：

图3是本发明SMT模版质量检测方法一种实施例的Gerber文件解析示意图；其中，

图3a是本发明SMT模版质量检测方法的Gerber图像的局部分割方法示意图；

图3b是本发明SMT模版质量检测方法的Gerber图像的局部分割结果示意图；

图4是本发明SMT模版质量检测方法的检测窗的位置及轨迹规划示意图；其中，

图4a是本发明SMT模版质量检测方法的检测窗位置规划示意图；

图4b是本发明SMT模版质量检测方法的检测轨迹规划示意图；

图5是本发明SMT模版质量检测方法的零点偏移补偿示意图；

图6是本发明SMT模版质量检测方法的SMT模板定位误差示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明设计的SMT模版质量检测设备(简称设备，参见图1-6)包括有：CCD相机1、X向伺服电机2、X向导轨3、X向光栅尺4、Y向伺服电机5、Y向导轨6、Y向光栅尺7、SMT模板固定装置8、平面背光光源9、待检测SMT模板10、工控机11、运动控制卡12、数据采集卡13和继电器14；所述SMT模板10由SMT模板固定装置8固定在检测平面(参见图2b)，X、Y向伺服电机2、5通过X、Y向导轨3、6带动CCD相机1及平面背光光源9分别在检测平面上、下方移动；由X、Y向光栅尺4、7对CCD相机的位置进行反馈；CCD相机1在检测平面上方移动并采集SMT模板10局部图像；本发明设备的系统结构(参见图2c)是：所述工控机11通过PCI接口与运动控制卡12通信控制X、Y向伺服电机2、5移动、通过PCI接口与数据采集卡13通信获取X、Y向光栅尺4、7的位置数据，通过GigE接口与CCD相机1通信，获取采集图像，通过继电器14控制平面背光光源9的亮灭。

本发明同时设计了SMT模版质量的检测方法(简称方法，参见图1-6)，该方法采用本发明所述的SMT模版质量的检测设备和如下工艺步骤：

(1)Gerber数据解析

每次检测SMT模版前首先在系统中寻找是否存在由该SMT模版对应的Gerber文件所生成的标准数据。若该标准数据存在，则跳过下述操作，直接进入步骤(4)。

SMT模版的标准图像由对应的Gerber文件生成，为了提高检测精度，将Gerber文件生成的缩略图分割后为多个局部图像，并依次生成高分辨率的局部图形从而提取孔位信息。人工定位文件中的位置基准点(Mark点)。

首先，根据数据生成适当的缩略图，提取缩略图中封闭图形的最小外包络矩形，此时Gerber数据中所有坐标定位均在不同封闭图形的最小外包络矩形中。在生成数据时首先将Mark点对应的封闭图形选出，用于后期测量中与实际Mark点对比并进行误差补偿。

由于孔位形状的复杂性导致最小外包络矩形将形成重叠，即最小外包络矩形A可能包含最小外包络矩形B的一部分，将形成重叠的最小外包络矩形合并，即用最小外包络矩形C包含A和B矩形(参见图3a)。循环往复直到所有外包络矩形均不重叠为止(参见图3b)。

将所有外包络矩形的坐标值从缩略图中换算到Gerber数据中，之后将外包络矩形中的图形依次使用高分辨率画出，并由封闭图形得到高精度孔位数据(孔位左、上、右、下坐标值；中心X、Y坐标值；宽、高、面积和周长)并变换为实际尺寸，进入步骤(2)。

(2)检测窗位置及检测轨迹规划

在对SMT模版进行自动光学检测时，为了保证测量精度，CCD相机的视野(FOV)不能一次拍下SMT模板，必须移动CCD相机多次采集图像完成对SMT模版的检测。故检测窗的位置以及路径必须经过合理规划以减少检测时间。该问题的限定性条件为检测窗必须覆盖所有孔位且不能将一个孔位分割到两个检测窗口内。

本发明提出一种检测窗位置规划的方法(参见图4a)：在找到孔位A之后，以该孔位左上坐标值为第一检测窗W1的左上坐标值，检测窗W1的长宽与CCD相机的视野范围一致。寻找检测窗W1上方且完全处于检测窗横坐标范围内的孔位，选其中纵坐标值最小的孔位B，将检测窗W1向上方移动至恰好包络上方孔位得到第二检测窗W2。之后寻找检测窗2左方且完全处于纵坐标范围内的孔位，选其中横坐标值最小的孔位C，将检测窗W2向正左方移动至恰好包络左方孔位得到检测窗W3。移动后的检测窗必然包络原孔位A。此时以第三检测窗W3中所包络的孔位为基准缩小检测窗W3得到检测窗W4。将检测窗W4的左、上、右、下坐标值保存为W_j＝[l_j,t_j,r_j,b_j]。删除被该检测窗所包络的孔位，重复上述过程至检测窗包含所有孔位。得到检测窗W＝{W₁,W₂,W₃…}。

假设有q个孔位，p个检测窗，检测窗j(1≤j≤p)所包含的孔位合集为C_j＝{c_j1,c_j2,c_j3…}，所有检测窗中包含的孔位C＝C₁∪C₂∪C₃∪…C_p，因为检测窗的相互交叉，导致C中存在重复元素，C中元素的个数q₁＞q。

规划好所需FOV的位置后，采用贪心算法对检测窗的轨迹进行规划，由Mark点为当前位置开始寻找当前位置最近的检测窗的位置。将FOV移动至该位置后以该检测窗中心点为当前位置，寻找下一最近检测窗。重复上述操作直到所有检测窗均被遍历(参见图4b)，进入步骤(3)。

(3)偏移量计算

由Gerber数据生成的图像位置均为相对坐标，在此需要确定图像相对于设备零点的偏移量。手动将镜头移动到SMT模版的左上Mark点位置，根据实际Mark点相对于设备零点的位置与标准Mark点的位置进行差值，可得图像位置偏差(参见图5)。以机构零点位置建立参考坐标系Oxy，标准图像中Mark点位置为Q₁＝(x₁,y₁)，由机构采集该类型SMT模板的对应Mark点位置Q₂＝(x₂,y₂),将与进行差值得到零点偏移量(Δx,Δy)＝(x₂-x₁,y₂-y₁)，根据才偏移量对孔位的位置进行校正后得到孔位相对机构零点的位置。保存步骤1-3所生成的各项数据，进入步骤(4)。

(4)SMT模板定位误差计算

SMT模板在检测时由人工放入检测装置，由于SMT模板的定位误差导致SMT模板相对于检测平面产生误差项为ε_x，ε_y，ε_z，ε_α，ε_β，ε_γ(参见图6)，忽略ε_z以及ε_α，ε_β对SMT模板Z向位移的影响。

首先以机构的零点位置建立参考坐标系Oxy，由SMT模板的位置识别点(Mark点)对误差值进行计算，首先从理想Mark点中选取距离和最大的3个Mark点并寻找对应的实际Mark点，理想Mark点P₀″、P₂″、P₂″在参考坐标系下值为(x″₀,y″₀)，(x″₁,y″₁)，(x″₂,y″₂),实际Mark点P₀″′、P₁″′、P₂″′在系统坐标系下值为(x″′₀,y″′₀)，(x₁″′,y₁″′)，(x″′₂,y″′₂)。

如图6以实际Mark点P″₀为原点建立检测坐标系O″x″y″,各误差项为零的情况下坐标转换关系为:

将实际Mark点位置并与理想Mark点进行对比，从而求得误差值。

该方程为超定方程，采用最小二乘拟合法解该方程组，可得：

将ε_γ带入公式【3】并化简：

cosα、cosβ的最小二乘解为：

(4.1)检测窗位置校正

根据所求误差值，可得检测坐标系与参考坐标系间的转换关系为：

由式【7】得到检测窗的参考坐标值，移动CCD相机并采集图像。

(4.2)采集图像校正

由于SMT模板定位误差导致采集图像为SMT模板图像在检测平面的投影，为了得到孔位的精确数据需要对采集图像进行旋转、缩放等操作。设采集图像大小为a×b，图像中任意点P＝(x_p,y_p)经校正后得点M＝(x_m,y_m)，其坐标转换关系为：

由式【8】校正后图像大小为a/cosα×b/cosβ，校正后图像中M＝(x_m,y_m)所对应的原图像中P＝(x_p,y_p)坐标值可能是非整数，采用插值法对(x_p,y_p)进行求解，得到校正图像后提取图像中封闭图形(即孔位)的位置及几何数据，根据孔位在图像中的位置与CCD相机位置确定孔位精确位置。

(5)孔位缺陷检测

由规划好的检测窗W移动CCD相机采集SMT模板图像，对采集的图像进行预处理后，提取图像中封闭图形的位置及几何数据(孔位左、上、右、下坐标值；中心X、Y坐标值；宽、高、面积和周长)并变换为实际尺寸。

设检测窗W_j中包含k个标准孔位，为C_j＝{c_j1,c_j2,c_j3…c_jk}，CCD相机采集到l个实际孔位信息，为S_j＝{s_j1,s_j2,s_j3…s_jl}。为了提高对比速度，进行对比的数据均为孔位的几何数据(孔位左、上、右、下坐标值；中心X、Y坐标值；宽、高、面积和周长)而非图像，在对比前需将标准孔位与实际孔位进行一一对应，从而确定缺陷、多余孔位、缺失孔位。首先寻找距离标准孔位c_j1最近的孔位s_ji(1≤i≤l)，若s_ji中心坐标值处于孔位c_j1的左、上、右、下坐标值之内，将c_j1与s_ji对应后得到元素cs_j1，并将c_j1、s_ji从C_j、S_j中删除，若s_ji中心X、Y坐标值不处于孔位c_j1的左、上、右、下坐标值之内，不做任何处理。遍历C_j后得到CS_j＝{cs_j1,cs_j2,cs_j3,…cs_jh},(0≤h≤t)其中t＝min(l,j)，C_j、S_j中的剩余元素分别为遗失孔位、多余孔位。将CS_j中对应孔位的几何信息进行对比，确定M_j范围内的孔位偏移，开孔过大，开孔过小、毛刺等问题。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种SMT模版质量的检测设备，其特征在于该设备包括有：CCD相机、X向伺服电机、X向导轨、X向光栅尺、Y向伺服电机、Y向导轨、Y向光栅尺、SMT模板固定装置、平面背光光源、工控机、运动控制卡、数据采集卡和继电器；所述SMT模板由SMT模板固定装置固定在检测平面上，X、Y向伺服电机分别通过X、Y向导轨带动CCD相机及平面背光光源分别在检测平面的上、下方移动；由X、Y向光栅尺对CCD相机的位置进行反馈；CCD相机在检测平面上方移动并采集SMT模板局部图像；所述工控机通过PCI接口与运动控制卡通信控制X、Y向伺服电机移动，通过PCI接口与数据采集卡通信获取X、Y向光栅尺的位置数据，通过GigE接口与CCD相机通信，获取采集图像，并通过继电器控制平面背光光源的亮灭。

2.一种SMT模版质量检测方法，其特征在于该检测方法采用本发明所述的检测设备和下述检测步骤：

(1)Gerber文件解析

SMT模版的标准图像由对应的Gerber文件生成；将Gerber文件生成的缩略图局部分割后，依次生成高分辨率的局部图像，从高分辨率的局部图中提取孔位信息，保证数据精度；之后由人工定位Gerber文件中的Mark点，用于后续检测过程中SMT模板的位置误差校正；

（2）检测窗位置及轨迹规划

检测时，需要多次移动CCD相机对SMT模版进行图像采样；检测窗的位置及轨迹影响着检测效率，在检测前需对检测窗位置及轨迹进行规划；

（3）确定粒子相对于设备零点的偏移量

由Gerber数据获取的图像均为相对坐标，在检测前需确定图像相对于设备零点的偏移量；由步骤（2）中获得Mark点位置，之后手动将CCD相机移动到被固定的SMT模版的对应的Mark点位置，根据实际Mark点相对于设备零点的位置与标准Mark点的相对位置进行差值计算，可获得Mark点偏差，同时也是SMT模板标准数据的偏差；

（4）SMT模板定位误差校正

SMT模板在检测时，由人工放入检测装置，由于定位误差以及SMT模板边框不平整原因导致SMT模板产生倾斜、旋转、移位定位误差，导致检测窗的理想位置与实际位置间产生偏差，故在检测前需校正位置误差；

（5）孔位缺陷检测

根据校正后的检测窗位置，移动CCD相机后，再采集图像；由光栅尺采集位置数据，并经PCI总线传入计算机，对采集到的图像进行预处理；然后提取孔位数据，并变换为实际尺寸，再与Gerber文件生成的孔位数据进行对比，观察是否存在多孔，少孔，孔偏移，孔大，孔小和毛刺，从而判断SMT模版质量的优劣。