CN110246121B - 一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法 - Google Patents

一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法，包括如下步骤：S1、采集场景图像，并建立图像坐标系；S2、为每个特征线和特征孔设定搜索扫描范围，采用边缘检测算法，分别获取芯片上4条特征线的点集位置坐标和衬底上多个特征孔的圆心特征点集位置坐标；S3、根据特征线和圆心特征点的点集位置坐标，在图像坐标系下，计算芯片和衬底的中心距；S4、将步骤S3得到的中心距与标准中心距进行比较，得到电子装配件的装配偏差值。本发明针对每个特征增设搜索扫描范围，并采用边缘检测算法，降低了算法的复杂度。

Description

一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法
技术领域
本发明涉及精密电子制造领域，具体涉及一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法。
背景技术
在精密电子制造领域，通常会涉及一种典型电子装配件，该电子装配件是由单粒芯片通过UV Epoxy胶粘接在衬底上，检测两者粘接后的位置精度一般需要采用机器视觉的方法，机器视觉对电子装配件进行非接触式测量。待处理的芯片的4条特征线位于芯片的表面，特征线图像处理后计算的结果决定芯片的几何中心位置，待处理的特征孔都分布在衬底表面，特征孔图像处理后计算的结果决定衬底的几何中心位置，将两个几何形状中心点转化到同坐标系内并计算出两点在X轴、Y轴方向偏差值，其装配精确度可以用在X轴和Y轴上的方向偏差值来衡量。
电子装配件水平放置进行检测时，面向上方相机的表面不是平面形状，而是向上翘曲的，翘曲的衬底结构使得本就隶属与两个不同组件表面的待处理的特征线与特征孔不在同一平面，而是在工业相机景深方向有很大高度差，若选用单一工业相机处理两个不同组件表面的特征线和特征孔，会造成特征线与特征孔仅有一个在焦距内，另一个所得的特征图像不清晰，影响检测精度；特征线和特征孔不在同一平面内还会造成装配件光照不一致，亮度不均匀，也会影响检测精度。
同时现有技术中寻找特征孔和特征线的图像算法是采用基于灰度值的模板匹配定位算法，算法时间度复杂，大量计算导致检测过程的实时性降低。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种能够提高图像精度，同时简化计算方法的基于视觉的电子装配件装配精度检测方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法，所述电子装配件包括均水平设置的芯片和衬底，所述芯片粘接在所述衬底上，所述芯片上表面边缘为4条特征线，所述衬底上在位于所述芯片的周围的位置上间隔设有至少3个特征孔，所述特征孔为上下贯穿所述衬底的通孔，检测方法包括如下步骤：
S1、采集包含所述特征线和所述特征孔的电子装配件在水平面上的场景图像，并在水平面内建立所述场景图像的图像坐标系；
S2、为每个所述特征线和所述特征孔设定搜索扫描范围，采用边缘检测算法，分别获取所述芯片上4条边缘特征线的点集位置位置坐标和所述衬底上多个特征孔的圆心特征点集位置坐标；
S3、根据所述特征线和特征孔的圆心特征点的点集位置坐标，在图像坐标系下，计算所述芯片与所述衬底的中心距；
S4、将步骤S3得到的中心距与标准中心距进行比较，得到所述电子装配件的装配偏差值。
进一步，所述步骤S2的具体步骤为：
S21、为每个特征线和特征孔设置搜索扫描范围，并采集所述特征线与所述特征孔的图像P1；
S22、在各特征对应搜索扫描范围内对图像P1进行一次3*3的中值滤波操作，给定阈值将图像二值化并得到图像P2；
S23、使用Sobel边缘检测算子对图像P2进行边缘检测，对边缘点集进行整合，并将整合后的边缘点集实施最小二乘法进行直线拟合和圆拟合，分别得到所述特征线点集位置坐标和所述特征孔的圆心特征点集位置坐标，其中，所述特征线点集位置坐标为
Lw(xu,yv)|w＝1,2,3,4；u＝1,2,3,…m；v＝1,2,3,…n，其中m和n分别表示在X轴和Y轴上的取数点。
所述特征孔的圆心特征点集位置坐标为：
Cw(x0,y0)|w＝1,2,3…p，其中，p为特征点的个数。
进一步，所述步骤S3的具体步骤为：
S31、计算所述芯片的几何中心(Ax,Ay)和所述衬底的几何中心(Bx,By)
Figure BDA0002060467960000031
S32、计算所述芯片和所述衬底在X轴和Y轴方向上的中心距，
Δx'＝Ax-Bx，Δy'＝Ay-By
Δx＝Δx'dx，Δy＝Δy'dy
Δx'和Δy'分别为所述芯片和所述衬底在X轴和Y轴方向上以像素为单位的中心距，Δx和Δy分别为其物理尺寸，dx和dy分别为水平方向和竖直方向上每像素物理尺寸。
本发明的有益效果是：针对每个特征增设搜索扫描范围，并在扫描范围内对各特征进行中值滤波、图像二值化、Sobel边缘检测等操作，从而避免了模板匹配定位方法中的全图像规模运算，有效的降低了算法的复杂度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，检测方法是通过基于视觉系统的检测设备进行所述场景图像的采集，所述检测设备包括底座、电子装配件夹持移动装置和视觉检测装置，所述视觉检测装置包括两个工业相机、相机支架和光源，所述相机支架的底部安装于所述底座上，两个所述工业相机上下对称安装在所述相机支架上，所述光源设置在上方所述工业相机旁并安装在所述相机支架上；所述电子装配件夹持移动装置设置在所述相机支架的一侧，对所述电子装配件的衬底一侧边缘处进行夹持，并带动所述电子装配件水平移动以靠近或远离两个所述工业相机的视场。
进一步，所述场景图像为两幅，包括所述芯片的场景图像和所述衬底的场景图像，所述芯片的场景图像由上方所述工业相机摄取，所述衬底的场景图像由下方所述工业相机摄取，并根据两幅所述场景图像的图像坐标系之间的对应关系确定所述芯片和所述衬底的中心距。
采用上述方案的有益效果是：采用两个工业相机分别采集芯片和衬底两个平面的特征图像，可以在不产生机械移动的前提下同步采集到更清晰的图像。
进一步，所述检测设备还包括压平件和电缸，所述压平件水平设置在所述相机支架远离所述电子装配夹持移动装置的一侧，所述电缸的伸缩杆上下设置且与所述压平件远离所述电子装配件的一端连接，带动所述压平件上下移动以将所述衬底远离被夹持的一端进行压平。
采用上述进一步方案的有益效果是压平件将衬底的翘曲部分进行压平，能够尽量降低在相机景深方向的高度差，提高图像的精度。
进一步，所述压平件为水平设置的玻璃板。
进一步，所述电子装配件夹持移动装置包括驱动机构、移动平台和夹具，所述电子装配件水平设置，且其衬底的一侧通过所述夹具固定在所述移动平台上，所述特征孔位于所述移动平台外，所述驱动机构与所述移动平台传动连接并可驱动所述移动平台水平移动。
采用上述进一步方案的有益效果是电子装配件夹持移动装置结构简单，能够将电子装配件方夹持并送至和移动出工业相机的视场内。
进一步，所述驱动机构包括水平设置的丝杠和与所述丝杠对应的滑块和电机，所述丝杠的两端分别通过与其转动配合的轴承安装在所述底座上，所述移动平台的底端与所述滑块固定连接。
采用上述进一步方案的有益效果是驱动机构结构简单，运行精确度高，提高对电子装配件的移动精度。
附图说明
图1为本发明电子装配件的结构示意图；
图2为本发明电子装配件的俯视图；
图3为本发明基于视觉系统的检测设备的剖视图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、芯片，101、特征线，2、衬底，201、特征孔，3、丝杠，4、轴承，5、移动平台，6、光源，7、工业相机，8、压平件，9、电缸，10、底座，11、相机支架，12、电缸支架，13、滑块。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供了一种基于视觉的电子装配件精度检测方法，本发明中检测的电子装配件结构如图1和2所示，包括均水平设置的芯片1和衬底2，芯片1粘接在衬底2上，芯片上表面边缘为4条特征线，衬底2上在位于芯片1周围的位置上间隔设有至少3个特征孔201，并且特征孔201为上下贯穿衬底2的通孔，根据装配标准设定所述芯片1与所述衬底2的标准中心距，即按照装配标准芯片1与衬底2的几何中心距离，本实施例中的电子装配件中设有3个特征孔201，检测方法包括以下步骤：
S1、采集包含特征线101和特征孔201的电子装配件在水平面上的场景图像，并在水平面内建立场景图像的图像坐标系；
S2、为每个特征线101和特征孔201设定搜索扫描范围，采用边缘检测算法，分别获取所述芯片1上4条边缘特征线101的点集位置坐标和所述衬底2上多个特征孔201的圆心特征点集位置坐标；
S3、根据所述特征线101和特征孔201的圆心特征点的点集位置坐标，在图像坐标系下，计算所述芯片1和所述衬底2的中心距，包括其在图像坐标系的X轴和Y轴上的中心距；
S4、将步骤S3得到的中心距与标准中心距进行比较，测定电子装配件的装配偏差值。
优选地，所述步骤S2的具体步骤为：
S21、为每个特征线101和特征孔201设置搜索扫描范围，并采集特征线101与特征孔201的图像P1；
S22、在各特征对应搜索扫描范围内对图像P1进行一次3*3的中值滤波操作，给定阈值将图像二值化并得到图像P2；
S23、使用Sobel边缘检测算子对图像P2进行边缘检测，对边缘点集进行整合，并将整合后的边缘点集实施最小二乘法进行直线拟合与圆拟合，分别得到所述特征线101点集位置坐标和所述圆心特征点集位置坐标，其中
所述特征线101点集位置坐标为
Lw(xu,yv)|w＝1,2,3,4；u＝1,2,3,…m；v＝1,2,3,…n，其中，m和n分别表示在X轴和Y轴上的取数点。
所述特征孔的圆心特征点集位置坐标为：
Cw(x0,y0)|w＝1,2,3…p，其中，p为特征点的个数。
优选地，所述步骤S3的具体步骤为：
S31、计算所述芯片1的几何中心(Ax,Ay)和所述衬底2的几何中心(Bx,By)
Figure BDA0002060467960000071
衬底2的几何中心根据衬底2的形状、衬底2上特征孔201的数量和位置进行计算，本领域技术人员可以根据现有技术进行计算，本实施例以3个特征孔为例，
Figure BDA0002060467960000072
S32、计算所述芯片1和所述衬底2在所述图像坐标系的X轴和Y轴方
向上的中心距，
Δx'＝Ax-Bx，Δy'＝Ay-By
Δx＝Δx'dx，Δy＝Δy'dy
Δx'和Δy'分别为所述芯片1和所述衬底2在X轴和Y轴方向上以像素为单位的中心距，Δx和Δy分别为其物理尺寸，dx和dy分别为水平方向和竖直方向上每像素物理尺寸。
本发明针对每个特征增设搜索扫描范围，并在扫描范围内对各特征进行中值滤波、图像二值化、Sobel边缘检测等操作，从而避免了模板匹配定位方法中的全图像规模运算，有效的降低了算法的复杂度。
优选地，本发明的检测方法使用基于视觉系统的检测设备进行检测，所述检测设备包括底座10、电子装配件夹持移动装置和视觉检测装置，
所述视觉检测装置包括两个工业相机7、相机支架11和光源6，所述相机支架11的底部安装于所述底座10上，两个所述工业相机7上下对称安装在所述相机支架11上，所述光源6设置在上方所述工业相机7旁并安装在所述相机支架11上，光源6可以选用LED光源6，工业相机7可以采用CCD相机；
所述电子装配件夹持移动装置设置在所述相机支架11的一侧，对所述电子装配件的衬底2一侧边缘处进行夹持，并带动所述电子装配件水平移动以靠近或远离两个所述工业相机7的视场。
优选地，所述场景图像为为两幅，包括所述芯片1的场景图像和所述衬底2的场景图像，所述芯片1的场景图像由上方所述工业相机7摄取，所述衬底2的场景图像由下方所述工业相机7摄取。
采用两个工业相机7分别采集芯片1和衬底2两个平面的特征图像，可以在不产生机械移动的前提下同步采集到更清晰的图像。
优选地，所述检测设备还包括压平件8和电缸9，所述压平件8水平设置在所述相机支架11远离所述电子装配件夹持移动装置的一侧，所述电缸9的伸缩杆上下设置且与所述压平件8远离所述电子装配件的一端连接，带动所述压平件8上下移动以将所述衬底2远离被夹持的一端进行压平或离开所述衬底2使衬底2恢复原状，在本实施例中，电缸9设置在电缸支架12上，电缸支架12固定在底座10上。
压平件将衬底2的翘曲部分进行压平，能够尽量降低在相机景深方向的高度差，提高图像的精度。
优选地，所述压平件8为水平设置的玻璃板。
优选地，所述电子装配件夹持移动装置包括驱动机构、移动平台5和夹具，所述电子装配件水平设置，且其衬底2的一侧通过所述夹具固定在所述移动平台5上，所述特征孔201位于所述移动平台5外，所述驱动机构与所述移动平台5传动连接并可驱动所述移动平台5水平移动，移动平台5上设有真空吸嘴对衬底2进行吸附，同时通过夹具，将衬底2固定在移动平台5上，建立移动平台5坐标系与图像坐标系的关系，移动平台5的运动方向与图像坐标系的Y轴重合。
优选地，所述驱动机构包括水平设置的丝杠3和与所述丝杠3对应的滑块13和电机，所述丝杠3的两端分别通过与其转动配合的轴承4安装在所述底座10上，所述移动平台5的底端与所述滑块13固定连接，所述驱动机构还包括与所述丝杠3平行设置的导杆，所述导杆穿设在所述滑块13中并与所述滑块13滑动连接，使得所述滑块13在所述丝杠3的长度方向上水平运动。
使用上述检测设备对电子装配体进行检测时，将电子装配件的的衬底2的一端放置在移动平台5上，并通过夹具将其固定在移动平台5上，通过电机驱动丝杠3移动将电子装配件送至CCD相机视场内，同时利用压平件将衬底2的翘曲部分压平，以便图像处理，压平件的压平深度可以根据不同型号电子装配件的翘曲程度进行调节，同时压平件一旦撤出，衬底2由于材料弹性恢复原形状，不影响使用性能。虽然衬底2被压平件压平，但是特征线101与特征孔201仍不在同一个平面内，因此对特征线101设置搜索扫描范围和采集特征线101图像时，采用LED光源6和上方的工业相机7，对特征孔201设置搜索扫描范围和采集特征孔201图像时，采用LED光源6和下方的工业相机7，可以在不产生机械移动的前提下同步采集到更清晰的图像，提高了检测精度，增加了技术稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法，所述电子装配件包括均水平设置的芯片(1)和衬底(2)，所述芯片(1)粘接在所述衬底(2)上，所述芯片(1)上表面边缘为4条特征线(101)，所述衬底(2)上在位于所述芯片(1)的周围的位置上间隔设有至少三个特征孔(201)，所述特征孔(201)为上下贯穿所述衬底(2)的通孔，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采集包含所述特征线(101)和所述特征孔(201)的电子装配件在水平面上的场景图像，并在水平面内建立所述场景图像的图像坐标系；
S2、为每个所述特征线(101)和所述特征孔(201)设定搜索扫描范围，采用边缘检测算法，分别获取所述芯片(1)上4条特征线(101)的点集位置坐标和所述衬底(2)上多个特征孔(201)的圆心特征点集位置坐标；
具体的，所述步骤S2包括：
S21、为每个特征线(101)和特征孔(201)设置搜索扫描范围，并采集所述特征线(101)与所述特征孔(201)的图像P1；
S22、在各特征对应搜索扫描范围内对图像P1进行一次3*3的中值滤波操作，给定阈值将图像二值化并得到图像P2；
S23、使用Sobel边缘检测算子对图像P2进行边缘检测，对边缘点集进行整合，并将整合后的边缘点集实施最小二乘法进行直线拟合与圆拟合，分别得到所述特征线(101)点集位置坐标和所述特征孔的圆心特征点集位置坐标，其中
所述特征线(101)点集位置坐标为
Lw(xu,yv)|w＝1,2,3,4；u＝1,2,3,…m；v＝1,2,3,…n，其中，m和n分别表示在X轴和Y轴上的取数点；
所述特征孔的圆心特征点集位置坐标为：
Cw(x0,y0)|w＝1,2,3…p，其中，p为特征点的个数；
S3、根据所述特征线(101)和特征孔(201)的圆心特征点的点集位置坐标，在图像坐标系下，计算所述芯片(1)和所述衬底(2)的中心距；
具体的，所述步骤S3包括：
S31、计算所述芯片(1)的几何中心(Ax,Ay)和所述衬底(2)的几何中心(Bx,By)：
其中：
Figure FDA0002951924980000021
Figure FDA0002951924980000022
S32、计算所述芯片(1)和所述衬底(2)在所述图像坐标系的X轴和Y轴方向上的中心距，
Δx'＝Ax-Bx，Δy'＝Ay-By
Δx＝Δx'dx，Δy＝Δy'dy
Δx'和Δy'分别为所述芯片(1)和所述衬底(2)在X轴和Y轴方向上以像素为单位的中心距，Δx和Δy分别为其物理尺寸，dx和dy分别为水平方向和竖直方向上每像素物理尺寸；
S4、将步骤S3得到的中心距与标准中心距进行比较，得到所述电子装配件的装配偏差值。
2.根据权利要求1所述的一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法，其特征在于，使用基于视觉系统的检测设备进行所述场景图像的采集，所述检测设备包括底座(10)、电子装配件夹持移动装置和视觉检测装置，
所述视觉检测装置包括两个工业相机(7)、相机支架(11)和光源(6)，所述相机支架(11)的底部安装于所述底座(10)上，两个所述工业相机(7)上下对称安装在所述相机支架(11)上，所述光源(6)设置在上方所述工业相机(7)旁并安装在所述相机支架(11)上；
所述电子装配件夹持移动装置设置在所述相机支架(11)的一侧，对所述电子装配件的衬底(2)一侧边缘处进行夹持，并带动所述电子装配件水平移动以靠近或远离两个所述工业相机(7)的视场。
3.根据权利要求2所述的一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法，其特征在于，所述场景图像为两幅，包括所述芯片(1)的场景图像和所述衬底(2)的场景图像，所述芯片(1)的场景图像由上方所述工业相机(7)摄取，所述衬底(2)的场景图像由下方所述工业相机(7)摄取，并根据两幅所述场景图像的图像坐标系之间的对应关系确定所述芯片和所述衬底的中心距。
4.根据权利要求2所述的一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法，其特征在于，所述检测设备还包括压平件(8)和电缸(9)，所述压平件(8)水平设置在所述相机支架(11)远离所述电子装配件夹持移动装置的一侧，所述电缸(9)的伸缩杆上下设置且与所述压平件(8)远离所述电子装配件的一端连接，带动所述压平件(8)上下移动以将所述衬底(2)远离被夹持的一端进行压平。
5.根据权利要求4所述的一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法，其特征在于，所述压平件(8)为水平设置的玻璃板。
6.根据权利要求2所述的一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法，其特征在于，所述电子装配件夹持移动装置包括驱动机构、移动平台(5)和夹具，所述电子装配件水平设置，且其衬底(2)的一侧通过所述夹具固定在所述移动平台(5)上，所述特征孔(201)位于所述移动平台(5)外，所述驱动机构与所述移动平台(5)传动连接并可驱动所述移动平台(5)水平移动。
7.根据权利要求6所述的一种基于视觉的电子装配件装配精度检测方法，其特征在于，所述驱动机构包括水平设置的丝杠(3)和与所述丝杠(3)对应的滑块(13)和电机，所述丝杠(3)的两端分别通过与其转动配合的轴承(4)安装在所述底座(10)上，所述移动平台(5)的底端与所述滑块(13)固定连接。
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