CN110837036A - 一种电路板故障自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电路板故障自动检测系统，包括机电一体化平台、电路板图像检测算法和平台控制软件；机电一体化平台可通过定点图像采集，将图像结果与PCB电路设计图进行比对，控制三轴运动机构精准将探针移动到待测电路板孔位从而采集相关电信号数据；图像检测算法提供了一种可行的电路板待测孔位坐标检测方法，从而实现机电一体化平台的自动化控制；平台控制软件通过可视化操作根据不同类电路板设置电路板检测流程；该系统实现了根据PCB电路图自动化且高精度地检测电路板电信号并进行故障诊断与反馈。

Description

一种电路板故障自动检测系统

技术领域

本发明属于自动化技术领域，具体涉及一种电路板故障自动检测系统。

背景技术

电路板是电子产品中的集成单元，其安全性与可靠性决定整个电子产品的性能，因此电路板的故障检测技术是电子行业最热门的技术之一。传统的电路板故障检测需要工人用测试探头对被测点进行一一检测，并根据工人经验和检测结果判断电路板的安全性，因此传统的电路板故障检测流程繁琐，耗费的人力资源与时间资源极大，此外随着待测电路测点数量的增加，工人们的疲劳程度也会因此增加，从而降低测试效率和测试准确率。

对于传统电路板测试的缺陷，电子行业开始研究可实现电路板检测的半自动化和全自动化的技术方案，该类项目对工程技术的要求较广泛，集计算机科学、机械学、电子科学与控制科学于一体。在该类技术的发展中，产生了一大批自动化检测平台，如探针测试台、三坐标测量机和精密数控平台等等，但其应用范围相对有限，且对工作环境有严格的要求，难以运用在电路板的测试过程中。

结合目前自动化检测技术的发展特点，本发明针对电路板的检测问题设计了全自动化的检测平台及其控制技术方案，应用范围广且检测精度高。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种电路板故障自动检测系统，自动化程度高，应用范围广且检测精度高。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电路板故障自动检测系统，包括机电一体化平台、电路板图像检测算法和平台控制软件。所述机电一体化平台安装在电路板传送带上，计算机通过平台控制软件向该平台上电机控制系统发送移动指令，该平台上的图像信号与电信号通过传感器传输至工业控制计算机并完成故障诊断与反馈，传送带传送PCB电路板至该平台操作范围。

所述机电一体化平台包括三轴机械结构、运动控制系统、图像采集单元和电信号采集单元。运动控制系统安装在三轴机械结构中，控制机械结构在X、Y、Z三个方向的运动，图像采集单元为CDC相机搭配光学镜头，电信号采集单元为探针及压力传感器。

所述三轴机械结构是桥式结构，导轨传动装置的选材上，优选的，X轴和Y轴采用钢丝PU带，可实现在保障水平方向高精度的同时实现垂直方向的稳定性，Z轴的垂直运动受到重力的干扰，因此采用丝杠机械结构。三轴机械结构用于带动电路板测试探针在X、Y、Z三个方向的运动，使之到达电路板指定测试点；电路板放置在传送带上，通过传送带传送至操作范围内。其中，每个轴都由特殊结构的导轨组成。导轨的两侧设有凹槽，用于安装其他导轨，导轨两端可安装电机，电机通过皮带来带动导轨的运动。Y轴导轨安装在X轴导轨上，Z轴导轨安装在Y轴导轨上，X轴的左右两个导轨由固定杆和联轴器连接起来，X、Y两轴的导轨的运动可实现探头在水平面上的位置调整。探头固定在Z轴底端，通过Z轴的电机传动实现探针的上下移动。

三轴机械结构的X轴和Y轴导轨组成的矩形面积即为平台操作范围，因此X，Y轴的导轨长度和行程要符合常规待测电路板的尺寸大小。

所述运动控制系统包括电机、驱动以及运动控制算法。电机作为平台动力的来源，执行组件能否实现高精度与高速度的组合，很大程度上依赖电机的选型。本发明中的电路板自动检测系统中平台的三个轴分别使用一个电机。

其中X轴和Y轴实现水平面坐标的定位，且对位置精度要求较高，因此本发明中选择使用带编码器的伺服交流电机。

Z轴仅需克服重力控制探针，探针的位置可通过压力传感器来反馈，无需精确的位置坐标信息，因此为降低平台成本，选择步进电机。

其中电机控制方式采用计算机加运动控制卡的模式，运动控制卡的作为连接PC机与电机的重要桥梁。在与电机驱动连接后，步进驱动器选择单输出方式，而伺服驱动器选择差分输出方式。运动控制卡的I/O口采用光电耦合隔离器，控制信号通过双绞线传递，其信号电磁抗干扰能力较强。

平台的运动控制系统除电机外，还设置了两处安全保护装置，其中为保障X轴与Y轴上探针运动不超过探测平台设定的最大范围，在X轴与Y轴平台机械框架上安装了限位开关。由于探针的运动将会与平台框架发生磨损，这不仅造成电机的损坏，也缩短了机械结构的使用寿命。为避免电机与框架的磨损，本发明中采用的限位开关为非接触式的接近开关，在平台作业期间，如果某个轴达到接近开关相应范围，接近开关将向运动控制卡发送信号，运动控制卡响应信号并向响应的驱动器发出停止运动的指令。

此外，探针作为电路板焊点数据的采集原件，其控制的准确性不仅影响最终焊点检测的结果，而且影响探针的使用寿命。Z轴的运动直接决定探针与待测电路板的相对位置关系，若Z轴方向位移量小，探针无法检测到准确电信号，若位移量大，探针则直接损坏。因此本发明在Z轴方向设置了探针运动反馈系统，采用探针压力作为反馈信号，选择悬臂梁式传感器作为压力传感器采集压力信号，其中压力传感器安装在探针尾端。

所述图像采集单元选取CCD相机搭配光学镜头，图像采集过程中的辅助照明光源采用环绕型LED灯照明，结合图像采集单元可将高清的PCB实时图像传输至计算机。

所述电信号采集单元采用探针，探针的负极与待测电路板共地，正极安装在Z轴导轨上用于采集电路板孔位电信号。电信号采集单元将电信号传至示波器，可通过示波器观看其波形，同时示波器将电信号传至工业控制计算机，由计算机分析电路故障。

所述电路板图像检测算法具体的步骤包括PCB板的MARK点检测、PCB板坐标系建立、焊点坐标数据库建立和探针最优路径规划等流程。以上方法综合可实现电路板的焊点识别与探针的控制，具体流程如下：

(1)本发明中PCB电路板MARK点检测所用方法为模板匹配算法，只需用像素灰度值作为相似度的评判标准，算法简单，复杂度低，运行速度较快。其具体的思想为归一化相关，通过比较设定模板与待匹配对象之间的相关性来确定MARK点位置。

算法定义式为：

式中m_t表示模板灰度平均值，

表示模板灰度方差，其定义如下：

m_f表示算法当前与模板图像对应的待匹配区域的灰度平均值，

表示该区域灰度方差。

其定义如下：

当ncc(r，c)＝±1时，模板与待匹配区域的关系可简化为线性关系，即：

f(r+u，c+v)＝a·t(u，v)+b

当ncc(r，c)＝1时,模板和当前待匹配区域的极性相同，当ncc(r，c)＝-1时，模板和当前待匹配区域的极性相反，其值越大表示匹配程度越高。

通过以上算法得到的MARK点坐标误差可控制在0.5像素以内，该误差对焊点定位不产生干扰。

(2)依据(1)中的MARK点在放置台的实际位置和PCB设计图的位置建立PCB电路设计图与实际电路板间的坐标变换关系。

假设PCB电路板实物图所在坐标系中MARK点坐标矩阵为：

X₁＝[x₁₁ x₁₂…x_1n]

Y₁＝[y₁₁ y₁₂…y_1n]

PCB设计图所在坐标系中MARK点的坐标矩阵为：

X₂＝[x₂₂ x₂₂...x_2n]

Y₂＝[y₂₁ y₂₂...y_2n]

两个坐标系的转换关系为：

假设k为尺度因子，α为旋转量，Δx为X方向上的平移分量，Δy为Y方向上的平移分量，则对于每一个MARK点，存在如下坐标变换：

其中令

P＝kcosα，Q＝ksina

可得

经过矩阵变换可得：

通过带入两组MARK点在两组坐标系下的坐标即可得到四个参数，其中旋转量和尺度因子均可由P、Q间接得到，但存在光照变化、拍摄角度、图像畸变等因素影响，仅使用两组坐标求解误差较大，因此本发明采用解耦算法求解坐标转换矩阵，从而精确计算变换的矩阵。

之后通过解耦算法求解四个参数，首先通过MARK点的重心化计算出MARK点位于两个坐标系中的重心坐标矩阵X_1G、X_2G和平移后的坐标矩阵X′₁、X′₂，构造

N_X1＝X′₁X′₁ ^T

N_X2＝X′₂X′₂ ^T

M＝X′₁X′₁X₂ ^T

通过下式求尺度因子

通过下式求两个坐标系间的旋转量：

sinα＝(M₁₂-M₂₁)/(k×tr(N_X1))

cosα＝(M₁₁+M₂₂)/(k×tr(N_X1))

其中M_ij为M矩阵的元素。最后将尺度因子k与旋转量α带入下式求X、Y轴上的平移分量：

所得到的的X、Y轴上的平移分量即为图像检测算法部分的结果，也为待测电路板孔位的坐标。

所述平台控制软件包括流程编辑、编译运行、仪表控制和数据处理四部分。其中流程编辑层为可视化和模块化的流程组件的开发，可通过对流程组件的拖拽、连接和参数设置来编辑电路板检测流程。编译运行层通过编译流程编辑层产生的流程图来检测流程逻辑的合理性并给出相关错误的提示，对于无逻辑错误的流程图生成控制代码。仪表控制层可调用不同仪表，并对仪表进行参数的设置，根据编译产生的控制代码对不同仪表进行对应指令的传输。数据处理层完成电信号的采集，根据设定的故障诊断算法对电路故障进行诊断分析，并反馈诊断结果。

本发明的有益效果是：

本发明实现了电路板故障检测环节的完全自动化，同时通过图像检测技术和运动控制算法保障测点检测的精度，三轴机械结构的运动误差可达0.1mm，对于PCB电路板的小孔位实现精准的电信号采集。此外该自动化检测方案包括软件控制系统，平台使用者可针对不同类型电路板，通过可视化界面设置检测模块的工作流程。因此本发明适用于标准类型的任何一种电路板的自动化检测。

附图说明

图1为电路板检测系统结构框图。

图2为三轴机械结构示意图。

图3为运动控制系统结构框图。

图4为电机运动控制结构图。

图5为电信号采集单元示意图。

图6为机电一体化平台示意图。

图7为平台控制软件流程图。

附图标记列表：1-2、交流伺服电机、3、步进电机、4-5、X轴导轨、6、Y轴导轨、7、Z轴导轨、8、电信号采集单元、9、图像采集单元、10、平台操作范围、11、电路板传送带、12、固定杆和联轴器、13、探针、14探针夹具、15、固定盒、16、弹簧、17、垫片、18、压力传感器、19、固定板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1为本发明整体平台框架结构图，其中平台控制软件通过设置电路板检测流程和设置算法参数来调节电路板图像检测算法，电路板图像检测算法通过图像采集单元与电信号采集单元的反馈参数计算探针与电路板的相对位置信息，为运动控制系统提供坐标参数，运动控制系统通过电机驱动来控制三轴机械结构的运作。

本发明所述的一种电路板故障自动检测系统，包括机电一体化平台、电路板图像检测算法和平台控制软件；机电一体化平台可通过定点图像采集，将图像结果与PCB电路设计图进行比对，控制三轴运动机构精准将探针移动到待测电路板孔位从而采集相关电信号数据；图像检测算法提供了一种可行的电路板待测孔位坐标检测方法，从而实现机电一体化平台的自动化控制；平台控制软件通过可视化操作根据不同类电路板设置电路板检测流程；该系统实现了根据PCB电路图自动化且高精度地检测电路板电信号并进行故障诊断与反馈。

本发明的机电一体化平台包括：三轴机械结构、运动控制系统、电信号采集单元和图像采集单元。其中三轴机械机构如图2所示，其中三个方向上的导轨规格相同，导轨两侧有凹槽，用于其他导轨的安装。X轴双导轨(4、5)通过固定杆和联轴器(12)连接在一起，通过交流伺服电机(1)带动。Y轴导轨(6)安装在所述X轴的导轨上，通过交流伺服电机(2)带动。Z轴导轨(7)安装在所述Y轴导轨上，通过步进电机(3)带动。电信号采集单元(8)安装在所述Z轴导轨上。三轴协同工作，整体构成桥式结构，带动探针在平台工作范围内(10)完成电信号采集任务。

图3描述了平台的运动控制系统的控制模式，整体采取计算机——运动控制卡——电机驱动的通信方式。本发明的伺服交流电机优选的选择奔日400W电机，自带编码器，对应驱动选择SF980伺服驱动器。步进电机优选的选择雷塞的42HS09，对应驱动选择DM422步进驱动器。运动控制卡优选的选择DMC1380，控制稳定、电机相应快，如图4所示。运动控制卡的I/O口采用光电耦合隔离器，控制信号通过双绞线传递，其信号电磁抗干扰能力较强。运动控制卡通过总线与计算机连接，外部提供24V直流供电。三轴机械结构X、Y轴两端设置了限位开关，构成反馈调节系统，避免电机超范围工作，减小框架磨损。电信号采集装置中设置有压力传感器，构成反馈调节系统，避免Z轴方向探针运动幅度过大或过小，在保护探针不被折断的同时保障电信号的稳定采集。

本发明中的电信号采集装置结构如图5所示，探针(13)安装在探针夹具(14)上，固定盒(15)保障电信号采集装置在随平台做机械运动时探针始终保持竖直方向。双弹簧(16)结构在探针接触电路板采集信号时提供缓冲功能，保护探针。固定板(19)和垫片(17)保护压力传感器(18)，压力传感器将压力数据传送至运动控制卡。

整体机电一体化平台安装在电路板传送带上(11)，如图6，传送带将电路板运送到平台操作范围(10)内，通过CDC相机采集图像信息，通过PXI总线传至计算机，通过本发明提出的图像检测算法，检测电路板和待测孔位的坐标，之后向运动控制系统发送指令，带动探针采集电信号数据。

不同种类的电路板，其故障检测流程不同，为扩展本发明中电路板检测平台的使用范围，本发明设计了平台控制软件，图7为该软件的结构框图。具体使用步骤如下：

1、通过可视化的流程设计界面，组合模块化的操作流程和仪表组件，并进行连接；

2、对流程中的仪表进行参数设定；

3、编译流程图，如果编译通过进行第4步，编译错误，根据编译错误反馈结果，重新检测第1、2步的逻辑合理性和参数合理性；

4、编译通过后将生成可执行控制代码，运行控制代码；

5、机电一体化平台接收指令，开始工作，采集电信号数据；

6、自定义电路诊断算法，按照诊断算法分析第5步所采集的电信号，给出电路板诊断结果。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (9)

1.一种电路板故障自动检测系统，包括：机电一体化平台、电路板图像检测算法和平台控制软件；其特征在于：通过平台控制软件制定机电一体化平台工作流程，机电一体化平台通过图像检测结果按照设置流程精准完成电路板对应孔位的电信号采集，并通过电路板图像检测算法进一步完成故障诊断与反馈。

2.如权利要求1所述的一种电路板故障自动检测系统，其特征在于：所述机电一体化平台包括：三轴机械结构、运动控制系统、图像采集单元（9）和电信号采集单元（8），可通过定点图像采集，将图像结果与PCB电路设计图进行比对，控制三轴运动机构精准将探针移动到待测电路板孔位，所述运动控制系统安装在三轴机械结构中，图像采集单元为CDC相机搭配光学镜头，电信号采集单元为探针（13）及压力传感器（18）。

3.如权利要求2所述的一种电路板故障自动检测系统，其特征在于：所述三轴机械结构包括：X轴双导轨（4、5），导轨间通过固定杆和联轴器（12）相连，所述X轴双导轨（4、5）两侧设有凹槽，Y轴导轨（6）通过凹槽安装在所述X轴双导轨（4、5）上，所述Y轴导轨（6）两侧设有凹槽，Z轴导轨通过凹槽安装在所述Y轴导轨（6）上，所述Z轴导轨（7）两侧设有凹槽，所述探针（13）安装在Z轴凹槽内。

4.如权利要求2所述的一种电路板故障自动检测系统，其特征在于：所述运动控制系统，安装在X轴的伺服交流电机（1），通过联轴器带动Y轴导轨（6）在X轴方向运动，Y轴的伺服交流电机（2）带动Z轴导轨在Y轴方向上的运动，Z轴的步进电机（3）控制探针在Z轴方向做垂直运动。

5.如权利要求2中所述的一种电路板故障自动检测系统，其特征在于：所述图像采集单元（9），使用CCD相机搭配光学镜头，镜头一周环绕LED灯，通过环绕式照明可采集高清电路板实时图像。

6.如权利要求2所述的一种电路板故障自动检测系统，其特征在于：所述电信号采集单元，使用探针（13）作为信号采集器，所述探针（13）负极与电路板共地，所述探针（13）处安装有压力传感器（18），构成闭环反馈控制系统，精准控制垂直方向探针（13）的运动。

7.如权利要求2中所述的一种电路板故障自动检测系统，其特征在于：所述电信号采集单元中的探针（13）安装在探针夹具（14）上，探针夹具（14）设置在固定盒（15）内，保障电信号采集单元（8）随平台做机械运动时探针始终保持竖直方向，固定盒（15）上方设有垫片（17），垫片（17）上方设有固定板（19），固定盒（15）与垫片（17）之间设有两个弹簧（16），固定板（19）和垫片（17）之间设有压力传感器（18）。

8.如权利要求1所述的一种电路板故障自动检测系统，其特征在于：所述电路板检测算法，通过模板匹配算法定位电路板MARK点从而定位电路板位置，并建立坐标系，通过坐标变换法求解PCB电路板设计图与实际电路板的坐标变换关系，从而实现在实际电路图中确定指定孔位坐标。

9.如权利要求1所述的一种电路板故障自动检测系统，其特征在于：所述平台控制软件，采用可视化的界面显示，操作步骤和仪表控制的组件模块化，平台使用者可通过不同模块的组合制定电路板检测流程。

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