CN113382555B - 一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法 - Google Patents

一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，通过CCD定位相机获取产品Mark信息，从而使吸嘴定位到产品的位置；吸取产品，然后移动到UpLook上视相机上方每隔一个角度拍一次照，获取图像信息，并根据此将得到的物料各个Mark的位置信息进行拟合，计算出机械轴的旋转中心；计算产品在旋转过程中的Mark点到旋转中心的距离，并求出所有距离的平均值，再用所有Mark点到旋转中心的距离减去计算出的平均值之后得到的值，就是贴装过程中由吸嘴旋转所带来的同心度偏差，并对其进行补偿修正。该贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，保证每次加工的同心度都在允许的范围内，保证贴装精度。

Description

一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法
技术领域
本发明涉及贴片机贴装的技术领域，尤其是一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法。
背景技术
在生产线中，贴片机配置在点胶机或丝网印刷机之后，贴片机是通过移动贴装头把表面贴装元器件准确地放置固定位置上的一种设备。在贴片机贴装时，一般需要在吸嘴处加装缓冲装置，以减少贴片时由于所吸取产品高度的差异给待贴装产品带来的冲击，这种设计的优点是成本低，易于实现，但是机器装配后的精度容易受加工误差导致的安装垂直度和吸嘴同心度的影响，一致性难以保证。另外，现有的贴片机在贴装过程中，由于贴装头吸嘴在工作过程中运动速度快、使用频率高，加上吸取和贴片的过程中不可避免的会出现非平滑的冲击，因此长时间的工作后，贴片头的机械定位精度很容易出现较大的变化，影响其贴装精度，用户需要频繁的更换贴装头和调整机器的参数，致使机器整体的使用体验不佳。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决上述背景技术中存在的问题，提供一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，保证每次加工的同心度都在允许的范围内，保证贴装精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，具体步骤如下：
步骤1、首先对贴片头上的吸嘴旋转轴进行机械回零，确保每次补偿时都以此位置作为参考点进行补偿；
步骤2、然后通过CCD定位相机获取产品下视Mark点信息，累加CCD定位相机与产品之间的偏差以及CCD定位相机与吸嘴之间的安装偏差，最终计算出产品中心的实际位置并引导吸嘴吸取产品中心；
步骤3、求吸嘴旋转轴的旋转中心：将吸取产品的吸嘴移动到UpLook上视相机上方，每次旋转一定角度UpLook上视相机拍一次照，获取产品上面的上视Mark点信息，将产品旋转一周进行拍照，对获得的所有上视Mark点进行拟合圆，求得的圆中心即为吸嘴旋转轴的旋转中心；
步骤4、计算吸嘴在旋转过程中各个角度的补偿值：根据实际贴装情况，只考虑零点位置处±10°的贴装范围内，在求出吸嘴旋转轴的旋转中心后，对吸嘴旋转轴进行机械回零，在其±10°范围内，每隔一定角度UpLook上视相机拍一次照并定位产品上视Mark点位置，计算出产品旋转过程中上视Mark点位置到旋转中心的距离，并求出所有距离的平均值，最终将各个角度计算的距离减去所有距离的平均值就是吸嘴旋转到各个角度的补偿值。
进一步具体地限定，上述技术方案中，在步骤3中，每次旋转30°～50°UpLook上视相机拍一次照。
进一步具体地限定，上述技术方案中，在步骤4中，每隔0.2°～1°UpLook上视相机拍一次照。
进一步具体地限定，上述技术方案中，在步骤3中，每旋转30°，UpLook上视相机拍一次照，旋转一周，共得到12张图像上面的产品上视Mark点信息，12张图像对应12个Mark点，其点集合为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，通过最小二乘法原理，各个上视Mark点坐标到拟合圆的距离绝对值之和最小，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，g为离散的各个上视Mark点到拟合圆的距离绝对值；k为参与拟合的特征点数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为产品上的上视Mark点坐标；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为吸嘴的旋转中心坐标；R为拟合圆的半径；拟合出来的圆心即为所求的吸嘴旋转轴的旋转中心。
进一步具体地限定，上述技术方案中，在步骤4中，每隔0.5°UpLook上视相机拍一次照获取产品上视Mark点信息，共取20张图像，20张图像对应20个Mark点，通过计算产品上视Mark点位置到旋转中心的距离，距离集合为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
，然后各个角度计算的距离减去所有距离的平均值，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（2）
其中，i为吸嘴旋转轴在每个角度位置的需要的补偿值；a=1,2,……,20。
进一步具体地限定，上述技术方案中，在步骤2中，CCD定位相机接收信号后采集图像信息：网口接收上位机输出的拍照指令，将拍照指令转换成脉冲信号，将脉冲信号输出给采集卡来控制CCD定位相机拍照。
本发明的有益效果是：本发明的一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，在贴片机每次贴装的过程中，能够对贴片机吸嘴进行自动补偿，对吸嘴在吸取物体时进行角度校正过程中产生的由于其同心度导致的误差进行自动补偿，保证每次加工的同心度都在允许的范围内，保证贴装精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明计算自动补偿吸嘴同轴度误差的方法流程图；
图2是计算吸嘴旋转中心示意图；
图3是计算吸嘴在各个角度需要补偿的误差示意图。
图中的标号：Lid、需要吸取的产品；E、吸嘴本体；F、吸盘；M、第一延长线；N、第二延长线；Q、产品孔洞；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
、吸嘴中心坐标；
Figure 798977DEST_PATH_IMAGE004
、吸嘴的旋转中心坐标；S1、第一产品角点；S2、第二产品角点；R、拟合圆的半径。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
见图1，本发明的一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，具体步骤如下：
步骤1、首先对贴片头上的吸嘴旋转轴进行机械回零，确保每次补偿时都以此位置作为参考点进行补偿。举例说明吸嘴旋转轴的作用，吸嘴吸取产品会通过旋转轴来校正产品盖子和固定位置处的产品基板之间的角度偏差。这里需要说明的是，吸嘴吸取的盖子叫Lid，固定不动且待被Lid贴合的部分叫基板。步骤1中对贴片头上的吸嘴旋转轴进行回零是十分有必要的，因为在旋转过程中，吸嘴旋转轴并不同心，而进行机械回零的目的就是使计算补偿（比如±10°）有一个基准；如果吸嘴旋转轴不回零，贴装了几次吸嘴旋转轴旋转了30°，那么下次贴装吸嘴旋转轴旋转1°需要补偿的应该还是吸嘴旋转轴旋转31°时产生的偏差，而计算的补偿只是在轴零点位置±10°的补偿，所以贴装过程中每次贴装结束必须回零。
步骤2、然后通过CCD定位相机获取产品下视Mark点信息，累加CCD定位相机与产品之间的偏差以及CCD定位相机与吸嘴之间的安装偏差，最终计算出产品中心的实际位置并引导吸嘴吸取产品中心，从而使吸嘴定位到产品的位置。CCD定位相机采集图像的原理是：网口接收上位机输出的拍照指令，将拍照指令转换成脉冲信号，将脉冲信号输出给采集卡来控制CCD定位相机拍照。根据CCD定位相机采集到的图像，定位其图像的下视Mark点坐标，随后将吸嘴旋转轴进行机械回零。需要说明的是，上位机是可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC/host computer/master computer/upper computer，屏幕上显示各种信号变化。
步骤3、求吸嘴旋转轴的旋转中心：吸嘴吸取产品，将吸取产品的吸嘴移动到UpLook上视相机上方，每次旋转30°～50°UpLook上视相机拍一次照，获取产品上面的上视Mark点信息，将产品旋转一周360°进行拍照，对获得的所有上视Mark点进行拟合圆，求得的圆中心即为吸嘴旋转轴的旋转中心。当吸取产品的吸嘴移动到UpLook上视相机上方，每旋转30°，UpLook上视相机拍一次照，旋转一周，共得到12张图像上面的产品上视Mark点信息，12张图像对应12个Mark点，其点集合为
Figure 778434DEST_PATH_IMAGE001
，通过最小二乘法原理，各个上视Mark点坐标到拟合圆的距离绝对值之和最小，即：
Figure 620488DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，g为离散的各个上视Mark点到拟合圆的距离绝对值；k为参与拟合的特征点数；
Figure 15698DEST_PATH_IMAGE003
为产品上的上视Mark点坐标；
Figure 382133DEST_PATH_IMAGE004
为吸嘴的旋转中心坐标；R为拟合圆的半径；拟合出来的圆心即为所求的吸嘴旋转轴的旋转中心。
步骤4、计算吸嘴在旋转过程中各个角度的补偿值：根据实际贴装情况，只考虑零点位置处±10°的贴装范围内，即只补偿吸嘴旋转轴零点位置处±10°范围内的位置补偿，在求出吸嘴旋转轴的旋转中心后，对吸嘴旋转轴进行机械回零，在其±10°范围内，每隔0.2°～1°（0.5°是比较合适的数值，因为刚好可以被10整除，想要补偿更精准可以适当取小，不建议取值过大）UpLook上视相机拍一次照并定位产品上视Mark点位置，计算出产品旋转过程中上视Mark点位置到旋转中心的距离，并求出所有距离的平均值，最终将各个角度计算的距离（上视Mark点到旋转中心的距离）减去所有距离的平均值就是吸嘴旋转到各个角度的补偿值，也就是贴装过程中由吸嘴旋转所带来的同心度偏差，并对其进行补偿修正。当每隔0.5°UpLook上视相机拍一次照获取产品上视Mark点信息，共取20张图像，20张图像对应20个Mark点，通过计算产品Mark点位置到旋转中心的距离，距离集合为
Figure 266912DEST_PATH_IMAGE005
，然后各个角度计算的距离减去所有距离的平均值，即：
Figure 533946DEST_PATH_IMAGE006
（2）
其中，i为吸嘴旋转轴在每个角度位置的需要的补偿值；a=1,2,……,20。
见图2 ，贴装是将需要吸取的产品（称为Lid）贴到基板上，吸嘴吸取的是Lid，获取Mark点信息也是在Lid上面得到的。
见图2，Lid是需要吸取的产品。吸嘴由金属材质的吸嘴本体E和橡胶材质的吸盘F组成，吸嘴在吸取产品Lid过程中主要靠吸盘吸取。第一延长线M和第二延长线N是Lid两条相邻边缘的延长线，两条延长线的交点就是所需的Lid角点。吸嘴吸取Lid旋转拍照之前，需要先将Lid的左上角和旁边的产品孔洞Q做成模板，产品孔洞Q的目的是使产品左上角和另外三个角作区分，否则模板匹配时可能会匹配到另外三个角，模板做完之后要提取产品角点，通过提取产品的两条边缘，计算出其边缘延长线，延长线的交点就是产品的角点，这样吸嘴旋转之前的任务就做完了。然后吸嘴吸取产品每隔30°旋转拍照，每拍一次照，会进行一次模板匹配找到产品上模板即左上角和产品孔洞Q的位置，然后将做任务的角点（上面求得的延长线交点）进行仿射变换，就可以仿射变换到旋转之后的产品的对应角点位置（也就是图上的S1），这样旋转一圈360°就匹配仿射到所有对应的角点了，即12个第一产品角点S1（30°转一次，转了12次），最后对其进行拟合圆，得到的圆心就是吸嘴的旋转中心
Figure 795163DEST_PATH_IMAGE004
，理论上机械精度非常高的情况下吸嘴的旋转中心坐标
Figure 526358DEST_PATH_IMAGE004
和吸嘴中心坐标
Figure 519722DEST_PATH_IMAGE007
应该是同一个点，但是存在加工误差和安装偏差，所以导致两者有所差别。
见图3，Lid是需要吸取的产品。吸嘴由金属材质的吸嘴本体E和橡胶材质的吸盘F组成，吸嘴在吸取产品Lid过程中主要靠吸盘吸取。第一延长线M和第二延长线N是Lid两条相邻边缘的延长线，两条延长线的交点就是所需的Lid角点。S2为第二产品角点，表示的是第二产品角点S2随着吸嘴在旋转到各个角度的位置。图3是贴装补偿（吸嘴±10°以内的补偿）的原理图：因为计算的是±10°的贴装补偿，每隔0.5度旋转一次计算产品角点Mark位置，所以旋转完之后一共可以得到20个点，然后计算这20个角点Mark到旋转中心的距离的平均值，最后通过各个角点Mark到旋转中心的距离减去所有距离的平均值，就是在±10°内吸嘴吸取产品旋转到各个角度的补偿值。
该基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，在贴片机每次贴装的过程中，能够对贴片机吸嘴进行自动补偿，对吸嘴在吸取物体时进行角度校正过程中产生的由于其同心度导致的误差进行自动补偿，保证每次加工的同心度都在允许的范围内，保证贴装精度。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、首先对贴片头上的吸嘴旋转轴进行机械回零，确保每次补偿时都以此位置作为参考点进行补偿；
步骤2、然后通过CCD定位相机获取产品下视Mark点信息，累加CCD定位相机与产品之间的偏差以及CCD定位相机与吸嘴之间的安装偏差，最终计算出产品中心的实际位置并引导吸嘴吸取产品中心；
步骤3、求吸嘴旋转轴的旋转中心：将吸取产品的吸嘴移动到UpLook上视相机上方，每次旋转一定角度UpLook上视相机拍一次照，获取产品上面的上视Mark点信息，将产品旋转一周进行拍照，对获得的所有上视Mark点进行拟合圆，求得的圆中心即为吸嘴旋转轴的旋转中心；
步骤4、计算吸嘴在旋转过程中各个角度的补偿值：根据实际贴装情况，只考虑零点位置处±10°的贴装范围内，在求出吸嘴旋转轴的旋转中心后，对吸嘴旋转轴进行机械回零，在其±10°范围内，每隔一定角度UpLook上视相机拍一次照并定位产品上视Mark点位置，计算出产品旋转过程中上视Mark点位置到旋转中心的距离，并求出所有距离的平均值，最终将各个角度计算的距离减去所有距离的平均值就是吸嘴旋转到各个角度的补偿值。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，其特征在于：在步骤3中，每次旋转30°～50°UpLook上视相机拍一次照。
3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，其特征在于：在步骤4中，每隔0.2°～1°UpLook上视相机拍一次照。
4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，其特征在于：在步骤3中，每旋转30°，UpLook上视相机拍一次照，旋转一周，共得到12张图像上面的产品上视Mark点信息，12张图像对应12个Mark点，其点集合为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，通过最小二乘法原理，各个上视Mark点坐标到拟合圆的距离绝对值之和最小，即：
Figure 533695DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，g为离散的各个上视Mark点到拟合圆的距离绝对值；k为参与拟合的特征点数；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为产品上的上视Mark点坐标；
Figure 333024DEST_PATH_IMAGE004
为吸嘴的旋转中心坐标；R为拟合圆的半径；拟合出来的圆心即为所求的吸嘴旋转轴的旋转中心。
5.根据权利要求4所述的一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，其特征在于：在步骤4中，每隔0.5°UpLook上视相机拍一次照获取产品上视Mark点信息，共取20张图像，20张图像对应20个Mark点，通过计算产品上视Mark点位置到旋转中心的距离，距离集合为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，然后各个角度计算的距离减去所有距离的平均值，即：
Figure 482508DEST_PATH_IMAGE006
（2）
其中，i为吸嘴旋转轴在每个角度位置的需要的补偿值；a=1,2,……,20。
6.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的贴片机吸嘴同轴度误差自动校准方法，其特征在于：在步骤2中，CCD定位相机接收信号后采集图像信息：网口接收上位机输出的拍照指令，将拍照指令转换成脉冲信号，将脉冲信号输出给采集卡来控制CCD定位相机拍照。
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