CN113678578A - 用于辅助印刷电路板的手动组装和测试的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种系统和方法，用于辅助印刷电路板(PCB)的手动组装，包括摄像头，其朝向设为捕获该PCB的局部或全部的摄像头图像；以及处理器，其被配置成根据摄像头图像，确定PCB的物理位置与PCB版图之间的对位；接收要在PCB的元件上执行的PCB任务工作清单；根据对位和工作清单，确定PCB上要执行任务所在的位置；响应性地生成叠加图像以可视地指示所述PCB上要执行所述任务所在的位置。

Description

用于辅助印刷电路板的手动组装和测试的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于开发、组装和测试印刷电路板(PCB)的系统和方法。
背景技术
在过去的几十年中，电子印刷电路板(PCB)的尺寸持续缩小，并且更多地填充微小的电子元件。许多电子元件已经变得如此之小，以致于难以在PCB上手动定位它们以进行组装或测试。
在手动PCB组装和质量控制过程中，操作员通常需要在板上定位特定元件，这已成为耗时的任务，从而降低效率。因此，越来越需要多种工具和方法来简化PCB上元件定位的过程，以实现现代PCB的快速且高效调试和组装。
发明内容
本发明实施例提供一种用于开发、组装和测试印刷电路板(PCB)的系统和方法，通过指示PCB上的任何特定部分的位置来解决处理小元件和板的需求。所指示的部分由计算机化工作清单或直接从电路原理图确定。可以通过围绕该部分位置投影“可视围栏”(围栏周边是矩形、椭圆形、圆等)来执行该部分的指示。
因此，本发明的实施例提供一种用于辅助印刷电路板(PCB)的手动组装的系统，该系统包括摄像头，其朝向设为捕获所述PCB的局部或全部的摄像头图像；以及处理器(包括存储器，具有执行指令以配置处理器动作)。该处理器可以被配置成根据摄像头图像，确定PCB的物理位置与PCB版图之间的对位；接收对PCB的元件执行的任务的PCB工作清单；根据对位和工作清单，确定PCB上要执行任务所在的位置；以及响应性地生成叠加图像以直观地指示所述PCB上要执行所述任务所在的位置。
在一些实施例中，要执行的任务是将元件组装在所述PCB上给定的位置处。该系统还可以包括投影器，其被配置为接收所述叠加图像并将所述叠加图像可视地投影到所述PCB上。该系统还可以包括放大视频显示器，以及该处理器还可以被配置成生成所述叠加图像与所述摄像头图像的合并图像，并且将所述合并图像呈现在所述放大视频显示器上。在所述放大视频显示器上呈现的合并图像的摄像头图像是PCB中包括可以执行任务所在的位置的区域的实时放大图像。在一些实施例中，该摄像头可以位于所述PCB上方的光学单元中，以及该放大视频显示器可以位于所述光学单元的顶部以便从上方查看。
该处理器还可以被配置成识别摄像头图像中PCB的元件，以将所识别的元件与PCB工作清单中的元件关联，以确定PCB上不存在的元件，并且响应性地确定要执行的任务。要执行的任务可以包括将元件安装在PCB上。
叠加图像还可以包括与元件相关的文本，或者与该任务相关的待执行指令的文本。
该处理器可以是位于所述系统的基座、投影仪臂体或光学单元中的一个或多个中的嵌入式处理器。
该摄像头可以包括缩放镜头，用于提供包括所述PCB上可以执行任务所在的位置的PCB区域的高分辨率放大图像。
在又一些实施例中，该处理器可以被配置成记录所述任务的完成时间并且响应性地确定操作员绩效的统计信息。
本发明的实施例还提供一种用于辅助印刷电路板(PCB)手动测试的系统，该系统包括摄像头，其朝向设为捕获所述PCB的局部或全部的摄像头图像；以及包括具有指令的存储器，在该指令被执行时包括以下的步骤：确定所述摄像头图像与所述PCB的原理图之间的对应关系；响应性地接收标识原理图位置的位置请求；响应性地确定所述原理图位置在所述PCB上的物理位置；以及响应性地生成叠加图像以可视地指示所述PCB上的所述物理位置。
该系统可以包括交互式显示器单元，以及该处理器还可以被配置成在所述交互式显示器单元上呈现逻辑电路原理图，所述操作者可以从所述逻辑电路原理图中选择所述原理图位置。
本发明的实施例还提供一种用于辅助印刷电路板(PCB)的手动组装的基于计算机的方法，具有一个或多个处理器和包含指令的存储器，在所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使所述处理器实现如下方法：使用摄像头捕获所述PCB的局部或全部的摄像头图像；根据所述摄像头图像，确定所述PCB的物理位置与PCB版图之间的对位；接收要在所述PCB的元件上执行的PCB任务清单；根据所述对位和所述工作清单，确定所述PCB上要执行任务所在的位置；响应性地生成叠加图像以直观地指示所述PCB上要执行所述任务所在的位置。
在一些实施例中，该叠加图像可以是突出显示图案，以及其中，指示所述PCB上要执行所述任务所在的位置包括将所述叠加图像投影到所述PCB以突出显示所述PCB上的元件。
附图说明
为了更好地理解本发明的多种实施例，并且示出如何实现这些实施例，现在将通过举例的方式参考附图。示出了本发明的结构细节，提供了对本发明的基本理解，结合附图进行描述，本领域技术人员易见到如何在实践中实施本发明的多种形式。图中：
图1是根据本发明实施例用于辅助印刷电路板(PCB)的手动组装的系统的示意图；
图2是根据本发明实施例的系统的示意图，其中示出投影文本消息；
图3是根据本发明实施例的系统的示意图，其中示出指示布线路径；
图4是根据本发明实施例的系统的光学单元的示意图；
图5是根据本发明实施例的系统的示意图，其中示出接收存储器盒；
图6是根据本发明实施例的系统的示意图，其包括视频显示器；
图7是根据本发明实施例的系统的示意图，其包括顶部安装的视频显示器；
图8是根据本发明实施例的系统的示意图，其中示出指示PCB朝向；
图9是根据本发明实施例的用于辅助印刷电路板(PCB)的手动组装的系统的交互式系统的示意图；以及
图10是根据本发明实施例的用于辅助印刷电路板的手动组装的过程的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种用于提高数据中心的强大效率的方法。下面描述本发明的说明性实施例。为了简明起见，不一定描述了实际实施方案的所有特征或部件。附图中特征化的实施例和/或限制是出于方便或清晰的目的来选择的，并不意味着限制本发明的范围。
图1是根据本发明实施例用于开发、组装和/或测量PCB的系统100的示意图。该系统为组装或测试PCB的操作员提供操作员操作所在的PCB元件或区域的可视指示器。
该系统包括若干基本部件。基座102提供放置PCB 104(例如，“待测器件”或DUT)的表面。在基座上方是光学单元106，其安装或以其他方式固定到投影臂108。光学单元包括摄像头110和投影器114。摄像头110捕获PCB 104和/或基座102的数字图像，并向处理器提供摄像头信号，该摄像头信号可以包括多个图像或实时视频信号。投影器114接收图像或视频信号(下文称为“投影图像”)，然后将其投影到PCB和/或基座上。摄像头和投影器与一个或多个处理器通信，该处理器处理摄像头信号并生成投影图像，正如下文进一步描述的。
如图所示，投影器可以投影包含突出显示图案122的图像，其突出显示板上的一个或多个元件。突出显示可以提供围绕待执行工作所在的区域的可视“围栏”，或者可以提供对工作重要的附加指示。例如，突出显示可以根据要安装或测试的元件的类型进行颜色编码，或者可以指示反映元件类型的形状。下面描述由系统100提供的其他类型的投影图像。
在PCB上作业的操作员，通常组装或测试PCB，一般将选择要工作的电路板的元件或区域。然后，处理器生成适合的投影图像，该投影图像“照亮”PCB的正确区域上的突出显示图案，以帮助操作员定位元件或区域。如下所述，操作员可以在执行组装和/或测试的任务的同时指定要突出显示的元件或区域。备选地或附加地，可以根据操作者具体作业的元件，由存储的组装或测试计划预设所突出显示内容的规范。
所示的还有该系统的输入/输出(I/O)端口126，其可以是例如USB或以太网端口，用于接收输入和生成输出，正如下文进一步描述。这些端口可以如所示的位于光学单元中，或者位于在投影器臂或基座中。备选地或附加地，该系统可以通过无线装置与外部通信。
图2是根据本发明实施例的系统100的示意图，其中示出投影上述的突出显示图案122和文本消息132。如图所示，突出显示图案122被投影到PCB上，而文本消息132被投射到基座上，靠近突出显示的元件。可以控制文本的朝向，例如可以使之朝向面对操作员的方向上。在又一些实施例中，操作员可以选择是将文本投影到板上还是基座上。
文本消息132作为由上述处理器生成的投影图像的一部分被投影。(在所示的示例中，投影成像包括突出显示图案122和文本消息132。)给定示例中的文本消息显示要在给定(突出显示的)位置安装或测试的元件的类型，在本例中为“C1＝10μF”。换言之，该文本向操作员指示有关元件本身的有用信息。在又一些实施例中，文本消息可以是对系统的操作员的指令，例如组装指令和测试指令的步骤。例如，测试指令可以是要执行的测试的类型指示。
图3是根据本发明实施例的系统100的示意图，其中示出指示布线或配线路径。如图所示，在PCB 140上，由投影图案142指示用于布置缆线或线束的路径。
图4是根据本发明实施例的光学单元106的示意图。光学单元包括摄像头110和投影器114。该摄像头可以包括缩放镜头110，用于提供包括PCB上的元件位置的PCB区域的高分辨率放大图像。缩放可以由处理器控制，以增强给定位置的图像的分辨率。还可以修改投影器视野以适应不同的分辨率。在一些实施例中，摄像头和/或投影器还包括自动对焦测距仪。摄像头分辨率通常被配置为足以使处理器能够区分电路板上的元件，以便确定是否已安装元件。投影仪可以采用任何已知的投影技术，例如基于数字微镜器件(DMD)半导体芯片的数字光处理(DLP)或硅基液晶(LCoS)技术。
系统100通常包括嵌入式处理器，其可以与位于光学单元中的控制板146组装在一起。下文结合图10的流程图，进一步描述处理功能。所示的还有I/O端口126，下文图5和图9进一步描述
图5是根据本发明实施例的系统100的示意图，其中示出接收存储器盒150。如图所示，可以将存储器盒插入如上图4中所示的I/O端口126的其中之一中。通常，存储器盒提供待组装或待测试的给定PCB相关的组装指令和/或PCB版图和材料账单(BOM)数据。所提供的数据可以由处理器使用，以确定要突出显示的板的位置以及要向操作员显示的文本或指令。
图6是根据本发明实施例的系统100的示意图，其包括放大视频显示器200。如上所述，投影器114在PCB上指示电路板的位置，具有突出显示，指示操作员在哪里执行开发、组装或测试的工作。还可以将附加文本投影在在PCB上或附近。此外，放大视频显示器200可以从处理器接收正在执行工作所在的区域的放大图像202。即，在放大镜视频显示器200上显示的图像202可以是由相机110捕获的PCB的突出显示位置的实时视图，其是图像或图像的一部分。放大视频显示器200可以与系统100中分离，或者可以安装在“基座”或“侧部”。
图7是根据本发明实施例的系统100的示意图，其包括顶部安装的放大视频显示器300。顶部安装的视频显示器被配置成光学单元106的一部分，其屏幕朝上，从而与图像202一样，将放大的图像302呈现给操作员。如图所示，当顶部安装的放大视频显示器被安装时，投影器臂108可以更短(即，光学单元可以定位得更低)，因为操作员会同时看到顶部安装的视频显示器和PCB。顶部安装的放大视频显示器300的附加特征是：它还可以向操作员显示文本消息304，例如可以投影到PCB和/或基座上的上述文本消息132。与突出显示的PCB位置的放大图像相结合的文本显示的特征也可以通过上述视频显示器200提供。顶部安装的或非顶部安装的放大视频显示器结合系统100使用，投影器可以是可选的。即，放大的图像302可以包括突出显示图案的叠加图像，其指示待组装或待测试元件的位置。如果不使用投影器，处理器则将叠加图案与摄像机图像合并，并将合并的图像传输到放大视频显示器。
图8是根据本发明实施例的系统100的示意图，其中示出指示PCB朝向400。投影器可以被配置为指示放置PCB的位置和朝向。备选地或附加地，处理器可以接收PCB的图像并且通过找到印刷在PCB上的基准点或者通过识别PCB的其他特征，例如边缘或元件特征，对准PCB的位置。处理器将电路板的物理位置与存储在处理器可访问的存储器中的电路板的代表性版图进行对位。
图9是根据本发明实施例的用于辅助PCB的手动组装和测试的交互式系统600的示意图。上述系统100可以连接到外部计算机系统602，该外部计算机可以是例如大型计算机、个人台式计算机、膝上型计算机、平板电脑和智能电话。系统的部分或全部处理可以由如上所述的嵌入式处理器来执行或由外部计算机系统来执行，外部计算机系统可以通过如上所述的无线或有线方式连接到系统100。通常，系统600是交互式的，使得处理器在工作站显示器604上提供例如PCB的逻辑电路原理图606的视图。这样使操作员能够选择(即“请求”)用于测试或组装的元件，从而利用如鼠标608和键盘610的交互设备进行选择。工作站显示器还可以显示例如操作员可以交互地选择要操作的元件所在的PCB版图或BOM。工作站显示还可以显示投影器可投影的指令或部分信息，如上所述。
图10是根据本发明实施例的用于辅助印刷电路板(PCB)的手动组装的过程1000的流程图。
在步骤1020中，向处理器提供有关待组装或待测试的PCB的数据。该数据通常包括电路板版图和物料清单，指示PCB上的元件及其在PCB上相对于基准点或其他特征，例如板的边缘或角部的位置。然后，系统100的摄像头捕获放置在系统100基座上的PCB局部或全部的摄像头图像。这可以通过提供恒定视频流的摄像机自动执行，使得处理器可以识别PCB的放置。然后处理器通过应用PCB的基准点或边缘或其他已知特征将PCB的摄像头图像与存储的版图进行比较，以生成PCB的物理位置与PCB版图之间的对位，使得元件在PCB上相对于基座的物理位置能够得以确定。
在步骤1022中，处理器可以接收用于针对该PCB要执行的任务的PCB工作清单。这些可以是装置指令，例如安装元件、布线缆线等的任务。备选地，它们可以是要对一个或多个元件执行的一组测试的指令。然后，处理器可以将该工作清单与通过扫描摄像头图像确定的已安装元件列表相关联，以确定例如组装工作清单中哪些任务已经完成(即，元件已被安装)以及哪些任务仍需要完全。处理器可以确定工作清单上尚未完成的第一组装任务是现在要执行的任务。将该任务与电路板上要执行组装所在的位置相关联。
备选地，处理器可以从上述交互式工作站上的操作员接收应测试或操作(例如，更换)的元件的指示。该指示可以在显示PCB原理图的交互式显示器上进行。然后，处理器可以根据操作员指示的元件，从PCB版图确定要操作的元件的物理位置。
一旦确定PCB上的物理位置，则在步骤1024中，处理器生成叠加图像以可视地指示PCB上要执行任务所在的位置。然后可以将叠加图像投影到PCB上，或者可以将其与摄像头图像合并并且显示在放大镜视频屏幕上或两者兼有。
在步骤1028中，处理器还可以向叠加图像添加到附加特征来投影或显示，以指令和/或元件细节，例如元件值(例如，电容器值)。
在步骤1030中，操作员可以例如通过勾选交互式显示器上列出的指令来指示任务已完成。当操作员的工作按工作清单指导进行时，例如对于组装项目，处理器则可以确定要执行的下一个任务，并将其呈现给操作员，并迭代地继续，如箭头1040所示。处理器还可以分析新的摄像头图像以确定任务已完成(例如，元件已安装)。处理器还可以收集统计数据，例如操作员的任务执行速。处理器还可以维护各个PCB的完成日志记录，以便在工作被停止的情况下，开始后续工作时可以知悉已完成的情况。可以注意到，对于任务执行率的统计数据，系统还可以在数小时、数天等时间段上比较操作员任务执行情况。
如果基座上有PCB的任何移动发生，则过程1000迭代地继续到通常过程1000的第一步骤，如箭头1040所示，对PCB重新对位。
实现上述方法的系统可以是用于PCB设计和测试的商业产品的插件或升级或改装，例如用于存储和处理元件数据库和CAD图纸的软件程序。
本文描述的系统的处理部件可以采用数字电子电路或计算机硬件、固件、软件或其组合的形式来实现。这些部件可以作为计算机程序产品来实现，有形地包含在例如非瞬态机器可读存储设备的信息载体中，例如由数据处理装置，例如可编程的数据处理装置、计算机来执行或控制其操作，或部署成位于一个位置或跨多个位置的多个计算机上执行。软件和数据的存储器存储可以包括一个或多个存储单元，包括一种或多种类型的存储介质。存储介质的示例包括但不限于磁介质、光介质和诸如只读存储器设备(ROM)和随机存取存储器(RAM)之类的集成电路。网络接口模块可以控制数据分组在网络上的发送和接收。与系统和过程相关联的方法步骤可以重新排列和/或可以省略一个或多个这样的步骤以达到与本文描述的相同或相似的结果。
应当理解，上文描述的实施例是通过举例来引述的，并且本发明不限于上文具体示出和描述的内容。

Claims (17)

1.一种用于辅助印刷电路板(PCB)的手动组装的系统，包括：
摄像头，其朝向设为捕获所述PCB的局部或全部的摄像头图像，以及
处理器，其包括具有指令的存储器，所述指令被执行时执行如下步骤：根据所述摄像头图像，确定所述PCB的物理位置与PCB版图之间的对位；接收要在所述PCB的元件上执行的PCB任务清单；根据所述对位和所述工作清单，确定所述PCB上要执行任务所在的位置；以及响应性地生成叠加图像以可视地指示所述PCB上要执行所述任务所在的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，要执行的所述任务是将元件组装在所述PCB上给定的位置处。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括：投影器，其被配置为接收所述叠加图像并将所述叠加图像可视地投影到所述PCB上。
4.根据利要求1所述的系统，还包括放大视频显示器，以及其中，所述处理器还被配置成生成所述叠加图像与所述摄像头图像的合并图像，并且将所述合并图像呈现在所述放大视频显示器上。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，在所述放大视频显示器上呈现的所述合并图像的所述摄像头图像是所述PCB中包括要执行所述任务所在的位置的区域的实时放大图像。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述摄像头位于所述PCB上方的光学单元中，以及其中，所述放大视频显示器位于所述光学单元的顶部以便从上方查看。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还被配置成识别所述摄像头图像中所述PCB的元件，以将所识别的元件与所述PCB工作清单中的元件关联，以确定所述PCB上不存在的元件，并且响应性地确定要执行的任务。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，要执行的任务包括将所述元件安装在所述PCB上。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述叠加图像还包括与所述元件相关的文本。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述叠加图像还包括与所述任务相关的待执行指令的文本。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器是位于所述系统的基座、投影仪臂体或光学单元中的一个或多个中的嵌入式处理器。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述摄像头包括缩放镜头，用于提供包括所述PCB上要执行所述任务所在的位置的PCB区域的高分辨率放大图像。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器还被配置成记录所述任务的完成时间并且响应性地确定操作员任务执行的统计信息。
14.一种用于辅助印刷电路板(PCB)手动测试的系统，包括：
摄像头，其朝向设为捕获所述PCB的局部或全部的摄像头图像；
处理器，其包括具有指令的存储器，所述指令被执行时执行如下步骤：确定所述摄像头图像与所述PCB的原理图之间的对应关系；响应性地接收标识示意性位置的定位请求；响应性地确定所述原理图位置在所述PCB上的物理位置；以及响应性地生成叠加图像以可视地指示所述PCB上的所述物理位置。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括交互式显示器单元，以及其中，所述处理器还被配置成在所述交互式显示器单元上呈现逻辑电路原理图，所述操作者可以从所述逻辑电路原理图中选择所述原理图位置。
16.一种用于辅助手动组装具有一个或多个处理器和存储器的印刷电路板(PCB)的基于计算机的方法，所述存储器包括当由所述一个或多个处理器执行时使所述处理器实现所述方法的指令，包括：
使用摄像头捕获所述PCB的局部或全部的摄像头图像；
根据所述摄像头图像，确定所述PCB的物理位置与PCB版图之间的对位；
接收要在所述PCB的元件上执行的PCB任务清单；
根据所述对位和所述工作清单，确定所述PCB上要执行任务所在的位置；以及
响应性地生成叠加图像以直观地指示所述PCB上要执行所述任务所在的位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述叠加图像是突出显示图案，以及其中，指示所述PCB上要执行所述任务所在的位置包括将所述叠加图像投影到所述PCB以突出显示所述PCB上的元件。
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