CN114867231A - 一种基于计算机视觉的在pcb层压热熔中防止层错的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于计算机视觉、软件工程、视频图像处理，能通过摄像机获取的视频图像，可以自动识别PCB层压热熔中板材的编号，保证按照设置顺序叠放，防止层错。一种在PCB层压热熔中防止层错的系统，其特征在于：所述系统包括视频图像采集系统、数据处理系统及检测报警系统；所述视频图像采集系统包括一台CCD数字摄像机，并通过总线从摄像机里实时获取PCB层压热熔中放置板材动态的视频图像，并将视频图像传输给数据处理系统；所述数据处理系统负责视频数据的处理，识别的结果与设置的板材叠放顺序作对比,可以识别重复放板，错误放板，少放/多放等错误，并将对比结果给检测报警系统；所述检测报警系统，在发生叠放错误的时候发出报警声响并阻断设备加工命令，在正确的时候保证加工设备正常运行；创造性地使用机器视觉运动检测方法识别人工放板过程，对普通传感器不宜检测的放板过程提出了新的解决途径。

Description

一种基于计算机视觉的在PCB层压热熔中防止层错的系统
技术领域
本发明属于计算机视觉、软件工程、视频图像处理，能通过摄像机获取的视频图像，可以自动识别PCB层压热熔中板材的编号，保证按照设置顺序叠放，可以识别重复放板，错误放板，少放/多放等错误，防止线路板生产工艺中的层错。本发明涉及一种防错系统，尤其是涉及基于计算机视觉的在PCB层压热熔中防止层错的系统。
背景技术
PCB线路板，又称印刷电路板，是重要的电子部件,是电子元器件的支撑体,也是电子元器件电气相互连接的载体，它的设计主要是版图设计。采用电路板的主要优点是大大减少布线和装配的差错，提高了自动化水平和生产劳动率，按照线路板层数可分为单面板、双面板、四层板、六层板以及其他多层线路板。
在常规的热熔制板工艺流程中，使用高热使半固化片熔化而将所有内层芯板及半固化片粘结在一起，由于所有内层芯板柔软易变形的特点，通常是人工进行叠放的操作，叠放过程将设置有不同层数数字的PCB板及PP板交替叠放以形成组合层，并保证各PCB板及PP板的板边对齐，层别顺序正确。由于人为因素，会发生PCB板叠放顺序不正确而导致电路板报废。多层线路板在制造过程中，在制造设备上需要对多层线路板的层数进行检测，保证出货产品的质量。
除了在生产过程中会产生人为的叠放错误外，由于PCB上设置的数字较小，生产中人工通过肉眼观察数字时，也会容易产生视觉疲劳。
目前还没有在市面上见到有相关解决方案。本文的研究是在数字图像视频处理和识别技术的基础上，为线路板生产工艺提供一种自动化程度更高、速度更快、更准确可靠的识别与检测方法。本系统对线路板生产工艺中的视觉信号进行处理，完成图像采集、图像转换、结果显示、叠放顺序对比和错误报警等操作，实现线路板生产常规热熔制板工艺过程的自动化。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种常规的热熔制板过程中识别检测PCB板叠放顺序的系统。其具有方便检测PCB线路板叠板过程，保证出货产品质量的效果。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
在基于数字图像视频处理和识别技术的基础上，我们为常规的热熔制板过程中识别检测PCB板叠放顺序搭建了一个系统。本系统对生产工艺中视觉信号进行处理，完成图像采集、图像转换、结果显示和错误报警等操作，可以识别重复放板，错误放板，少放/多放等错误，实现了线路板生产常规热熔制板工艺过程的自动化。
一种在PCB层压热熔中防止层错的系统，其特征在于：所述系统包括视频图像采集系统、数据处理系统及检测报警系统；所述视频图像采集系统包括一个CCD 数字摄像机，并通过总线从摄像机里实时获取PCB层压热熔中放置板材动态的视频图像，并将视频图像传输给数据处理系统；所述数据处理系统负责视频数据的处理，识别的结果与设置的板材叠放顺序作对比, 可以识别重复放板，错误放板，少放/多放等错误，并将对比结果给检测报警系统；所述检测报警系统，在叠放错误的时候发出报警声响并阻断设备加工命令，在正确的时候保证加工设备正常运行。
我们的基于计算机视觉的在PCB层压热熔中防止层错的系统由以下三个部分构成：硬件系统、软件系统、报警系统。软件系统主要功能是对生产工艺中的视频图像进行分析，并且给出识别结果。硬件系统是为了采集生产工艺的图像视频数据并给软件系统提供运行支撑。报警系统部分是当有错误发生时提供图像和声音的提示。
识别检测PCB板叠放顺序的系统硬件方面由图像采集的数字摄像头、处理图像及IO逻辑的工控机、控制摄像头升降的气缸、与设备PLC和气缸电磁阀信号交互的远程IO模块和电磁阀、物料检测及工作位置检测的传感器及相关的机械固定和调整部件组成。
数字摄像头采用普通工业相机，其区别于工业智能相机，只进行图像的采集而不处理，处理工作由软件完成，可以实现更加灵活复杂的运算处理，其安装在由气缸带动的机械工装上，与工控机通过Rj45以太网电缆链接传输视频图像数据。
远程IO模块用于扩展工控机的输入输出接口，与工控机物理上用Rj45以太网电缆连接，通过工业以太网Modbus tcp协议进行按钮开关和传感器的输入的采集、输出电磁阀和继电器信号控制相应的执行机构。与按钮开关、传感器、气缸电磁阀和继电器用物理接线实现电气连接。
由于设备有两层工作位置，工业摄像头是定焦距摄像头，需要一个执行机构移动摄像头到不同的检测位置。气缸安装在设备本体上，用于摄像头到达设备上下层物料检测位置，气缸行程通过气缸限位调整，与台面高度一致。与电磁阀通过气管连接，实现动力来源。
物料检测传感器安装在放板平台上，用于检测工作台上是否有物料；工作台位置检测传感器安装在原设备工作台侧面，用于指示当前放板过程的工作台面，该传感器直接影响气缸的位置；传感器与远程IO模块通过电气连接。
软件采用微软公司的C++开发工具Visual C++开发，其具有集成开发环境，软件方面有显示当前采集图像的图像窗口，多种电路板检测的参数设置，有当前加工PCB的层数选择区域，检测过程中图像处理的参数设置，检测成功与否的标志和下张板号指示等信息。软件分工作线程和图像处理线程。
软件中当前采集图像的图像窗口，可以较大的显示PCB上设置的数字，生产中人工通过肉眼观察数字时，不易产生视觉疲劳。
图像处理线程用于图像的处理，通过以太网从工业摄像头获取到当前图像，首先进行运动检测判断是否是放板过程，如果是则发送运动消息。否则通过物料检测传感器发送是否有物料消息。获取的图像经过前期的图像处理，判断感兴趣区域ROI（region ofinterest）中是否有板号信息，如果有则发送板号消息，否则发送识别错误消息。
工作线程在收到图像处理线程的消息后，经过滤波确定多次的检测结果是否一致，如果不一致只更新UI。每张板的检测都需要由放板过程开始，然后与设置中的板号作对比，如果错误则触发报警，否则进行下张板的检测。当设置中所有的板子都检测完成了，可以触发远程IO使继电器动作，原设备“开始”按钮的回路接通使设备可以正常工作；否则当有重复放板，错误放板，少放/多放等错误时继电器不动作，原设备“开始”按钮回路断开，设备不能正常工作。
综上所述，本发明的有益技术效果为：
1 . 在基于数字图像视频处理和识别技术的基础上，提供了在常规的热熔制板过程中识别检测PCB板叠放顺序的系统，可以识别重复放板，错误放板，少放/多放等错误，保证出货产品的质量。
2 . 降低生产中人工通过肉眼观察PCB上的板号数字产生的视觉疲劳。
附图说明
下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明的进一步理解，与说明书一起用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限制。
图1为本检测系统硬件拓扑图。
图2为本检测系统软件界面图。
图3为本检测系统软件PCB设置界面图。
图4为本检测系统软件的图像处理线程流程图。
图5为本检测系统软件的工作线程流程图。
具体实施方式
为了达到上述目的，图1是示出一种常规的热熔制板过程中识别检测PCB板叠放顺序设备的硬件拓扑图。
识别检测PCB板叠放顺序的设备硬件方面由数字摄像头、处理图像及IO逻辑的工控机、控制摄像头升降的气缸、与设备PLC和气缸电磁阀信号交互的远程IO模块、电磁阀、物料检测的传感器、继电器及相关的机械固定和调整部件组成。
数字摄像头采用普通工业相机，其区别于工业智能相机，只进行图像的采集而不处理，处理工作由软件完成，可以实现更加灵活复杂的运算处理，用于采集现场加工过程的图像数据，安装在由气缸带动的机械工装上，通过Rj45以太网电缆连接把视频图像数据传送给工控机。
为了与PLC和传感器交换数据，工控机需要使用远程IO模块，远程IO模块与工控机物理上用Rj45以太网电缆连接，通过工业以太网协议Modbus tcp进行输入、输出信号的采集。与设备PLC和气缸电磁阀用物理接线实现电气连接。与按钮开关、工作台面安装的检测物料有无的接近开关传感器、气缸电磁阀和继电器用物理接线实现电气连接。
由于工作台面有两层，，工业摄像头是定焦距摄像头，需要一个执行机构移动摄像头到不同的检测位置。采用气缸安装在设备本体上，用于摄像头到达设备上下层物料检测位置。与电磁阀通过气管连接，实现动力来源。
物料检测传感器安装在放板平台上，用于检测台面上是否有物料。可以指示一个完整的工作循环，其与远程IO模块通过电气连接。工作台位置检测传感器安装在原设备工作台侧面，用于指示当前放板过程的工作台面，该传感器直接影响气缸的位置。
为了达到上述目的，图2是示出一种常规的热熔制板过程中识别检测PCB板叠放顺序设备的软件界面图，软件由功能强大的Visual C++开发。
界面上有显示当前采集图像的图像窗口，图像中PCB板上的板号文字清晰可见，可以大大减轻生产中人工通过肉眼观察数字时产生的视觉疲劳。
界面上有多种电路板检测的参数设置，如图2所示，可以任意设置电路板加工中的总体层数，各层需要识别的板号，其中PP板为0，其他大于0的整数为实际板号（100用于运动检测），如图3所示。
界面上有当前加工PCB的层数选择区域，在生产开始前需要确认该参数与实际加工物料一致。
界面上有检测过程中图像处理的参数设置，比如滤波参数，检测区域ROI范围等。
界面上有检测成功与否的标志和下张板号指示等信息，用于提示操作员当前的工作状态。
为了达到上述目的，图4是示出一种常规的热熔制板过程中识别检测PCB板叠放顺序设备的图像处理线程流程图。
图像处理线程通过以太网从工业摄像头获取到当前图像，如块102所示，块104首先进行运动检测判断是否是放板过程，如果是则块106发送运动消息100。
在检测放板的顺序中，需要识别每一次的板号，如果没有标志位断开检测，设备可能对相同的图像做出重复的判断，进而出现重复放板报警。该放板过程目前暂无传感器或其他更好的手段来解决。
该发明创新地使用视觉运动检测用于识别人工放板，并设置相应的标志位。在每一张板子检测之前，都需要相应的放板过程标志位有效。通过加入运动检测，有效解决非正常的重复放板报警。
运动检测通过连续采集的两幅图像来实现，通过对比两幅图像中每一个像素的灰度值，通过一个对比准则产生一个区域。
如果
Figure 805296DEST_PATH_IMAGE001
为上一幅图像相应像素的灰度值，
Figure 29604DEST_PATH_IMAGE002
为当前图像相应像素的灰度值，如果满足如下条件，该像素就属于生成的区域，其中
Figure 28784DEST_PATH_IMAGE003
为对比准则设定的阈值。
Figure 313135DEST_PATH_IMAGE005
或
Figure 912612DEST_PATH_IMAGE007
如果通过上述方法产生的区域的面积大于设定值，就认为是在运动中，即处于放板过程。
块108通过物料检测传感器发送是否有物料消息，如果有物料，则进行后面的字符识别过程；否则不进行字符识别过程，块112发送无物料消息。
由于在设置窗口中设置的ROI通常是个倾斜的平行四边形，需要对该区域的图像进行变换成矩形才能进行识别工作。块110获取的图像经过前期的滤波，坐标变换等图像处理。
通常的坐标变换由平移变换和旋转变换组合而成。
下式为所采用的平移变换矩阵：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
下式为所采用的旋转变换矩阵：
Figure 878294DEST_PATH_IMAGE011
块114通过模式匹配，判断感兴趣区域ROI（region of interest）中是否有板号信息，如果有块120则发送板号消息，否则块122发送识别错误消息-1。
工作线程在块102收到图像处理线程的消息后，经过块104滤波确定多次的检测结果是否一致，如果不一致块116只更新软件UI。
每张板的检测都需要由放板过程块106开始，然后块108与设置中的板号作对比，如果错误则块112触发报警，通过远程IO使蜂鸣器发出报警声，否则进行下张板的检测。当设置中所有的板子数量都检测完成了，块114可以触发远程IO使串接在原设备“开始”按钮回路的继电器动作，原设备“开始”按钮的回路接通，设备可以进行正常的压合作业；否则当有重复放板，错误放板，少放/多放等错误时继电器不动作，原设备“开始”按钮回路断开，设备不能正常工作。
与现有技术相比，本发明包括：公开了一种常规的热熔制板过程中识别检测PCB板叠放顺序系统，可以识别重复放板，错误放板，少放/多放等错误报警；实现了系统的硬件拓扑结构和软件开发；硬件系统没有采用主流的PLC作为控制系统，而是使用了功能更为强大的工控机，这样可以把图像视觉处理和工作逻辑集成在一个控制器中，提高系统的集成度；实现了工控机与远程IO之间的Modbus tcp通讯协议；拓展了目前机器视觉主要分析当前图像的做法，没有采用工业智能相机，而是采用普通工业相机，用软件对图像流作整体分析，系统创造性地加入动态放板过程识别，对普通传感器不宜检测的放板过程提出了新的解决途径；使用模式匹配的方法检测电路板的板号，使得检测更加准确，对外在环境如灯光等干扰不敏感；系统接入了原设备的“开始”按钮信号，只使用一个继电器串接在原加工设备的“开始”按钮回路中，实现对原设备的干预功能，对原设备改造少，最大保证了原设备的稳定运行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于计算机视觉的在PCB层压热熔中防止层错的系统，其特征在于：所述系统包括视频图像采集系统、数据处理系统及检测报警系统；所述视频图像采集系统包括一个CCD数字摄像机，并通过总线从摄像机里实时获取PCB层压热熔中放置板材动态的视频图像，并将视频图像传输给数据处理系统；所述数据处理系统负责视频数据的处理，识别的结果与设置的板材叠放顺序作对比, 可以识别重复放板，错误放板，少放/多放等错误，并将对比结果给检测报警系统；所述检测报警系统，在叠放错误的时候发出报警声响并阻断设备加工命令，在正确的时候保证加工设备正常运行。
2.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的在PCB层压热熔中防止层错的系统，其特征在于：系统加入动态放板过程识别，对普通传感器不宜检测的放板过程提出了新的解决途径。
3.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的在PCB层压热熔中防止层错的系统，其特征在于：使用模式匹配的方法检测电路板的板号，使得检测更加准确，对外在环境如灯光等干扰不敏感。
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