JP4829701B2 - 部品実装機のカメラスケーリング取得方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品をプリント基板に実装する部品実装機において、部品認識カメラのスケーリング値を取得する方法に関する。

従来から、部品供給装置から供給される電子部品を搭載ヘッドの吸着ノズルで吸着し、搭載ヘッドを回路基板に移動させて、電子部品を回路基板に搭載する部品実装機が知られている。部品吸着時に吸着ズレが発生すると、精度ある搭載が行われないので、吸着された電子部品を部品認識カメラで撮像し、その画像処理により求められる部品中心と吸着角度に基づき搭載位置を補正して、部品実装を行っている。

部品中心と吸着角度を求める部品認識は、部品認識カメラのスケーリング値（１画素あたりの実サイズ：ピクセルレートともいう）を求めて行われるので、正確な部品搭載には、正確なスケーリング値を取得する必要がある。

この実装装置においてカメラスケーリング値を取得する方法として、予め２つの円の芯間の距離が把握されている治具をカメラによって撮像し、その画像を処理して２つの円の芯間の画素数を求めてスケーリング値を取得する方法、あるいは、特許文献１に開示されるように、治具を上下左右４方向に移動して、画像認識を行い認識座標からスケーリング値を取得する方法が知られている。
特許第３５２１００１号公報

しかしながら、従来の電子部品実装装置においてスケーリング値を取得する方法では、カメラ組み付け時の傾きやカメラＣＣＤ面のあおり等の影響を考慮していなかった。このため、視野内におけるスケーリング値に誤差が発生しているために、小型高機能化・高密度実装化の要求に応じられないという問題が生じている。

従って、本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、部品実装機において部品認識精度を高めることができるカメラスケーリング取得方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明は、
部品実装機のカメラスケーリング取得方法であって、
複数のパターンが形成された治具をカメラで撮像し、
前記撮像されたパターンの少なくとも一つのパターンが視野エリア内に撮像されるように、カメラ視野を複数の視野エリアに分割し、
各視野エリア内のパターン画像を処理して各視野エリアごとにスケーリング値を算出し、保存することを特徴とする。

本発明によれば、分割したカメラ視野エリア内における個々のスケーリング値を参照できるので、高精度で部品電極の実座標を測定することができ、部品の認識精度を向上させることができる。

以下、図面に示す実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明が用いられる部品実装機１の概略正面図で、図２は、その制御系のブロック図である。図１において、部品実装装置１には、部品供給部から供給される電子部品（不図示）を吸着する吸着ノズル３を装着した搭載ヘッドユニット２が設けられており、この搭載ヘッドユニット２は、ＸＹ駆動ユニット４によりＸ軸及びＹ軸方向に移動される。搭載ヘッドユニット２には、ＣＣＤカメラなどにより構成される基板認識カメラ５が固定されており、この基板認識カメラ５は、電子部品が搭載される基板（不図示）、あるいは、後述するように、部品実装機１のベースフレーム上設置されたカメラスケーリング取得用の治具６を撮像する。また、部品実装機１のベースには、吸着ノズル３により吸着された電子部品あるいは治具６を撮像するＣＣＤカメラなどにより構成される部品認識カメラ８が固定される。

ＸＹ駆動ユニット４は、図２に示されたように、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどで構成されるコントローラ１０の制御に基づいて駆動されるＸ軸モータ１１およびＹ軸モータ１２を備えている。搭載ヘッドユニット２は、Ｘ軸モータ１１、Ｙ軸モータ１２により駆動されてＸＹ方向に移動する。また、搭載ヘッドユニット２に取り付けられた吸着ノズル３は、コントローラ１０の制御に基づいて駆動されるＺ軸モータ１３により上下方向に昇降され、またθ軸モータ１４により吸着軸を中心に回動する。

画像処理装置１７は、ＣＰＵ１７ａ、メモリ１７ｂ、Ａ／Ｄ変換器１７ｃなどで構成され、基板認識カメラ５で撮像された基板の画像を処理して、基板の位置を検出し、また、部品認識カメラ８で撮像された電子部品の画像を処理して部品認識を行い、部品の中心位置や吸着傾きを取得する。

また、画像処理装置１７は、基板認識カメラで撮像された治具６の画像を処理して治具６の位置を検出するとともに、吸着ノズル３で吸着された治具６の画像を処理して部品認識カメラ８のスケーリング値を取得する。

また、部品実装機１には、部品データを入力するためのキーボード１５、マウス１６などの入力装置が設けられ、これらの入力されたデータは、ハードディスク、フラッシュメモリなどで構成される記憶装置１８に格納される。また、部品実装機１には、モニタ１９が設けられ、このモニタ１９の画面には、基板認識カメラ５で撮像された基板や治具、並びに部品認識カメラ８で撮像された電子部品や治具の画像などが表示できるようになっている。

このような部品実装機１において、基板認識カメラ５により撮像された基板の画像が処理されて基板認識が行われる。また、部品供給部から供給される電子部品は、吸着ノズル３により吸着された後、部品認識カメラ８上に移動して部品認識カメラ８により撮像され、その画像が画像処理装置１７により処理され、部品認識が行われる。コントローラ１０は、基板認識並びに部品認識結果に基づいて、記憶装置１８に記憶されている部品搭載位置を補正し、電子部品を基板上の正しい位置に搭載する。

このような部品実装機を用いた部品実装において、部品認識カメラ８が、ＸＹ平面に水平に取り付けられておらず、あおり角の影響で視野内においてスケーリング値（一画素あたりの実サイズ）に誤差が生じることがある。このような場合には、高精度の部品認識が保証されないので、本発明では、治具６を用いて部品認識カメラのスケーリング値を取得して部品認識を行う。

以下に、部品認識カメラのスケーリング値を取得する方法を説明する。

図３には、スケーリング値を取得するための冶具６が詳細に図示されている。治具６は、たとえば、矩形形状の透明な薄いガラス基板で形成されており、その面には、２つの位置決め用マーク６ａ、６ｂ、それに多数の横ライン６ｃ並びに縦ライン６ｄが等間隔にグリッド状のパターンとして描画され、それにより縦横のラインで形成される正方形のパターン６ｅが複数形成される。マーク６ａ、６ｂの位置、それに各ライン６ｃ、６ｄのライン位置、各ライン幅などは、予め正確に測定されている。また、マーク６ａ、６ｂの形状は、円形状であっても十字状であってもよく、また、マーク、グリッドパターンの認識を良好に行うために、各マーク６ａ、６ｂ、各ライン６ｃ、６ｄは銀色で描画されている。

スケーリング値の取得は、図５の流れに従って行われる。まず、スケーリング取得用冶具６を所定位置に配置し（ステップＳ１）、Ｘ軸モータ１１およびＹ軸モータ１２を駆動して搭載ヘッドユニット２に取り付けられた基板認識カメラ５を治具６のマーク６ａ上に移動する（ステップＳ２）。

次に、基板認識カメラ５により、マーク６ａを撮像し、画像処理装置１７によりマーク６ａの画像を処理して重心を算出する。続いて、同様にマーク６ｂを撮像してその重心を求め（ステップＳ４、Ｓ５）、各マーク６ａ、６ｂの重心から治具６の中心位置とその傾きを算出する（ステップＳ６）。

続いて、搭載ヘッドユニット２に吸着ノズル３を装着し、吸着ノズル３を算出した治具６の中心位置に移動させ、Ｚ軸モータ１３を駆動して下降させ治具６を吸着する（ステップＳ７）。そして、θ軸モータ１４を駆動して、算出した角度に従って治具の傾きを補正し、治具６を部品認識カメラ８上に移動する（ステップＳ８）。

続いて、不図示の照明光源を点灯して治具６を照明し、部品認識カメラ８により治具６を撮像する（ステップＳ９）。この治具６の画像が図４に図示されており、部品認識カメラ８の視野３０内に治具６の画像６’が写し出されている。６ａ’、６ｂ’はマーク６ａ、６ｂの画像、６ｃ’、６ｄ’はライン６ｃ、６ｄの画像であり、カメラ視野３０は、３×３の９つの視野エリア３０ａ〜３０ｉに分割されている。視野３０は、各分割された視野エリア内にそれぞれ少なくとも一つのパターン６ｅがパターン画像６ｅ’として撮像されるように、複数の視野エリアに分割される。従って、３×３以外の分割パターンにすることもできる。重要なことは、分割された個々の視野エリアにおいて、正確なスケーリング値が取得できるように、カメラ視野を所定数の視野エリアに分割することである。

図６に示したように、例えば、分割により得られた視野エリア３０ｅには、２本の横ライン６ｃの画像６ｃ’と、２本の縦ライン６ｄの画像６ｄ’からなるパターンがパターン画像６ｅ’として撮像されている。公知の方法を用いてこのパターン画像のＸ方向エッジＥ１、Ｅ２を検出し、各検出したエッジの平均値を求めてエッジＥ１、Ｅ２のＸ座標Ｘ１、Ｘ２から、エッジＥ１、Ｅ２間の画素数を求める。エッジＥ１、Ｅ２間の実距離は予め分かっているので、ピクセルレート、つまりスケーリング値に対応する（エッジ間距離）÷（エッジ間の画素数）を算出する。同様に、Ｙ方向についても、パターン画像６ｅ’のエッジＥ３、Ｅ４を検出し、エッジＥ３、Ｅ４のＹ座標Ｙ１、Ｙ２を求め、Ｙ方向のピクセルレートを求める。

上述の処理を、各視野エリア３０ａ〜３０ｄ、３０ｆ〜３０ｉについて行い、各視野エリア３０ａ〜３０ｉごとに求めたＸ方向とＹ方向のスケーリング値を、メモリ１７ｂあるいは記憶装置１８に保存する。

以上の処理がステップＳ１０の処理である。

実際に、電子部品を基板に搭載する場合には、保存した視野別のスケーリング値を用いて部品認識を行う。搭載ヘッドユニット２は、ＸＹ駆動ユニット４により部品供給部に移動する。そして、部品供給部から供給される電子部品を吸着ノズル３により吸着し、その後部品認識カメラ８上に移動する。部品認識カメラ８上で、電子部品が部品認識カメラ８により撮像される。

例えば、電極４０ａ、４０ｂ、４０ｃを備えた電子部品４０が部品認識カメラ８により視野３０内に撮像された状態が図８に示されている。電極の実座標を求めるには、画素のピクセルレートが必要となる。

図７には、任意の画素Ｐのピクセルレートを求める方法が図示されている。図７において、画素Ｐは、例えば視野エリア３０ａに存在しているとする。画素Ｐのピクセルレートを求めるとき、視野エリア３０ａとその近傍の３つの視野エリア３０ｂ、３０ｄ、３０ｅのピクセルレートを参照する。なお、画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、視野エリア３０ａ、３０ｂ、３０ｄ、３０ｅの中心画素で、そのピクセルレートは、保存されている各視野エリアのピクセルレート（スケーリング値）を用いる。

各中心画素間を結ぶ線ＡＢ、線ＡＣ、線ＡＤを引き、線ＡＢ、線ＡＣおよび線ＡＤに、画素Ｐから垂線を引いて交点Ｂ’、交点Ｃ’および交点Ｄ’を求め、これら３つの交点と画素Ａとの距離、画素Ａと各画素Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’との距離の比から各交点についてそれぞれピクセルレートを算出する。

例えば、交点Ｂ’のピクセルレートは、
（画素Ａのピクセルレート）＋（（画素Ｂのピクセルレート）−（画素Ａのピクセルレート））×（線分ＡＢ’間の長さ／線分ＡＢ間の長さ）
の式に従って算出する。

同様に、交点Ｃ’に対して画素Ａ、Ｃに基づいてピクセルレートを算出し、交点Ｄ’に対して画素Ａ、Ｄに基づいてピクセルレートを算出し、これら交点Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’から得られる３つのピクセルレートの平均値を画素Ｐのピクセルレートとする。この画素Ｐのピクセルレートは、それぞれのＸ、Ｙ方向について求められる。

このように、任意の画素のピクセルレートが算出できるので、図８に示したように、例えば電極４０ａの近傍の画素Ｐのピクセルレートを図７に示した方法で算出する。また、画素Ｑはカメラの視野中心の画素で、この画素を基準として実座標を算出する。画素Ｑのピクセルレートとしては、メモリ１７に保存されている視野エリア３０ｅのピクセルレートを用いる。そして、画素Ｐと画素Ｑの各ピクセルレートの平均値を求め、この平均値と画素ＰＱ間のＸ方向画素数を乗算することにより電極４０ａのＸ方向実座標を算出し、また該平均値とＰＱ間のＹ方向画素数を乗算することにより電極４０ａのＹ方向実座標を算出する。ここで、実座標とは、例えば単位がｍｍなど機械で扱える座標である。

同様に、他の電極４０ｂ、４０ｃについてもそのＸ、Ｙ方向の実座標を求め、これら求めた電極座標から部品中心と傾きを求める。

なお、治具６に形成されるパターンは、図３に示したようなグリッド状のパターンではなく、サイズ、パターン間の距離が既知の複数のパターンであれば、任意のパターンとすることができる。例えば、図９に示したような複数のマーク６０ａからなる複数のパターン６０ｂを描画した治具６０を用いることができる。この場合には、カメラ視野は、少なくとも一つのパターン６０ｂが分割された視野エリア内に撮像されるように分割される。各マーク６０ａの重心を取得し、そのマーク重心間の画素数から各視野エリア内のスケーリング値を取得する。

部品実装機の概略構成を示す正面図である。 部品実装機の制御系の構成を示すブロック図である。 スケーリング取得用冶具の構成を示す平面図である。 カメラ視野を分割する状態を示した説明図である。 カメラのスケーリング値を取得する方法を示したフローチャートである。 視野エリアのスケーリング値の取得を説明するための説明図である。 任意の画素のスケーリング値の取得を説明するための説明図である。 部品の電極の実座標を算出する状態を説明した説明図である。 スケーリング取得用冶具の他の構成を示す一部破断した平面図である。

符号の説明

２ 搭載ヘッドユニット
３ 吸着ノズル
４ ＸＹ駆動ユニット
５ 基板認識カメラ
６ 治具
８ 部品認識カメラ
１７ 画像処理装置
３０ カメラ視野

Claims (1)

1. 部品実装機のカメラスケーリング取得方法であって、
   複数のパターンが形成された治具をカメラで撮像し、
   前記撮像されたパターンの少なくとも一つのパターンが視野エリア内に撮像されるように、カメラ視野を横方向の複数の線及び縦方向の複数の線によって複数の視野エリアにグリッド状に分割し、
   各視野エリア内のパターン画像を処理して各視野エリアごとにスケーリング値を算出して保存し、
   各視野エリアのスケーリング値を各視野エリアの中心に存在する中心画素のスケーリング値とみなし、
   各画素ごとのスケーリング値を特定するためにスケーリング値の特定対象である目標画素が存在する視野エリア及びその前記横方向に隣接し、且つ、前記目標画素から最も近い視野エリアの２つの視野エリアの中心画素のスケーリング値と、これら２つの中心画素から前記目標画素までの前記横方向の距離の比率と、に基いて前記目標画素のスケーリング値の前記横方向の成分を按分比例により算出し、
   前記目標画素が存在する視野エリア及びその前記縦方向に隣接し、且つ、前記目標画素から最も近い視野エリアの２つの視野エリアの中心画素のスケーリング値と、これら２つの中心画素から前記目標画素までの前記縦方向の距離の比率と、に基いて前記目標画素のスケーリング値の前記縦方向の成分を按分比例により算出し、
   更に、前記目標画素が存在する視野エリア及びその斜め方向に隣接し、且つ、前記目標画素から最も近い視野エリアの２つの視野エリアの中心画素のスケーリング値と、これら２つの中心画素から前記目標画素までの前記斜め方向の距離の比率と、に基いて前記目標画素のスケーリング値の前記斜め方向の成分を按分比例により算出し、
   前記目標画素のスケーリング値の前記横方向の成分、前記縦方向の成分及び前記斜め方向の成分の平均値を前記目標画素のスケーリング値として算出することを特徴とする部品実装機のカメラスケーリング取得方法。

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