基于PC机器视觉的贴片机视觉对中应用研究
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贴片机的视觉系 统就是一 个典型 的机器视 觉系统, 其 中包 括图像采集系统、图像处理部分、通信和 I /O 部分以及输入输出 和执行机构等。图 像采 集系 统由光 源、镜头 (加 滤光 片 )、摄 像 机、图像采集卡等组成。图 像处理部 分包括 图像处 理硬件 和图 像处软件 (如图 2所示 )。下面介绍采用的关键部件。
1 贴片机吸件系统
吸件系统虽然只 是贴片机 的一部 分, 但 是它在 贴片机 中的
收稿日期: 2006 - 10- 17 作者简介: 徐剑飞 ( 1981 ) , 男, 广西桂林人, 硕士, 主要从事 SMT 焊点 3D 信息智能识别与检测, 贴片 机机器视 觉和运动 控制等项 目的开 发和 研究 工 作; 周 德 俭 ( 1954 ), 男, 浙 江 金 华 人, 博 士 生 导 师; 林 卓 强 ( 1956 ) , 男, 香港人, 高级工程师。
由于贴片机系统 伺服电机 启停频 繁的特殊 情况, 在贴 片机 系统工作过程中会产 生大量的 干扰, 并且会 由于电 源的不 稳定
和伺服电机的快速启停产 生电磁 干扰, 导致电 压的不 稳定和 对 I/O 信号的干扰。为了 应对 贴片机 这一 特殊 情况, 普通 的光 源 由于电压不稳定或闪烁问 题, 会导致图 像采集 系统的 成像质 量 下降。所以在设计过程中选用了使用稳压电源的 LED 光源。
在贴片机吸件系统视觉调校中采用的主要是 图像获取和图 像畸变校正和图像定 位。在贴片 机的视 觉对中 调校中, 主要 运 用定位。
( 上接第 81页 )
图 6 程控接收机实验测试波形图
经实验测试证明, 该程 控接收机 达到实 际应用 所要求 的基 参考文献:
本技术参数, 可对滤波带宽和增益全数字化控制, 满足检测和处 理算法中定量能量 检测 的要求。 另外 该设计 采用 有 A /D 的幅 度比较方法对输出信 号进行幅 度检测, 使得 能够实 时处理 并调 整电路增益和带宽, 输出信号幅 度的平 稳度相 对于传 统无 A /D 幅度比较的方 法有 很大 改善, 基 本达 到后 续信 号处 理的 要求。 实现的新型全数字化 带有 A /D 的程 控接 收机在 某被 动定 位系
Abstrac t: P lacem em tm ach ine is a kind of produc tw ith the techno logy o f ligh t, m echan ic and e lectron ics. A placem entm achine v-i sion process ing system based on the PC p latform m ach ine v ision is studied. By us ing the h igh perform ance to price ra tio vision hardw are and H ex sight im age deve lopm ent too ls to ca rry out the second developm ent in . net env ironm en t, the fram ing function is rea-l ized. T he rea l ax es o f the suc tion nozzle in its circling process is fitted by the least square m e thod, then the v ision process ing is obta ined by prog ramm ing the m ig ra tion com pensato ry a lgor ithm. By repeating testing, it is proved that th is v ision process ing system m eets the request of v ision process ing. K ey word s: p lacem entm achine; v ision pro cessing; H ex sight; least square m ethod; m ig ra tion compensatory algor ithm
图 2 贴片机视觉系统与控制系统 2. 1 图像采集卡 M atroxII
M a trox II是高 性能图像 采集 卡, 是 PC 式机 器视 觉、图像 分 析、医学成像和视 频监 控领域 的领 军者 M arox Im ag ing的 产品。 可以采集标准或非标 准模 拟黑白 /分量 RGB 信号, 它 还特 别支 持隔行扫描或逐行扫 描分量 RGB摄像头和单 /双路逐行扫 描黑 白摄像头。 2. 2 贴片机 LED 光源
贴片机是电子时 代提高电子 制造效率 的最重 要的工 具 [ 1]。 但是目前国内对电子 元器件自动贴装的关键技术研究尚处在起 步阶段, 所以在速度和精度 方面与国 外先进 水平相 比有明 显差 距。贴片机之间的差距主要表 现在速度和精度上。而精度上的 差距主要体现在元 器件放 置的位置 和角度 上。所以, 对贴 片机 的吸件系统进行精 密视觉 对中调校 是十分 必要的。 过去, 贴片 机的吸件系统主要是通过机械 对中, 后来发展到激光对中, 现在 贴片机的吸件系统的 主流视觉对 中方式是 机器视 觉 [ 1] , 本 研究 就是基于某一贴片 机的吸 件系统做 视觉对 中应用 研究。目前, 国内的贴片 机研 究也 在如 火如 荼地 进行 [ 2] , 但 是由 于基 于 PC 机器视觉的常规对中 算法的速 度限制, 使得 贴片机 的总体 速度 受到一定约束。 本研 究就 是要 在最 大可 能提 升贴 片机 的识 别 率, 提高视觉对中的速度和稳定性。
偏移补偿算法
的关系, 否则可 能出现计算的 偏移补偿 与实际 的方向 相反的 情 况。 4. 3 吸嘴中心调校
贴片机视觉对中操作 中, 由 于吸起 的元器 件是围 绕吸嘴 中 心旋转, 在计算 偏移量时必须 用到吸嘴 的中心 坐标数 据作为 计 算参数。所以, 吸嘴中心调校 是非常 必要的 环节。又由 于吸 嘴 旋转过程中其轴心不可能 完全与 相机同 轴, 吸 嘴旋转 过程中 吸 嘴中心可能出现在类似椭圆的曲线上, 为了使误差最小化, 必 须 采用数学方法, 对吸嘴中心数据作拟合。
[ 1] 周越. 一种船舶辐射噪声自动检测系统的实现 [ J] . 数据采集 与处 理, 1999, ( 3) .
[ 2 ] 于洋. 基于 D SP 的水雷引信硬件系统设计研究 [ J] . 探测与控 制学 报, 2006, ( 3) .
[ 3 ] 谢剑英. 微型计算机控制技术 [ M ] . 北京: 国防工业出版社, 2006. [ 4 ] 魏小 龙. M SP430 系列单 片机 接口 技术 及系 统设 计实 例 [ M ] . 北
由于吸嘴的特殊结构, 要采集到便于分析的图像, 还需要 一 个低角度环形的光源结构, 可以使光打到元器件的背部, 从而 获 得清晰的元器件的轮廓图像, 便于后续分析。 2. 3 折射镜
由于贴片机吸件系统结构, 不能直接地获取其图像, 所以 采 用折射镜, 通过移动镜头的办法来采集图像。当吸取元器件时, 镜头移动 到一侧, 当吸取完 成后, 镜头移动 到吸嘴下部, 对其 进 行图像采集, 采集完成后再移动到一侧。
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测控技术 2007年第 26卷第 7期
基于 PC 机器视觉的贴片机视觉对中应用研究
徐剑飞 1, 周德俭1, 林卓强 2
( 1. 桂林电子科技大学 机电交通工程系, 广西 桂林 541004; 2. 深圳市科新自动化设备有限公司, 广东 深圳 518031)
摘要: 贴片机是集光、机、电一体化技术的产物。针对某贴片机进行基于 PC机器 视觉的贴 片机的视觉 对中应用研 究, 选 用 高性价比的视觉 硬件, 采用 H ex sight图像开发包在. NET 环境下进 行二次开发 实现图像 定位功能, 利用最 小二乘 法拟合 出 吸嘴旋转过程中 实际轴心, 并编写偏移补偿算法最终实现视觉对中。经过反复 测试, 证明该视觉对中方法达到视觉对中 的 要求。 关键词: 贴片机; 视觉对中 ; H exs ight; 最小二乘法; 偏移补偿算法 中图分类号: TP391; TN 307 文献标识 码: A 文章编号: 1000- 8829( 2007) 07- 0082- 04
地位不容忽视 [3] 。吸件 系 统采 用真 空吸 附方 式将 元器 件通 过 真空吸嘴吸住, 然后通过伺服电机调整元器件的角度, 使之可 以 准确放置到目标位置。整个吸件过程较复杂, 如图 1所示。
图 1 吸件系统示意图 IPC( 工控机 )通过 I/O 控 制单 元控 制 电磁 阀, 而电 磁阀 可 以控制气道的转换, 从而可以控制执行 机构 ( 气动元件 )进行 动 作。而控制伺服电机主要是通过运动控制单元。而位置的检 测 主要是通过传感器, 如位置传感器, 真空传感器等。
( 1. D ept. of E lectron icM ach inery and T raffic Eng ineering, G u ilin U n iversity of E lectron ic T echnology, G u ilin 541001, Ch ina; 2. Forsure A dvan ced A utom ation LTD, Sh enzh en 518031, Ch in a)
The V ision P rocessing System of the P lacem entM achine Based on the PC P latform M achine V ision
XU Jian-fe i1, ZH OU D e-jian1, D ennis C. K. LAM 2
京: 北京航空航天大学出版社, 2002.
统中得到成功应用。
84
测控技术 2007年第 26卷第 7期
4 视觉对中
通过对贴片机的 结构理解, 提出 了一套 实用、稳定、快 速并 且开发周期短的视觉 对中方法。主要流程如图 3所示。
元器件图像采集
图像标定 (校正畸变 ) 坐标系转换
吸嘴中心调校
元器件定位
在本研究中, 吸嘴中心可 以使用 V S. N ET 环 境编程 并定 位 得到。通过每次旋转吸嘴 36 , 旋转 360 后得到 10组吸嘴中 心 数据。利用这 10组数据拟合出一个圆, 此圆的圆心作为最后 计 算的吸嘴中心数据。如图 4所示。
运动控制 (实现对中操作 )
图 3 视觉对中流程图 视觉对中主要包括如下 5方面, 分别是图像采集标定, 坐标 系转换, 吸嘴中心调校, 元器件 定位和偏移补偿算法。它们构成 了贴片机视觉对中的 核心部分。 图像标定的 目的 是将 图像 采集 过程 中产 生的 畸变 校正 过 来。坐标系转换 主要 是将 计算 坐标 系和 实际 坐标 系做 一个 调 整, 使计算结果符合实际情况。 定位主 要通过. NET 对 H ex sight 做二次开发, 利用 H ex sight强大的功能实现定位识 别高精度、高 效率和低开发周 期。偏移 补偿 算法 是 XY 方向 的补 偿算 法, 在 贴片机吸取元器件运行过程中 , 会产生元器件偏心的情况, 偏移 补偿算法就是要对偏 心的具体数值做出计算 [ 6] 。 4. 1 元器件图像采集和相机标定 [ 5] 在贴片机视觉系 统中, 通 过图像 采集模 块来实 现图像 的采 集。图像畸变是在图像采集过程中由于 镜头的变形和工作环境 因素等问题产生的图像失真的 现象, 出现这种现象后, 必须通过 标定来使图像最大限 度地恢复真实。 在贴片机视觉对 中调校矫 正中, 采用 畸变矫正。 通过 标准 化的标定纸, 图像处理计算各个圆点之间的距离, 找出发生畸变 的区域, 采用差补的办法使图像恢复真实形态。 在此计算过程中, 由于知道标准化的标定纸的尺寸参数, 就 可以得到图像像素和毫米单位 的比例。把图像恢复到真实形态 并不是最终目的, 最终目的 是求出图 像像素 和伺服 电机控 制脉 冲的关系。在调试中, 根据螺距和运动控制单元的数据, 定出像 素和脉冲比例为:
3 H exs ight二次开发
机器视觉系统之所以 可以进 行如人 系统般的 采集、分析 与 测量, 所依据的就是复杂的图像处理算法, 图像识别算法。经 过 大量的视觉工程师的 努力, 形成了 很多实 用的视 觉开发包 。而 H exS ight就是其中比较优 秀的成 果之一。 H exS ight的特 点是 精 度高, 识 别 速度 快, 对 环境 光线 等 干扰 不敏 感, 检 测 可靠 性 极 高 [ 5] 。H exSight软件包含一 个完整 的底 层机 器视觉 函数 库, 利 用 V isual Studio6. 0、V isual Stud io . N ET 或 Bo rland Deph i等支 持 A ctiveX 空间、COM 组件的平台方便地进行二次开发。
2 贴片机机器视觉系统结构
机器视觉就是用机器 代替人 眼来做 测量和判 断, 而机器 视 觉系统就是指通过机器视觉产品将被摄入目标转 化为图像数字
基于 PC机器视觉的贴片机视觉对中应 用研究
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化信号: 图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征, 进而根据判别的结果 来控制现场的设备动作 [ 4] 。
1 贴片机吸件系统
吸件系统虽然只 是贴片机 的一部 分, 但 是它在 贴片机 中的
收稿日期: 2006 - 10- 17 作者简介: 徐剑飞 ( 1981 ) , 男, 广西桂林人, 硕士, 主要从事 SMT 焊点 3D 信息智能识别与检测, 贴片 机机器视 觉和运动 控制等项 目的开 发和 研究 工 作; 周 德 俭 ( 1954 ), 男, 浙 江 金 华 人, 博 士 生 导 师; 林 卓 强 ( 1956 ) , 男, 香港人, 高级工程师。
由于贴片机系统 伺服电机 启停频 繁的特殊 情况, 在贴 片机 系统工作过程中会产 生大量的 干扰, 并且会 由于电 源的不 稳定
和伺服电机的快速启停产 生电磁 干扰, 导致电 压的不 稳定和 对 I/O 信号的干扰。为了 应对 贴片机 这一 特殊 情况, 普通 的光 源 由于电压不稳定或闪烁问 题, 会导致图 像采集 系统的 成像质 量 下降。所以在设计过程中选用了使用稳压电源的 LED 光源。
在贴片机吸件系统视觉调校中采用的主要是 图像获取和图 像畸变校正和图像定 位。在贴片 机的视 觉对中 调校中, 主要 运 用定位。
( 上接第 81页 )
图 6 程控接收机实验测试波形图
经实验测试证明, 该程 控接收机 达到实 际应用 所要求 的基 参考文献:
本技术参数, 可对滤波带宽和增益全数字化控制, 满足检测和处 理算法中定量能量 检测 的要求。 另外 该设计 采用 有 A /D 的幅 度比较方法对输出信 号进行幅 度检测, 使得 能够实 时处理 并调 整电路增益和带宽, 输出信号幅 度的平 稳度相 对于传 统无 A /D 幅度比较的方 法有 很大 改善, 基 本达 到后 续信 号处 理的 要求。 实现的新型全数字化 带有 A /D 的程 控接 收机在 某被 动定 位系
Abstrac t: P lacem em tm ach ine is a kind of produc tw ith the techno logy o f ligh t, m echan ic and e lectron ics. A placem entm achine v-i sion process ing system based on the PC p latform m ach ine v ision is studied. By us ing the h igh perform ance to price ra tio vision hardw are and H ex sight im age deve lopm ent too ls to ca rry out the second developm ent in . net env ironm en t, the fram ing function is rea-l ized. T he rea l ax es o f the suc tion nozzle in its circling process is fitted by the least square m e thod, then the v ision process ing is obta ined by prog ramm ing the m ig ra tion com pensato ry a lgor ithm. By repeating testing, it is proved that th is v ision process ing system m eets the request of v ision process ing. K ey word s: p lacem entm achine; v ision pro cessing; H ex sight; least square m ethod; m ig ra tion compensatory algor ithm
图 2 贴片机视觉系统与控制系统 2. 1 图像采集卡 M atroxII
M a trox II是高 性能图像 采集 卡, 是 PC 式机 器视 觉、图像 分 析、医学成像和视 频监 控领域 的领 军者 M arox Im ag ing的 产品。 可以采集标准或非标 准模 拟黑白 /分量 RGB 信号, 它 还特 别支 持隔行扫描或逐行扫 描分量 RGB摄像头和单 /双路逐行扫 描黑 白摄像头。 2. 2 贴片机 LED 光源
贴片机是电子时 代提高电子 制造效率 的最重 要的工 具 [ 1]。 但是目前国内对电子 元器件自动贴装的关键技术研究尚处在起 步阶段, 所以在速度和精度 方面与国 外先进 水平相 比有明 显差 距。贴片机之间的差距主要表 现在速度和精度上。而精度上的 差距主要体现在元 器件放 置的位置 和角度 上。所以, 对贴 片机 的吸件系统进行精 密视觉 对中调校 是十分 必要的。 过去, 贴片 机的吸件系统主要是通过机械 对中, 后来发展到激光对中, 现在 贴片机的吸件系统的 主流视觉对 中方式是 机器视 觉 [ 1] , 本 研究 就是基于某一贴片 机的吸 件系统做 视觉对 中应用 研究。目前, 国内的贴片 机研 究也 在如 火如 荼地 进行 [ 2] , 但 是由 于基 于 PC 机器视觉的常规对中 算法的速 度限制, 使得 贴片机 的总体 速度 受到一定约束。 本研 究就 是要 在最 大可 能提 升贴 片机 的识 别 率, 提高视觉对中的速度和稳定性。
偏移补偿算法
的关系, 否则可 能出现计算的 偏移补偿 与实际 的方向 相反的 情 况。 4. 3 吸嘴中心调校
贴片机视觉对中操作 中, 由 于吸起 的元器 件是围 绕吸嘴 中 心旋转, 在计算 偏移量时必须 用到吸嘴 的中心 坐标数 据作为 计 算参数。所以, 吸嘴中心调校 是非常 必要的 环节。又由 于吸 嘴 旋转过程中其轴心不可能 完全与 相机同 轴, 吸 嘴旋转 过程中 吸 嘴中心可能出现在类似椭圆的曲线上, 为了使误差最小化, 必 须 采用数学方法, 对吸嘴中心数据作拟合。
[ 1] 周越. 一种船舶辐射噪声自动检测系统的实现 [ J] . 数据采集 与处 理, 1999, ( 3) .
[ 2 ] 于洋. 基于 D SP 的水雷引信硬件系统设计研究 [ J] . 探测与控 制学 报, 2006, ( 3) .
[ 3 ] 谢剑英. 微型计算机控制技术 [ M ] . 北京: 国防工业出版社, 2006. [ 4 ] 魏小 龙. M SP430 系列单 片机 接口 技术 及系 统设 计实 例 [ M ] . 北
由于吸嘴的特殊结构, 要采集到便于分析的图像, 还需要 一 个低角度环形的光源结构, 可以使光打到元器件的背部, 从而 获 得清晰的元器件的轮廓图像, 便于后续分析。 2. 3 折射镜
由于贴片机吸件系统结构, 不能直接地获取其图像, 所以 采 用折射镜, 通过移动镜头的办法来采集图像。当吸取元器件时, 镜头移动 到一侧, 当吸取完 成后, 镜头移动 到吸嘴下部, 对其 进 行图像采集, 采集完成后再移动到一侧。
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测控技术 2007年第 26卷第 7期
基于 PC 机器视觉的贴片机视觉对中应用研究
徐剑飞 1, 周德俭1, 林卓强 2
( 1. 桂林电子科技大学 机电交通工程系, 广西 桂林 541004; 2. 深圳市科新自动化设备有限公司, 广东 深圳 518031)
摘要: 贴片机是集光、机、电一体化技术的产物。针对某贴片机进行基于 PC机器 视觉的贴 片机的视觉 对中应用研 究, 选 用 高性价比的视觉 硬件, 采用 H ex sight图像开发包在. NET 环境下进 行二次开发 实现图像 定位功能, 利用最 小二乘 法拟合 出 吸嘴旋转过程中 实际轴心, 并编写偏移补偿算法最终实现视觉对中。经过反复 测试, 证明该视觉对中方法达到视觉对中 的 要求。 关键词: 贴片机; 视觉对中 ; H exs ight; 最小二乘法; 偏移补偿算法 中图分类号: TP391; TN 307 文献标识 码: A 文章编号: 1000- 8829( 2007) 07- 0082- 04
地位不容忽视 [3] 。吸件 系 统采 用真 空吸 附方 式将 元器 件通 过 真空吸嘴吸住, 然后通过伺服电机调整元器件的角度, 使之可 以 准确放置到目标位置。整个吸件过程较复杂, 如图 1所示。
图 1 吸件系统示意图 IPC( 工控机 )通过 I/O 控 制单 元控 制 电磁 阀, 而电 磁阀 可 以控制气道的转换, 从而可以控制执行 机构 ( 气动元件 )进行 动 作。而控制伺服电机主要是通过运动控制单元。而位置的检 测 主要是通过传感器, 如位置传感器, 真空传感器等。
( 1. D ept. of E lectron icM ach inery and T raffic Eng ineering, G u ilin U n iversity of E lectron ic T echnology, G u ilin 541001, Ch ina; 2. Forsure A dvan ced A utom ation LTD, Sh enzh en 518031, Ch in a)
The V ision P rocessing System of the P lacem entM achine Based on the PC P latform M achine V ision
XU Jian-fe i1, ZH OU D e-jian1, D ennis C. K. LAM 2
京: 北京航空航天大学出版社, 2002.
统中得到成功应用。
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测控技术 2007年第 26卷第 7期
4 视觉对中
通过对贴片机的 结构理解, 提出 了一套 实用、稳定、快 速并 且开发周期短的视觉 对中方法。主要流程如图 3所示。
元器件图像采集
图像标定 (校正畸变 ) 坐标系转换
吸嘴中心调校
元器件定位
在本研究中, 吸嘴中心可 以使用 V S. N ET 环 境编程 并定 位 得到。通过每次旋转吸嘴 36 , 旋转 360 后得到 10组吸嘴中 心 数据。利用这 10组数据拟合出一个圆, 此圆的圆心作为最后 计 算的吸嘴中心数据。如图 4所示。
运动控制 (实现对中操作 )
图 3 视觉对中流程图 视觉对中主要包括如下 5方面, 分别是图像采集标定, 坐标 系转换, 吸嘴中心调校, 元器件 定位和偏移补偿算法。它们构成 了贴片机视觉对中的 核心部分。 图像标定的 目的 是将 图像 采集 过程 中产 生的 畸变 校正 过 来。坐标系转换 主要 是将 计算 坐标 系和 实际 坐标 系做 一个 调 整, 使计算结果符合实际情况。 定位主 要通过. NET 对 H ex sight 做二次开发, 利用 H ex sight强大的功能实现定位识 别高精度、高 效率和低开发周 期。偏移 补偿 算法 是 XY 方向 的补 偿算 法, 在 贴片机吸取元器件运行过程中 , 会产生元器件偏心的情况, 偏移 补偿算法就是要对偏 心的具体数值做出计算 [ 6] 。 4. 1 元器件图像采集和相机标定 [ 5] 在贴片机视觉系 统中, 通 过图像 采集模 块来实 现图像 的采 集。图像畸变是在图像采集过程中由于 镜头的变形和工作环境 因素等问题产生的图像失真的 现象, 出现这种现象后, 必须通过 标定来使图像最大限 度地恢复真实。 在贴片机视觉对 中调校矫 正中, 采用 畸变矫正。 通过 标准 化的标定纸, 图像处理计算各个圆点之间的距离, 找出发生畸变 的区域, 采用差补的办法使图像恢复真实形态。 在此计算过程中, 由于知道标准化的标定纸的尺寸参数, 就 可以得到图像像素和毫米单位 的比例。把图像恢复到真实形态 并不是最终目的, 最终目的 是求出图 像像素 和伺服 电机控 制脉 冲的关系。在调试中, 根据螺距和运动控制单元的数据, 定出像 素和脉冲比例为:
3 H exs ight二次开发
机器视觉系统之所以 可以进 行如人 系统般的 采集、分析 与 测量, 所依据的就是复杂的图像处理算法, 图像识别算法。经 过 大量的视觉工程师的 努力, 形成了 很多实 用的视 觉开发包 。而 H exS ight就是其中比较优 秀的成 果之一。 H exS ight的特 点是 精 度高, 识 别 速度 快, 对 环境 光线 等 干扰 不敏 感, 检 测 可靠 性 极 高 [ 5] 。H exSight软件包含一 个完整 的底 层机 器视觉 函数 库, 利 用 V isual Studio6. 0、V isual Stud io . N ET 或 Bo rland Deph i等支 持 A ctiveX 空间、COM 组件的平台方便地进行二次开发。
2 贴片机机器视觉系统结构
机器视觉就是用机器 代替人 眼来做 测量和判 断, 而机器 视 觉系统就是指通过机器视觉产品将被摄入目标转 化为图像数字
基于 PC机器视觉的贴片机视觉对中应 用研究
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化信号: 图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征, 进而根据判别的结果 来控制现场的设备动作 [ 4] 。