精密电子组装中的机器视觉和运动控制技术

1、目录一、研究背景二、技术三、视觉检测四、控制系统五、中心介绍一、研究背景应用背景：各种片式元器件组装到PCB或将片贴到封装基板印刷：焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘（丝印机）贴片：将表面组装元器件准确安装到PCB的固定位置（贴片机）焊接：将焊膏融化，使表面组装元器件与PCB板牢固粘接（回流焊炉）检测：在贴装和回流焊后对PCB进行质量检测（AOI、AXI）贴片机-电子信息制造业需求量最大的关键工作母机没有贴片机就没有天！等便携式电子产品的今发展趋势：尺寸：两极方向发展（从200 x 125 mm到0、05）间距：引脚数不断增加、引线间距不断缩小（QFP:0.25mm;BGA:0.2mm;CSP:0

2、.05mm）类型：多元化（各种LED器件、柔性板、罩、能电池）技术：模块化、封装/组装/插件、节能环保(无铅化)装备特点：高速、高精度、多元化发展的三大关键装备之一国内发展概况：长期依赖进口淘汰技术和设备！国内发展概况：辅助设备已实现量产：回流焊炉:风华、东莞科隆威、日东等、丝印机：东莞、东莞科隆威、风华等光学检测设备：东莞神州视觉、振华、启东日联等关键设备全自动贴片机，前仆后继！80年代：21所、无专厂、交大、微电子装备所先后搞过五次，停留在科研项目鉴定90年代：支持2所、7所开展SMT研发，停留在科研项目鉴定2000年：熊猫电子、广州羊城、交大，先后中断运等正在启动贴片机研制项目华南理工大

3、学与风华高科：系列机型已实现小批量！症结问题：大环境问题：存在许多缺口，型电子制造大国。政府：整个产业长期得不到国家层面的支持与重视。国际竞争：国际知名电子企业参与竞争、技术进步一日千里。技术瓶颈问题技术难度高：光机电、自动化、计算机、光学等交叉产业要求高：数控装备、熟练技工、装配、测试、市场投入大：研发投入大、可靠性需投入数千万元测试教育问题教育：教育与生产脱节，整个SMT行业严重缺乏。技工： 国外产品一统天下，需要熟练的外语，SMT技工奇缺质量： SMT工艺水平差导致终端产品质量差、返修率高发展机遇：市场需求依然旺盛：高速机型：随、笔记本电脑、数码相机和汽车音响等稳定增长中高速机：随中小企

4、业机型：随LED、需求急剧增长能电池、柔性电路板、罩等成为新增长点国外产品也满足不了生产要求需求：非标器件：LED、能电池及FPC、罩等各种非标准器件高端：各种极大规模集成电路倒装、3D封装等微型元件：各种微型化元件（01005及以下尺寸）文章标题：世界工厂优势不再建设SMT强国势在必行建设SMT强国的基础金融海啸挡不住中国SMT强国的步伐怎样才算SMT强国建设SMT强国的四件大事：一定要在建设SMT强国的进程中有作为培养是重中之重SMT企业要坚持创新SMT行业和谐合作“和为强”二、技术转塔式贴片机结构动臂式贴片机结构多工作站贴片机结构精密机械设计特点转塔式：贴装头数在12个以上，产能每小时2

5、5万片；适用尺寸小、引脚简单、 精度低场合动臂式：贴装头数一般为28个，产能每小时0.52万片；可贴装各种尺寸和封装形式的元器件；质检、定位通过高速视觉系统，且采用飞行换嘴技术工作站：多模块或多机型并行组装，产能每小时510万片：高速高精度视觉检测技术多目标动态视觉信息获取与预处理多目标识别、优化和定位算法及实现自适应照明系统设计多轴运动控制技术基于视觉的多轴运动建模及简化多轴运动/力协调控制及优化喂料、检测与贴装过程的并行处理技术精密零设计与加工喂料器、组装头、吸嘴的设计与加工精密丝杠设计及加工 安装、测试工艺及标准系列表面贴装和检测设备实现系列高端贴装设备系列X光学检测设备关键零研制研制研

6、究方法及技术路线：贴装设备X光检测设备精密机械设计多轴运动控制技术高速高精度机器视觉检测与定位多目标机器视觉 信息获取与预处理循序渐进的规划瞄准中高端SMT装备，逐步实现建设SMT装备研发、制造和应用强国！研究进展：8/4/2头系列机型：各种机型生产销售120 2004年国家重点新产品，创造直接经济效益6000万2008年中国SMT创新成果奖技术专利占国内3/4）技术创新点（全软硬件系统设计自适应光源系统多视觉检测/多轴控制视觉系统贴插技术技术团队：精密电子制造装备教育部工程省高校产学研结合示范联合自动化所、东南大学等优量三、视觉检测图像与处理系统设计：目的：获得PCB及元器件的基本信息，并进

7、行贴装校准难点：高速动态及识别同样硬件下处理种类繁多的缺陷检测和！PCB及高密度大尺寸化、片式元器件日益微型化！移动示教系统：贴装头、采用面阵CCD元件拾取位置参数示教：喂料器、托盘系统元件拾取位置示教PCB板校准及示教：PCB参考点、Mark点、元件贴装位置示教贴装质量检测：元件贴装完成后贴装效果检查前台多视觉系统：前台机架、线阵CCD、高速运动和校准。检测：从形状、长宽尺寸判断吸取元件类型是否正确；检测管脚数是否符合；判断管角排列有无异常弯折、太靠近或短路等。及计算8个吸嘴上所吸取元件的位置偏移及角度偏差。校准：多视觉系统：功能：主要用途与前台机架、2k像素/线以上的高分辨率CCD机系统相

8、同。特点：处理大尺寸IC、异形件等（宽度最大60mm以下的各类元器件）方式：线阵与面阵CCD结合图像线阵CCD可直接大尺寸长条形的元件图像如长宽为128x35mm区域的图像一般不超过120ms。而面阵CCD在相同物距的情况下，可视范围只能达到30mmx30mm，必须分多次或采用多个面阵CCD同时，因此不适合处理长条形大尺寸器件面阵CCD不能直接面阵CCD四次大尺寸元件图像为一张完整的才能进一步作图像校准。但一般面阵CCD的图像的边缘部分会出现变形失真，导致拼合后的性价比：出现拼合处图像失真，继而会影响计算出来的数据。线阵CCD价格高且是运动采图，如果采用恒速采图的方案，则要求必须保证电机在采图

9、时的速度波动小于1时，而面阵CCD失真较少。采图线阵CCD两种采图方式的比较：恒速采图方式：器件运动速度控制精度必须小于1，否则会带来图像变形 变形的图像 正常的图像速度误差在+1%时，角度误差有0.20.3速度误差在+0.1%时，角度误差有0.020.03行同步变速采图方式：将伺服电机编码盘信号与线阵CCD行触发信号同步，可使采图不受器件运动速度波动的影响，也可提高速度。LED光源系统：常用选型： CCS公司产品环形侧光源LDR-120B （图中外圈的大光源）适用于大尺寸的QFP、BGA、CSP等元件的照明低角度环形光源LDR-50B （图中内圈的小光源）适用于小尺寸的CHIP、二极管、三极

10、管等元件的照明自适应光源：研发自适应调整两个光源照明亮度，获得各类不同元件的最佳图像效果几种常用元器件图像比例缩放存在角度偏转原始图像对焦.存在旋转，缩放物体移动图像处理算法：目的：检测对象类型、质量、位置信息特点：多任务、高速、高精度、运动协调步骤：预处理、识别难点：1、元件封装种类繁多：常见有CHIP、SOIC、QFP2、元件尺寸变化范围大：从最小01005(0.4mm x3、定位精度高：及各种异形元器件等。0.2mm )到最大128mmx60mm 的器件。要求XY轴误差0.08mm, 角度误差0.084、要求高：多引脚元件引脚反光效果存在差异、运动过程不同步及并行，要求算法鲁棒性高因此，

11、需要针对各种封装的特点设计多种算法。预处理：目的：将贴装元件准确地从图像的背景中分割出来方法：A)阈值法设定灰度阈值，然后将各像素灰度值与其比较，分为两类B)区域法选取点，再将像素周围的相似像素合并区域C)边缘法检测不同区域间的边缘来解决图像分割问题D)分水岭法把灰度图像视为地形表面，每个像素灰度值为该点海拔高度,每个局部极小值及影响区域称为集水盆，其边界形成分水岭。MATROX公司MIL7.0图像库模板匹配算法角度识别精度评估表样板旋转的角度（度）测量所得的角度（度）角度误差（度）模板匹配几何模板匹配模板匹配几何模板匹配000.0280.100.168-0.10.040.500.603-0.

12、50.075101.037-10.009555.07700.04910109.87200.1560.10-0.1530.10.0810.50-0.6020.5-0.1310.185-0.9921.1850.0025-5-4.98100.00910-10-9.96200.01识别算法：目的：定位待贴元器件的几何中心、旋转角度、规格尺寸、引脚质量等。例如对于BGA类的主要需要识别以下信息：判断吸取类型是否正确；计算球形引脚数、面积是否符合要求；计算位置偏差、角度偏差。方法：模板匹配法设定标准模板，然后进行匹配！计算量大、耗时！结合快速B) 几何矩法变换等提高速度！利用HU氏矩关于平移、缩放、旋转等

13、的不变性质，提取特征进行匹配！C) 矢量匹配法利用四元数理论，对RGB图像进行识别可靠性和速度！四、控制系统工作流程：目的：高速喂料、吸取、运动校正、高精度贴装难点：高速喂料、高速高精度贴装、多目标协调优化多轴运动控制电气系统设计：研制电气控制系统：上位系统下位控制、通讯、系统的设计与编制；的设计与编制；高速运动算法、模板识别与匹配、运动协调与优化算法等子系统的研制与程序实现；图像与数字图像处理送料系统的运动控制;人机界面设计;各控制机间的数据传输；控制机与其他设备的数据通讯；系统结构设计；电气原理设计。电气系统总体设计：各模块功能：程序控制系统：所有基于硬件的实现人机交互主控中心：工控机及监

14、视器，人机交互界面及键盘输入输出PC104ADIO子处理主要进行模数转换、I/O处理和功能控制高精度伺服运动控制系统：通过两块四轴伺服运动控制卡，实现X、Y、Z、W、R、PU轴的运动控制图像包括PCB与处理系统：机、前台线阵头、面阵头系统PC104子处理系统设计：三个PC104子处理系统通过串口RS485与上位机通讯，分别实现以下功能：A板子处理系统：，采用半双工通讯方式主要是对前台50个喂料器、指示灯及LED光源的控制B板子处理系统：主要是对PCB板传送带及H板子处理系统：50个喂料器控制对贴装头各嘴气压值检测及吸片、贴片、换嘴控制运动控制系统（主要包括位置、同步控制）设计：一般位置控制：主

15、要包括X、Y、R、Z、PU、W轴的半闭环位置运动控制同步控制：采用了运动控制卡一个通道同时控制两个电机的方式来解决左右电机的同步问题。实践证明这种方式优于运动控制卡电子齿轮指令的同步控制方式。系统设计：系统通讯系统示教系统智能调整服务系统包括检测对象的样板库生成、数据生成、数据综合、示教处理、规则生成系统、智能模板识别与匹配算法、纠偏处理、上料控制、高速运动控制、检测与运动间的任务协调、开停机处理、故障判定与、系统状态分析、打印输出、子系统设计和集成。指导等所有五、精密电子制造装备教育部工程研究中心中心介绍2007年7月建设，2007年12月正式启动目前国内重点大学唯一面向该领域的部属工程中心

16、定位：面向精密电子封装和组装领域的技术创新、成果转化和培养依托学院：自动化学院、机械与汽车、电子信息学院微电子所中心架构：（研发、培养）华工主校区广州南沙中试精密电子制造工程（筹建中）风华长期合作企业日联科技（无锡、）、肇庆宏华、惠州华阳、广州电气装备做我国SMT装备和产学研合作的排头兵！突破涂覆测试等壁垒、推进LED等新型产业发展！主要项目1.2011年产业LED专项“大功率LED模组生产工艺及成套设备”，已省新兴通过立项，与华阳、微电子所合作。2.2009年，下达2009年专项“高端全自动表面贴装成套装备研发及”省教育部产学研：912220500017, 250万，。3.省院合作重点项目“新型元器件全自动封装引线焊接设备研制和。省中试”, 技术4.2008年国家自然科学基金重点项目“面向精密电子组装生产线的关键视觉检测与优化控制问题研究”，下达：60835001，210万，。5.6.2007年2005年全自动光学检测设备”，技术。省粤港关键领域重点突省粤港关键领域重点突破招标项目“全自动键合机”，下达：TC05B372