貼片機(jī)吸取元件后，并不知道取到的元件是否正確，偏移了多少，這樣就需要一套進(jìn)行元件識別和對中裝置。早期的貼片機(jī)是使用的機(jī)械對中裝置，由于其不可靠和容易損傷元件的缺點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)遭到淘汰，目前的貼片機(jī)都使用激光對中或視覺對中。

    針對片式電子元件的管腳越來越密、體積越來越小的發(fā)展趨勢，要想精確地貼裝就必須考慮如下因素：(1)PCB板的定位誤差；(2)元器件的定心誤差：(3)貼片機(jī)本身的運(yùn)動(dòng)誤差。如果將影響貼裝精度的這些因素累積在一起，就難以實(shí)現(xiàn)對細(xì)間距元器件的精確貼裝。單純地用機(jī)械方式對PCB板定位和對元器件定心，不能滿足貼裝細(xì)間距元器件的精度要求。另外，雖然貼裝誤差與機(jī)器本身的運(yùn)動(dòng)誤差緊密相關(guān)，但是，即使機(jī)器本身的運(yùn)動(dòng)精度再高，也難以保證貼裝細(xì)間距元器件的精度要求。幾年前，行業(yè)內(nèi)可接受的精度標(biāo)準(zhǔn)還是0．1 mm(chip元件)和0．05mm(密間距元件)。現(xiàn)在，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)縮減到0．05mm(chip元件)和0．025mm(密間距元件)的趨勢。因此，必須使用機(jī)器視覺系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)這樣高的精度要求。


    1 貼片機(jī)視覺系統(tǒng)


    1.1 貼片機(jī)視覺系統(tǒng)的硬件組成


    視覺系統(tǒng)硬件主要由：動(dòng)攝像機(jī)、靜攝像機(jī)、LED光源、圖像采集卡和工業(yè)PC組成。靜攝像機(jī)用于元件的識別、檢測、對中。動(dòng)攝像機(jī)與貼裝頭本體聯(lián)動(dòng)用于學(xué)習(xí)元器件的貼放位置和取料位置，檢查貼裝效果或質(zhì)量。攝像機(jī)將獲取的圖像傳送到采集卡，由工業(yè)PC控制圖像采集卡完成圖像采集，并將視頻信號與工業(yè)PC輸出的視頻合成后送到顯示器顯示。圖1為貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，圖2為貼片機(jī)視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
              

圖像采集卡捕獲的瞬間動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)由工業(yè)PC做處理后返回結(jié)果給主控程序，完成其它相應(yīng)的控制過程。


    1．2 視覺系統(tǒng)功能


    視覺系統(tǒng)的功能包括兩類：生產(chǎn)功能和標(biāo)定功能，具體內(nèi)容見表1和表2。

1.3 視覺系統(tǒng)的工作流程圖


    軟件執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)源是片式電子元件的數(shù)據(jù)庫和PCB板的PIK文件(以Protel設(shè)計(jì)為例)。元件數(shù)據(jù)庫中包含了元件的所有特征描述值；PIK文件中包含了貼裝元件在PCB板上的坐標(biāo)值。圖3是對元件一次貼裝操作的流程圖，功能是完成對一個(gè)元件的判定、識別與對中。

2 視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型


    2．1 LED光源的設(shè)計(jì)


    隨著光刻技術(shù)的發(fā)展，表面貼裝技術(shù)以及貼裝元件的封裝技術(shù)也迅速發(fā)展，貼片元件的封裝種類達(dá)萬種以上。全視覺貼片機(jī)通過視覺系統(tǒng)對貼片元件進(jìn)行識別、檢測與對中，根據(jù)封裝形式與視覺算法可將貼片元件分為Chip、SOIC、QFP、BGA、ODD5種類型。


    如果采用單一類型的LED光源是很難獲得高質(zhì)量圖像的，將多種類型的LED光源組合并通過計(jì)算機(jī)控制，可以高速、準(zhǔn)確地采集高質(zhì)量的圖像，從而完成快速的貼裝過程。組合光源由3個(gè)可以獨(dú)立控制的光源：低角度光源、側(cè)光源和同軸光源組成。


    由于選用黑白的攝像機(jī)，所以LED發(fā)光二極管選用紅色、高亮度型。表3為元器件與光源的對應(yīng)關(guān)系
                      
2．2視覺系統(tǒng)硬件集成


    (1)選擇CCD應(yīng)當(dāng)考慮以下因素：采用隔行或逐行掃描、幀傳輸速率、分辨率、種同步方式、像素顆粒大小造成的電荷溢出、幀場傳輸間隔、電子快門、最低照度、信噪比、是否具有增益等。


    根據(jù)貼裝速度的要求，在中速貼片機(jī)中可以選用隔行掃描的CCD，尺寸大小為6．4mm×4．8mm，分率辨為768H×494V，電子快門可達(dá)1／10000s，最低照度可達(dá)0．1lx，信噪比(S／N)為56dB。


    (2)選擇鏡頭應(yīng)當(dāng)在確定工作參數(shù)的情況下和CCD相匹配。需要確定以下主要工作參數(shù)：攝像機(jī)的工作距離、視場大小以及鏡頭本身性能參數(shù)可以調(diào)節(jié)的范圍等。動(dòng)、靜攝像機(jī)的工作距離分別為50-100mm和100-200mm，其對應(yīng)的視場分別為20mm×20mm和55mm×55mm。利用以下兩個(gè)公式可以算出鏡頭焦距。
                  
鏡頭的本身性能理論上講應(yīng)當(dāng)是越高越好，即低畸變(<0．1％)，大光圈(可達(dá)1．4)，可以手動(dòng)調(diào)焦，還應(yīng)考慮是否為6．4mm×4．8mm的鏡頭，是否為C接口等匹配問題。


    (3)LED燈也要和鏡頭相匹配，尤其在貼片機(jī)的動(dòng)燈上尤為明顯，這是由于光滑的PCB板反光造成的。理論上，動(dòng)燈最內(nèi)圈的直徑有多大，其映影產(chǎn)生就有多大，因此使攝像頭視場在燈直徑之內(nèi)，可以避免映影在圖像中呈現(xiàn)。

    如圖4所示，如果在θ′范圍內(nèi)，映影處于所攝的圖像之外，即達(dá)到了所能照射的最大區(qū)域：如果攝像頭的視場再大些，達(dá)到θ′包圍區(qū)域，燈罩擋住了部分圖像；如果把攝像頭調(diào)低，達(dá)到夕包圍區(qū)域，映影處于圖像中。 根據(jù)以上的分析，可以確定動(dòng)、靜攝像頭的結(jié)構(gòu)安裝與調(diào)整參數(shù)值，見表4所示。其安裝結(jié)構(gòu)見圖5所示。
              

             
(4)圖像卡與CCD的匹配


    圖像卡的選配應(yīng)該考慮以下功能：數(shù)字和模擬信號處理，標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)信號處理，逐行和隔行信號處理，多通道和單通道處理，彩色和黑白信號處理，軟件匹配等問題。


    在中速貼片機(jī)中，可以采用具有數(shù)字、標(biāo)準(zhǔn)、隔行、多通道和黑白信號處理功能的圖像卡。選擇VC++為開發(fā)平臺，自主開發(fā)視覺程序。


    3．4 視覺系統(tǒng)的圖像攝取與處理


    實(shí)驗(yàn)1：將不同種類的片式電子元件吸取并運(yùn)動(dòng)到攝像頭上方，攝取圖像并計(jì)算位置與角度的偏差(Δx，Δy，θ)，見表6所示。貼裝頭帶著元件分別移動(dòng)位置和旋轉(zhuǎn)角度各20次，計(jì)算Δx，Δy，θ值。計(jì)算結(jié)果表明：計(jì)算偏差同運(yùn)動(dòng)的預(yù)值誤差小于8μm。滿足規(guī)定的要求。
                         
 實(shí)驗(yàn)2：用光刻的方法制作四角上帶有圓形Mark的玻璃板(尺寸：200×200×3，4個(gè)Mark的位置精度偏差小于5 μm)，將元件按位置預(yù)值貼裝，采用光學(xué)坐標(biāo)測量儀檢測與預(yù)值的偏差，測試結(jié)果均小于0．1mm(Chip元件)和0．05mm(密間距元件)。


    4 結(jié)論


    (1)該視覺系統(tǒng)能夠攝取高質(zhì)量的圖像，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；

    (2)建立貼片元件的數(shù)據(jù)庫，在圖像識別過程中，可時(shí)時(shí)調(diào)用元器件的參數(shù)，減少了圖像識別時(shí)間；

    (3)根據(jù)元件的參數(shù)，可以獲取子圖像，使圖像處理快速并簡單；

    (4)貼片元器件與LED光源匹配，保證了圖像的質(zhì)量，提高了識別的速度與精度；

    (5)對于異型元件，用戶可以自己編程處理。
 

    作者：
    廣州市羊城科技實(shí)業(yè)有限公司  宋福民  深圳市奧特電器有限公司  蔡春迎  西安交通大學(xué)圖像處理與識別研究所 柏長冰