黃雷 熊超有 王立志

摘要：傳統(tǒng)PCB板定位通常采用人工或者機(jī)械定位，該方法的精度取決于人工本身以及機(jī)械設(shè)計(jì)精度，其往往具有較大的不確定性。為此，提出一種PCB板視覺(jué)定位方法。利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)PCB上Mark點(diǎn)坐標(biāo)采集，通過(guò)坐標(biāo)計(jì)算實(shí)際Mark點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)Mark點(diǎn)位置偏差，通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移PCB板，完成PCB板定位工作，具有快速、準(zhǔn)確和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：PCB板；Mark點(diǎn)；視覺(jué)系統(tǒng)；定位

引言

隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，PCB板生產(chǎn)速度以及工藝復(fù)雜性也不斷增加[1]，不論是傳統(tǒng)PCB貼片機(jī)，還是發(fā)展迅速的PCB字符噴印機(jī)，PCB板定位精確，是其工作精度的必要前提。

在PCB板視覺(jué)定位系統(tǒng)中，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)PCB板上定位基準(zhǔn)點(diǎn)（Mark點(diǎn)），根據(jù)Mark點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)分析PCB板情況，通過(guò)檢測(cè)到的Mark點(diǎn)坐標(biāo)和基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算誤差，根據(jù)該誤差對(duì)PCB板位置進(jìn)行修正，從而完成PCB板定位要求。

1.PCB板定位原理

1.1PCB定位流程

機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的PCB板定位過(guò)程主要包括：①CCD攝像機(jī)拍照；②圖像處理軟件計(jì)算Mark點(diǎn)坐標(biāo)；③根據(jù)實(shí)際坐標(biāo)計(jì)算誤差；④通過(guò)平臺(tái)帶動(dòng)PCB板運(yùn)動(dòng)等。

1.2Mark點(diǎn)定位過(guò)程

PCB板上的Mark點(diǎn)是PCB定位的標(biāo)識(shí)點(diǎn)，也稱(chēng)為基準(zhǔn)點(diǎn)，通常Mark點(diǎn)在PCB板上有兩個(gè)，分布于PCB板的左上區(qū)域和右下區(qū)域[2]?？紤]到CCD攝像機(jī)精度和價(jià)格等問(wèn)題，在這里采用多次定位的方式，只需對(duì)一塊很小的區(qū)域成像，就能檢測(cè)出的Mark點(diǎn)坐標(biāo)。因此，在定位開(kāi)始之前，需要用戶設(shè)定兩個(gè)大致Mark點(diǎn)區(qū)域，在實(shí)際PCB定位檢測(cè)過(guò)程中，Mark點(diǎn)因位于此區(qū)域。

2.定位實(shí)現(xiàn)

2.1定位分析

根據(jù)工作流程分析，PCB板在定位過(guò)程中，如果伺服控制精度高，那么只需要一次成像，就能完成整個(gè)定位工作。

PCB板通過(guò)傳送帶或者機(jī)械手運(yùn)送到工作臺(tái)上，然后CCD攝像機(jī)在指定兩個(gè)區(qū)域?qū)ふ覙?biāo)志Mark點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算Mark點(diǎn)坐標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)差，通過(guò)伺服電機(jī)控制，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)一定角度θ，再通過(guò)X、Y軸平移，使得PCB板移動(dòng)到和基準(zhǔn)位置重合，完成整個(gè)定位工作。CCD攝像頭由于需要多次采集圖像，因此需要X、Y軸移動(dòng)，工作臺(tái)需要帶動(dòng)PCB板運(yùn)動(dòng)，也需要X、Y軸移動(dòng)。上述X、Y軸移動(dòng)以及工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)全部由高精度伺服電機(jī)精確控制。

2.2坐標(biāo)定位及輸出

通過(guò)CCD攝像機(jī)成像分析， PCB板在工作臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示。

PCB板運(yùn)動(dòng)軌跡圖

如上圖所示，點(diǎn)p1、p2為標(biāo)準(zhǔn)Mark點(diǎn)坐標(biāo)，q1、q2為實(shí)際PCB Mark點(diǎn)坐標(biāo)，X，Y為通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度θ使PCB板和標(biāo)準(zhǔn)位置平行時(shí)的Mark點(diǎn)坐標(biāo)，R為工作臺(tái)中心，工作臺(tái)繞點(diǎn)R旋轉(zhuǎn)，小圓為Mark點(diǎn)1（q1點(diǎn)）繞中心點(diǎn)R旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，大圓為Mark點(diǎn)2（q2）點(diǎn)繞中心點(diǎn)R旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖中，p1，p2，R點(diǎn)坐標(biāo)是預(yù)先設(shè)定好的基準(zhǔn)Mark點(diǎn)坐標(biāo)和工作臺(tái)中心坐標(biāo)，q1，q2點(diǎn)坐標(biāo)為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)到的實(shí)際坐標(biāo)。PCB板繞點(diǎn)R旋轉(zhuǎn)，因此，大、小圓的半徑：

（x2-M）2+（y2-N）2=r12 （1）

（x3-M）2+（y3-N）2=r22 （2）

由于實(shí)際Mark點(diǎn)1，2分別繞R點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，因此，實(shí)際Mark點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡滿足：

（x4-M）2+（y4-N） 2=r12 （3）

（x5-M）2+（y5-N）2=r22 （4）

當(dāng)PCB板旋轉(zhuǎn)一定角度θ到與基準(zhǔn)位置平行：

x5-x4=x1-x0 （5）

y5-y4=y1-y0 （6）

由方程（3）、（4）、（5）、（6）可知，X、Y點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)計(jì)算可以得到，此時(shí)坐標(biāo)為PCB板與基準(zhǔn)板平行時(shí)的坐標(biāo)。通過(guò)向量夾角的余弦定理有：

（9）

即可算出旋轉(zhuǎn)角度θ，這樣，工作臺(tái)通過(guò)旋轉(zhuǎn)和平移，便能將實(shí)際PCB板移動(dòng)到與基準(zhǔn)板對(duì)齊的位置，完成定位工作。

X軸方向移動(dòng)距離為X=|x4-x0|，Y軸方向移動(dòng)距離為Y=|y4-y0|。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種對(duì)PCB板定位很實(shí)用的方法，由于不用一次成像，因此CCD攝像機(jī)精度不需要很高；同時(shí)，只要伺服控制精度足夠高，只需通過(guò)一次旋轉(zhuǎn)和平移工作臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)PCB板定位的工作。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，通用性好，無(wú)論對(duì)于PCB貼片機(jī)，還是PCB字符噴繪機(jī)上的PCB定位等，都能很好滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝光偉，仲兆準(zhǔn).基于機(jī)器視覺(jué)的PCB板上圓Mark點(diǎn)定位方法的研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2013.9（32）：7340-7344

[2]王李.PCB板檢測(cè)中的Mark定位[C].中國(guó)高端SMT學(xué)術(shù)會(huì)議，2009：611-614

作者簡(jiǎn)介：

黃雷（1990—）男，四川成都，西華大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。