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基于视觉定位的高精度多功能贴片机技术


应 用技术

机电工程技术 !""# 年第 $% 卷第 $ 期

基于视觉定位的高精度多功能贴片机技术
梁伟文 &,马如震 !
’&( 深圳职业技术学院机电工程学院,广东深圳 #&)"## ; !( 广州市羊城科技实业有限公司,广东深圳 #&)"#*

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摘要:本文介绍了一种基于视觉定位系统的高精度多功能 ,-. 贴片机技术。它通过视觉识别系统对不同元件 进 行 视 觉 识 别 , 能高速高精度贴装微小片状元件、精细 /0 元件或异形元件。该机具有自动化水平高,操作方便,运行平稳等特点。其贴装精 度、识别元件范围、贴装速度等性能达到国际水平。 关键词:贴片机;基于视觉;精密机械;自动控制 中图分类号: .1$"#(2$ 文献标识码: 3 文章编号: &""242%2! ’!""#+ "$4"")54"$

& 引言
表面组装技术 ( ,-.) 是 一 种 新 型 电 子 装 联 技 术 , 它 具有元器件体积小、重量轻 、 印 制 电 路 板 组 装 密 度 高 、 信 号传输速度快、高频特性好 、 简 化 生 产 工 序 、 有 利 自 动 化 生产并降低生产成本等优点 , 现 已 在 计 算 机 、 通 讯 设 备 及 航空航天等领域迅速推广使用
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坐标;贴装头根据导入的贴 装 元 件 的 封 装 类 型 、 元 件 编 号 等参数到相应的位置抓取吸 嘴 、 吸 取 元 件 ; 静 镜 头 依 照 视 觉处理程序对吸取元件进行 检 测 、 识 别 与 对 中 ; 对 中 完 成 后贴装头将元件贴装到 =0> 上预定的位置。这一系列元件 识别、对中、检测 和贴装的动作都是 工 控 =0 机 根 据 相 应 指令获取相关的数 据后指导控制系统 自动完成。 ( ! )工作流程 基于视觉定位 的 高 精 度 多 功 能

。 ,-. 发 展 迅 速 、 应 用

广泛,在许多领域中已经完全取代传统的电子装联技术,

,-. 以 自 身 的 特 点 和 优 势 , 使 电 子 装 联 技 术 产 生 了 根 本
的、革命性的变革,在应用过程中, ,-. 在 不 断 地 发 展 完 善。我国从 )" 年代初开 始 尝 试 引 进 这 种 技 术 , 到 )" 年 代 中 期 开 始 实 际 应 用 , 进 入 2" 年 代 随 着 我 国 经 济 的 快 速 发 展而得到广泛的应用, ,-. 已成为电子 装 联 技 术 工 艺 水 平 的衡量尺度,没有采用 ,-. 的电子装联会被认为是落后的 工艺水平
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。 因 此 , ,-. 不 仅 在 电 子 行 业 , 而 且 在 我 国

,-. 贴 片 机 的 工 作
流程如框图 & 所示。

多种行业中得到了广泛的应用。 贴片机在国外已经 更 新 改 进 了 几 代 , 目 前 市 场 上 大 部 分贴片机设备是高速高精密全自动 贴 片 机
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。当今国内所

$ 总体模块化 设计
根据贴片机所 要完成的元件识别、 对中、检测和贴装 等功能,在研制设 计过程中,必须解 决 : ?4@4A 三 个 方 向的微米级精度的 运动控制技术;贴 装元件的自动进给; 贴装元件的拾取和 贴 放 ; =0> 板 的 进
图&

使用的贴片机都是国外的进 口 产 品 , 而 这 些 贴 片 机 的 高 额 价格严重制约了国内电子加 工 行 业 的 发 展 。 因 此 , 研 制 开 发国产贴片机一直是国内 ,-. 领域的目标。下文介绍一种 国内研制开发的基于视觉定位的多功能 ,-. 贴片机。

! 工作原理和生产流程
( & )工作原理 基于视觉定位的多功能 ,-. 贴片机在重要部件如贴装 主 轴 、 动 8 静 镜 头 、 吸 嘴 座 、 送 料 器 上 进 行 了 -9:; ( 直径 为 &("<< 的 圆 孔 ) 标 识 , 机 器 视 觉 能 自 动 求 出 这 些 -9:; 中心系统坐标,建立 贴 片 机 系 统 坐 标 系 和 =0> 、 贴 装 元 件 坐标系之间的转换关系,计 算 得 出 贴 片 机 三 维 运 动 的 精 确
收稿日期: !""% — &" — &"

,-. 贴片机工作流程

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应用技 术

出和定位;贴装元件的对中 、 方 向 调 整 及 管 脚 缺 陷 检 查 等 多 个 技 术 难 点 问 题 。 基 于 视 觉 定 位 的 多 功 能 &’( 贴 片 机 是一台涉及精密机械、自动 控 制 、 图 像 处 理 、 生 产 管 理 软 件设计等多学科的精密自动 化 设 备 。 在 研 发 过 程 中 , 如 何 处理各学科之间的关系并把 其 有 机 的 联 系 起 来 共 同 实 现 贴 片机功能,这是研制的关键。 在贴片机的研制过 程 中 , 应 用 模 块 化 的 设 计 理 念 , 巧 妙地分解贴片机的技术难点。将贴片机的技术划分为机 械、控制、视觉、管理软件 四 大 模 块 , 在 各 模 块 中 又 根 据 需要进行功能模块划分。模 块 化 有 利 于 形 成 核 心 技 术 , 增 强产品的技术竞争力。模块 化 也 能 使 设 计 任 务 清 楚 , 从 而 保证研发的速度与质量,同 时 也 将 大 大 加 快 新 一 代 产 品 的 开发速度。 基于视觉定位的多功能 &’( 贴片机的总体模块划分如 图 ! 所示。 ( ) )机械系统的设计 贴片机机械系统根据功能划分为:贴装头、 *+, 运 动 机构、送板机构、送料装置 等 四 个 模 块 , 各 模 块 分 别 实 现 不同的功能。 在每一块 -./ 板贴装时,贴片机都要完成自动取放吸 嘴、自动取放元件、自动运 动 到 静 镜 头 位 置 进 行 图 像 摄 取 等一系列动作。生产管理程 序 已 经 设 置 了 与 这 些 动 作 有 关 的数据,但如果因机械运动 精 度 发 生 变 化 等 原 因 , 使 其 中 的参数发生了改变,会导致 贴 片 机 不 能 完 成 正 确 的 贴 装 过

程。在本机的机械设计时, 我 们 选 用 知 名 品 牌 的 精 密 滚 珠 丝杆、滚动直线导轨、专用 轴 承 及 气 动 元 件 , 由 十 个 模 块 组合完成送板、送料、定位 、 对 中 、 检 测 、 贴 装 等 全 部 贴 装动作。并在这些模块上的 指 定 位 置 进 行 标 识 , 机 器 每 次 开机和关机时都会自动识别 标 识 点 坐 标 , 修 正 系 统 的 初 始 坐标值。 基于视角定位贴片机将精密机械与视觉系统有机结 合,从而避免了机械加工的 难 度 以 及 运 动 精 度 对 贴 装 精 度 的影响,使整机能长时间高速平稳工作。 ( ! )控制系统的设计 基于视觉定位的多功能 &’( 贴片机的控制系统主要完 成 *+,+0 三 坐 标 运 动 控 制 、 图 像 采 集 、 -./ 板 的 自 动 进 出与定位、送料器的自动进 给 、 吸 嘴 真 空 电 磁 阀 自 动 控 制 等功能。 该 贴 片 机 的 控 制 系 统 由 工 业 -. 、 运 动 控 制 卡 、 图 像 卡 、1 2 3 接 口 板 等 组 成 , 实 现 了 三 坐 标 和 外 围 1 2 3 接 口 控 制,保证运动的准确性和快 速 响 应 性 , 配 合 机 械 、 视 觉 模 块 实 现 整 机 功 能 。 工 业 -. 是 整 个 控 制 系 统 的 核 心 , 实 现 整机数据的采集传送、分析 处 理 功 能 , 并 向 各 部 分 发 出 指 令,完成机械传动、图像处 理 及 检 测 功 能 。 运 动 控 制 卡 主 要实现三坐标运动控制信号的采集,传送各种加工数据, 动作执行指令功能等。图像 卡 主 要 是 采 集 和 传 送 各 种 贴 装 元器件和 -./ 板上标识点的数据。 贴片机要求高速、高精度和高可靠性以及元件无损 伤。 为 提 高 系 统 的 可 靠 性 , 尽 量 减 少 干 扰 源 , 保证控制系统的相对稳定,在设计控制系统 时,按功能将其划分为不同的模块:三坐标 控 制 、 图 像 控 制 、 456 灯 控 制 、 辅 助 控 制 部 分 7 进板部分 , 送 料 部 分 8 等 。 目 前 , 该 贴 片 机的 *+, 伺服运动系统的速度达到 )9 2 :, 加 速度达到 )9 2 :!,运动行程为 ;""<#""99 ,并 且运行平稳,振动小,噪声低。 该贴片机的控制系统原理如图 $ 所示。 ( $ )视觉系统的设计 该贴片机视觉系统主要完成贴装作业中 元 件 质 量 检 查 、 元 件 定 位 、 -./ 板 标 识 点 检 测、影像学习坐标点和系统标定的功能。 贴片机视觉系统主要由动 2 静摄像头、图 像 卡 、 456 程 控 光 源 组 成 。 静 摄 像 头 用 于 检 查贴片元件的缺陷、相对于吸嘴中心的位置 偏移和贴放角度的偏移;动摄像头用于检测

-./ 板 的 标 识 点 、 各 模 块 标 识 点 以 及 送 料 器
上元件位置的学习。动 2 静摄像头所获取的视 频图像信号传送到图象采集卡, 由 工 业 -. 控
图! 贴片机整体模块划分

制图象采集卡完成图象采集,通过显示器就 可以对图像进行实时观测;工控 -. 将 采 集 的

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视频图像处理后,将结果返 回 给 主 控 程 序 , 完 成 其 它 相 应 的控制过程。 &’( 光源的主要功能是控 制 光 源 的 开 关 、 亮 度和照射方向。 视觉系统可以通过 人 机 交 互 界 面 与 数 据 库 系 统 、 控 制 系统和系统标定系统交换信息,也可以自动交换信息
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提供了可靠的数据支持;作 为 功 能 选 项 软 件 还 提 供 与 多 种 电路设计 A=( 软件的接口,实现了自动从设计文件中提取 贴片数据的功能,可提高操作人员的编程效率。 该 软 件 采 用 业 界 普 遍 使 用 的 +,-./0/12 B,0C:D AEE FG" 开发工具开发,具有良好的 运 行 性 能 和 符 合 人 机 工 程 学 原 理的界面。



通过人机界面可以触发视觉 系 统 进 行 图 像 实 时 采 集 、 关 闭 采集、读入图像、显示图像 等 功 能 。 人 机 界 面 系 统 发 送 自 动作业命令时,由视觉系统发送坐标值,实现准确贴装。 ( % )生产管理软件 生产管理软件是专 用 于 贴 片 机 的 工 业 级 应 用 软 件 , 主 要用于该贴片机贴片工艺的 联 机 和 脱 机 编 程 、 作 业 调 度 和 控 制 及 工 艺 优 化 等 。 软 件 采 用 +,-./0/12 3,45/60 78

% 技术特点
( H )视觉系统 在该贴片机的视觉 系 统 中 , 主 要 解 决 了 两 大 难 题 : 一 是视觉系统的集成,它包括 &’( 光源程控、图像摄取、数 据传输、图像处理等技术; 二 是 算 法 , 主 要 涉 及 到 元 件 识 别、图像处理速度等问题。 该 贴 片 机 视 觉 系 统 采 用 了 索 尼 摄 像 头 和 +=8IJK 图 像 处 理 卡 , 实 现 @A; 板 的 定 位 , 元 件的自动识别、对中与检测 , 系 统 坐 标 的 自 动 标 识 , 自 动 修正贴装位置偏差等功能,有 “ 机器的眼睛”之称。 该贴片机上下各有 一 个 摄 像 头 , 上 为 动 摄 像 头 , 下 为 静摄像头。通过这两个摄像 头 , 可 以 进 行 图 像 处 理 , 从 而 自 动 修 正 @A; 板 和 元 件 位 置 坐 标 值 , 完 成 精 确 定 位 贴 装 。 使用摄像头定位系统,降低 了 对 机 械 精 度 的 要 求 , 相 应 降 低了机械组件加工与装配的难度。 该贴片机视觉系统中的 &’( 光源由多种形式的光源组 合而成,能够与多种摄像头 和 图 像 卡 完 全 兼 容 和 集 成 。 该 ( 下转第 L! 页)

3/.902:2,/4 作为 操 作 系 统 平 台 , 具 备 多 任 务 、 强 壮 的 安 全
保护和平稳的数据库、网络支持等特性。 软件的核心由运动 控 制 、 视 觉 处 理 及 生 产 管 理 三 大 部 分组成,用户可通过视窗界面完成贴片机的各种运动控制、 视觉识别和多种方式的贴片 作 业 ; 软 件 支 持 工 艺 数 据 编 程 的在线测试,真正实现了工 艺 编 程 的 所 见 即 所 得 特 性 ; 同 时软件支持多种方式的作业 模 拟 与 仿 真 , 使 操 作 人 员 在 批 量作业前验证和测试作业数 据 , 避 免 出 现 不 合 格 品 。 作 为 软件的组成部分包括多种元 件 特 性 参 数 的 元 件 数 据 库 也 为 精确贴装诸如 ;<=、 >;<=、 8?>@ 等 复 杂 封 装 类 型 的 元 件

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期,降低了产品的成本,从 而 使 整 个 系 统 工 作 可 靠 , 性 能 稳定。 应 用 NOPO ! 组 成 的 洒 浆 机 控 制 系 统 , 完 全 可 以 达 到 洒浆机控制系统的要求,从 而 简 化 了 控 制 系 统 的 接 线 , 编 写 程 序 时 可 在 N7F7+7A>7=B 编 程 软 件 上 模 拟 运 行 调 试 , 无 需改动外围线路,维修过程中 可 直 接 通 过 NOPOQ 的 显 示 屏 查看输入 R 输出信号的状态,快速判别故障来源,故障率 大大降低,而且能完成较复 杂 的 开 关 量 逻 辑 控 制 。 本 系 统 投资少、易维护、编程简单、兼有可编程控制器的特点, 它完全可以替代传统的逻辑 控 制 器 件 , 是 一 种 值 得 应 用 的 控制方案。
参考文献: [ . ]董安建,刘六宴 0 变态混凝土在碾压混凝土坝中的应用 123 0 水 力发电, !""" , ( : %"6%!0 $) [ ! ]杨宝金,陈丽菡 0 NOPO!可编程通用逻辑控制模块 123 0 低压 电器, .,,, , ( : .56!.0 $) 图 # 机架左右摆动和浆管伸缩程序逻辑图 [ $ ]张智杰, 郑 显 臣 0NOPO! 在 交 通 灯 控 制 中 的 应 用 123 0 自 动 化 及仪表, !""! , ( : $"6$.0 #)

的 排 除 。 而 从 外 部 的 接 线 图 可 以 看 出 , NOPO ! 可 编 程 控 制 器 代 替 了 大 量 的 电 气 元 件 , 简 化 了 线 路 。 而 且 NOPO ! 使用方便,功能丰富,性能稳 定 可 靠 , 进 而 大 大 降 低 了 线 路故障,便于维护与故障查找,并缩短了系统的开发周

第一作者简介:曾

强,男, .,5# 年生,湖北随州人,硕士研究

生。研究领域:机械设计及理论。

L编辑:钟兆义 M

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( 上接第 -- 页)

视觉系统能够识别目前市场上所有的元件。 ( ! )技术性能与指标 衡量贴片机性能的重 要 指 标 有 : 贴 装 精 度 、 元 件 的 识 别范围、贴装速度等。基于视觉定位的多功能 &’( 贴片机 将全视觉识别系统与精密机械 、 自 动 控 制 和 软 件 设 计 有 机 地结合起来,实现了贴片机的整机使用性能。 为使基于视觉定位的多功能 &’( 贴片机更好的与国际 市 场 接 轨 , 采 用 国 际 贴 装 设 备 标 准 )*+,-#" , 对 整 机 进 行 检测和验收,该机的贴装精度 、 贴 装 范 围 等 多 种 指 标 已 达 国际水平。

参考文献: [ . ]罗磊 / 王石刚 / 蔡建国 0 表 面 贴 装 关 键 技 术 综 述 123 0 组 合 机 床 与自动化加工技术 / !""$ , ( ! ) 45"65!0 [ ! ]谢霄鹏 / 陈亮等 0 高速 &’( 生产线自动视觉检测系统 123 0 组 合机床与自动化加工技术, !""$ , ( . ) 4#.6#$0 [ $ ]龙绪明 0 高精度视觉贴片机拾放程序设计编程 123 0 电子工业 专用设备 / !""!/ ( $ ) 4.556.-$0 [ % ]陆峰 / 范兆周 0 &’( 设备的发展现状及趋势 123 0 世界电子元器 件 / !""!/ ( % ) 4%.6%!0 [ 第 # ]桑肯 ( &789: , ’0 )等编著 0 图像处理、分析与机器 视 觉 ( 二版) 1’3 0 北京:人民邮电出版社, !""!0 [ ; ]庞振基 / 黄 其 圣 0 精 密 机 械 设 计 1’3 0 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 /

# 结论
通过对贴片机的贴片 速 度 、 定 位 精 度 、 贴 片 种 类 等 技 术参数进行测试,该机性能稳定,操作简单,贴装精度 高,特别是生产管理软件符合 中 国 人 的 操 作 习 性 , 适 合 国 内用户。 基于视觉定位贴片机 的 成 功 研 制 , 对 于 提 高 我 国 电 子 工业装备水平,加快我国电 子 行 业 的 技 术 创 新 , 保 证 我 国 电子工业的高速发展。提高 我 国 电 子 产 品 质 量 , 保 证 我 国 电子产品在国际市场的竞争力,具有良好的社会经济效益。

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第 一 作 者 简 介 : 梁 伟 文 , 男 , .,5% 年 生 , 湖 南 人 , 讲 师 , 博 士 。 研究领域:特种加工,机械电子 工 程 , 先 进 电 子 制 造 技 术 , 模 具 先进制造技术。

L编辑:钟兆义 M

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