航天器電子設備焊點質(zhì)量檢測技術研究

于忠喜 王文正 夏輝 李文斌

（山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264003）

1 引言

航天電子設備中，表露型焊點數(shù)量占到80%以上，檢測手段主要靠人工目測，受操作員經(jīng)驗、疲勞程度和主觀感覺等人為因素影響，沒有統(tǒng)一的判別量化標準，判定結果因人而異，一致性較差，難以保證焊點的100%檢測和避免人工目測時焊點漏檢事故的發(fā)生，人工檢測對焊點形態(tài)無法記錄，無法實現(xiàn)航天產(chǎn)品質(zhì)量控制可追溯的管理目標。而民用全自動光學檢測（AOI）系統(tǒng)雖然已經(jīng)得到了比較充分的發(fā)展和應用，但是在檢測指標、工藝標準及檢測模式等方面與航天電子產(chǎn)品的質(zhì)量需求存在較大差異，未在航天產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中得到應用。

本文提出的航天器電子設備焊點質(zhì)量檢測方法主要應用于航天電子產(chǎn)品焊點質(zhì)量的自動化檢測，可以提高檢測效率和檢測精度，并能實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量信息的記錄管理，增強了產(chǎn)品質(zhì)量控制的可追溯性。

2 總體技術方案及其關鍵技術

對于航天器電子設備焊點質(zhì)量的評價，需要考慮焊錫的爬升角、厚度、位移、旋轉(zhuǎn)、光潔度、潤濕程度等多方面的因素，并滿足國內(nèi)外航天器的相關標準。為此采用了圖像識別的方法，提取焊點的圖像特征，并與焊點質(zhì)量評價準則相對應，采用計算機自動識別技術進行焊點質(zhì)量的判別?？傮w技術方案如圖1 所示，而焊點質(zhì)量檢測需要在解決一系列的關鍵技術基礎上，進行檢測平臺的軟硬件方面的設計。

圖1 焊點質(zhì)量檢測總體技術方案Fig．1 Overall technical project of weld quality inspection

2．1 高精度、多方位焊點圖像采集

為達到焊點質(zhì)量的準確判別，首先需要采集印刷電路板（PCB）中每個焊點的高清晰度、多方位的數(shù)字圖像，從圖像中提取特征，以便進行識別。特別對于一些表貼元器件，焊盤間距只有0．3mm，需要選用高放大倍數(shù)的顯微成像系統(tǒng)，而一些關鍵的焊點特征如爬升角等，需要多角度獲得焊點的側面圖像，才能提取特征。另外，為了不無遺漏地對PCB中每個焊點進行判別，需要對每個焊點進行高精度的定位。因此，為了獲得高清晰、易于識別的焊點圖像，需要研究以下技術，才能夠完成焊點質(zhì)量的準確識別。

1）基于三維顯微鏡的焊點圖像信息獲取技術

當前的CCD 攝像頭放大倍數(shù)有限，對于微小的表貼器件的焊盤，不能得到清晰的、能夠反映焊點真實特征的圖像，同時，要想獲得焊點的側面圖像，需要傾斜鏡頭或者旋轉(zhuǎn)印制板，在尺寸很小時，受到了限制，特別在改變旋轉(zhuǎn)角度時，使對焦發(fā)生困難。為此，文中采用了三維視頻顯微鏡，來獲得焊點側面圖像。它具有長工作距離、超大景深、圖像銳利以及高精度的分辨能力，增加旋轉(zhuǎn)適配器，可以看到樣品側面狀態(tài)，并進行連續(xù)三維實時觀察，同時，顯微鏡安裝平臺上增加了Z軸運動機構，可以對顯微鏡進行自動對焦，獲得高清晰度的圖像。在進行三維實時觀察時，考慮元器件的高度不同，防止元器件遮擋焊點，可通過Z軸運動機構調(diào)整顯微鏡工作在焦距范圍內(nèi)，然后調(diào)整顯微鏡鏡頭的傾斜角度，通過鏡頭傾斜角度的不同和元器件360°方向的拍攝，可以防止元器件遮擋焊點，進行不同條件下焊點的高清晰成像和側面狀態(tài)觀測。

2）全景圖像獲取及焊點正側面圖像坐標匹配技術

采用三維顯微鏡只能獲得焊點的側面圖像，否則需要手工更換鏡頭，達不到自動檢測的目的，影響檢測效率。同時，也需要獲得PCB 的全景圖像，滿足焊點在PCB上定位的要求。文中采用了CCD 攝像頭獲得PCB全景圖像以及焊點正面圖像的方法，采用了陣列環(huán)形光源，輔助獲得焊點特征，進行焊點質(zhì)量的判別。同時，采用以下技術達到焊點圖像獲取的目的。

（1）全景圖像無縫拼接技術：要求PCB 的可檢范圍從25mm×25mm 變化到450mm×450mm，而且為了獲得焊點高清晰的正面圖像，攝像頭需選用較小的視場。因此，為了獲得PCB 的全景圖象，必須采用圖像拼接技術。

（2）基于初始基準（MARK）點的圖像校正技術：由于PCB安裝固定時，很難做到完全的橫平豎直，攝像機的安裝也有一定的偏差，采集的焊點圖像可能產(chǎn)生變形，對焊點圖像的處理以及焊點的定位造成很大的影響。為此，采用了基于MARK 點的圖像校正技術，可以修正圖像的變形，并為焊點的定位提供偏差補償。

（3）焊點正面與側面圖像定位補償算法：由于采用不同的成像系統(tǒng)獲得焊點的正面與側面圖像，對于焊點圖像的對應性與一致性，需要采用一定的補償技術加以確保，可以采用激光標記點的匹配技術，通過激光標記點定位于待測焊點上，進行標志點的識別，達到正面與側面圖像中焊點的準確匹配，同時通過位置補償算法，獲得易于特征識別的圖像位置。不同位置的補償量是通過標定得到的，在標定的焊點上，分別旋轉(zhuǎn)顯微鏡至不同測量角度，通過手動移動CCD 攝像機和三維顯微鏡達到最利于識別的位置，記錄下移動位移作為位置補償值。自動運行檢測時，針對不同拍攝角度，利用該補償量進行位置調(diào)整，實現(xiàn)同一焊點在不同角度的精確測量。

（4）CCD 攝像機與三維顯微鏡的標定技術：兩種成像系統(tǒng)的內(nèi)參數(shù)與畸變校正，相對安裝位置以及激光器的相對位置的外部參數(shù)，直接影響到焊點的正面、側面圖像的成像質(zhì)量以及圖像匹配的精度，因此需要進行CCD 攝像機與三維顯微鏡標定技術和調(diào)整技術的研究，以提高成像的質(zhì)量，易于焊點特征的提取。

2．2 多個焊點的高精度、快速定位

有的PCB包含幾千個待檢測的焊點，要達到每個焊點無遺漏的質(zhì)量判別，需要進行每個焊點高精度、快速的定位，為此需要研究如下關鍵技術，才能確保每個焊點無遺漏檢測。

（1）PCB焊點坐標獲取：當前電子設計幾乎全部采用PCB設計軟件進行電路設計，而需要檢測的焊點特征數(shù)據(jù)可以從PCB 設計文件中獲取，如元件在PCB 上的位置坐標、PCB 的整體描述數(shù)據(jù)等。通過直接從PCB設計文件中導出相應的CAD 坐標數(shù)據(jù)，可以獲得所有焊點的坐標信息，使所有焊點都能做到無遺漏的檢測，其坐標信息作為運動系統(tǒng)定位的依據(jù)，通過高精度的定位算法以及坐標補償算法，控制PCB的移動，達到焊點高精度定位的目的［1-2］。

（2）運動控制系統(tǒng)設計：焊點圖像的高精度、快速定位，完全依賴于PCB 在X、Y方向上的運動控制。采用伺服電機驅(qū)動加光柵尺進行位置反饋。通過運動控制算法達到焊點高精度定位的目的。光柵尺具有高精度的位置檢測功能。通過一體化設計的X、Y平臺，可以確保X、Y方向安裝精度，達到二維方向上定位目的。

（3）焊點運動路徑規(guī)劃技術：焊點檢測運動的快速性除了與運動平臺驅(qū)動能力有關外，還與檢測焊點的運動路徑有關，為此需要進行焊點運動路徑的優(yōu)化設計，提高整板檢測的效率。可以采用A＊算法、蟻群算法或Hope Field神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化算法，獲得最優(yōu)規(guī)劃路徑。

2．3 焊點質(zhì)量圖像識別

對于焊點質(zhì)量的識別，首先需要針對國內(nèi)外航天器的相關標準，對各種表露型焊點的合格判據(jù)進行定量和定性的描述，形成焊點質(zhì)量評價準則，以此研究焊點質(zhì)量判據(jù)與圖像特征的相互轉(zhuǎn)化關系，對于爬升角、厚度、位移等，可以采用圖像直接測量的方法，根據(jù)采集焊點的高清晰側面圖像，進行特征的計算；而焊點的旋轉(zhuǎn)、光潔度、潤濕程度等焊點判據(jù)，需要分析焊點正面圖像的紋理、輪廓、灰度等一系列圖像特征與上述判據(jù)的關系，選用能夠涵蓋焊點判據(jù)的圖像特征［3-4］。

焊點的質(zhì)量判別可以采用兩種方法實現(xiàn)。第一種方法通過規(guī)則判別的方法檢測焊點質(zhì)量，這里的判定規(guī)則基于航天領域適用的工藝指標來建立。其過程主要包含三個部分：首先，獲取焊點初始圖像（包括正交、傾斜狀態(tài)）；然后，進行圖像處理，去除圖像中的噪聲以及相應的形態(tài)學變換等等；最后，完成相關的工藝指標的計算。另一種檢測方法采用基于模式識別的焊點質(zhì)量判別方法，主要包括圖像處理、特征提取和判別算法的設計。這種方法需要標準的焊點樣本，通過特征提取和訓練，完成質(zhì)量判別模型的構建。此外，系統(tǒng)還將提供人機交互的焊點檢測功能，從而保證判別標準更嚴格，提高檢測準確性。為了保證過程的可控性和可追溯性，在焊點質(zhì)量判別過程中，將保存被檢圖像和檢測結果，建立相應的數(shù)據(jù)庫，作為印制板質(zhì)量控制的依據(jù)。

3 焊點質(zhì)量檢測平臺設計方案

航天器電子設備的焊點質(zhì)量檢測，主要通過設計焊點質(zhì)量檢測平臺來實現(xiàn)，檢測平臺由機械平臺、控制系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件等組成，如圖2所示。

3．1 焊點質(zhì)量檢測平臺主機結構方案設計

機械平臺由支撐平臺，X、Y、Z軸運動機構，PCB裝夾機構等幾部分組成，如圖3所示。

圖2 焊點質(zhì)量檢測平臺構成圖Fig．2 System structure of the weld quality inspection platform

圖3 焊點質(zhì)量檢測機械平臺結構圖Fig．3 Mechanical structure of the weld quality inspection platform

三維顯微鏡安裝在運動機構上，通過驅(qū)動三維顯微鏡在X、Y平面內(nèi)運動，達到對每個焊點的高精度定位，通過Z軸運動機構，可以對顯微鏡進行對焦，獲得高清晰度的圖像。通過PCB 裝夾機構，可以完成不同大小、帶不同圍框形式的PCB 的固定。同時，機械平臺上裝有CCD 相機，通過X、Y橫向運動機構的運動，獲得多幅圖像，采用圖像拼接技術［5-6］，可得到PCB的全景視圖，達到不同規(guī)格PCB全景圖像存儲目的。

3．2 焊點質(zhì)量檢測平臺控制系統(tǒng)方案設計

控制系統(tǒng)由運動控制單元、圖像采集單元、供電模塊等組成，如圖4 所示。控制系統(tǒng)中的運動控制單元能夠驅(qū)動伺服電機、滾珠絲杠系統(tǒng)，使三維顯微鏡在X、Y、Z三個自由度方向運動，通過高精度光柵尺對位置信號進行反饋，以及使用插補算法、運動控制算法，達到每個焊點高精度定位目的，同時三維顯微鏡旋轉(zhuǎn)運動控制系統(tǒng)，能夠控制三維顯微鏡在不同角度的旋轉(zhuǎn)，通過位置檢測部件達到獲取不同角度焊點圖像的能力。圖像采集單元能夠?qū)⑷S顯微鏡、CCD 相機的圖像信息進行模擬量與數(shù)字量間轉(zhuǎn)換（A／D），形成固定格式的圖像信息，送入系統(tǒng)軟件，以方便信息處理。而供電模塊除了進行交流電與直流電轉(zhuǎn)換（AC／DC），產(chǎn)生所需的直流電壓外，還采用了UPS不間斷電源，便于進行斷電后的保護，不至于對設備以及航天電子產(chǎn)品造成損壞。

圖4 焊點質(zhì)量檢測平臺控制系統(tǒng)構成圖Fig．4 Control system configuration of the weld quality inspection platform

3．3 焊點質(zhì)量檢測平臺系統(tǒng)軟件方案設計

系統(tǒng)軟件主要由軟件界面、初始設定、安全保護、人機交互、運動控制、圖像采集、焊點識別和數(shù)據(jù)庫管理等功能模塊組成，如圖5和圖6所示。其中，運動控制模塊可以進行待檢測焊點的路徑規(guī)劃，從而優(yōu)化路徑，提高檢測效率，并且通過調(diào)用運動控制算法可達到每個焊點的高精度定位；圖像采集模塊采用CCD 圖像采集、三維顯微鏡圖像采集和全景圖像拼接算法完成PCB圖中焊點信息的獲?。缓更c識別模塊采用圖像處理算法提取焊點特征，進行圖像識別，完成焊點質(zhì)量準確判別；通過數(shù)據(jù)庫管理模塊可以儲存焊點的圖像信息和檢測信息，達到焊點質(zhì)量管理的可追溯要求［7-9］。

圖5 焊點質(zhì)量檢測平臺系統(tǒng)軟件功能框圖Fig．5 Systemic software functional frame of the weld quality inspection platform

圖6 焊點質(zhì)量檢測平臺系統(tǒng)軟件界面Fig．6 Systemic software interface of the weld quality inspection platform

3．4 焊點質(zhì)量檢測平臺工作流程

焊點質(zhì)量檢測平臺工作流程如圖7所示，首先完成PCB的裝夾固定以及軟件的初始化工作［10］，包括三維攝像機、CCD 的焦距調(diào)整，確保獲得清晰的圖像，進行運動參數(shù)的設定，確保定位精度等。然后調(diào)入PCB的CAD 信息，導入各個焊點的坐標，驅(qū)動CCD 相機在X、Y方向進行全方位運動，獲得多個PCB局部圖像，通過圖像拼接技術，得到PCB的全景視圖。

在進行每個焊點檢測前，首先進行路徑規(guī)劃，獲得最佳運動路徑，然后調(diào)用運動控制算法對每個焊點精確定位。當焊點定位后，對單個焊點進行多方位圖像采集并完成圖像的存取。而圖像處理軟件對多方位的圖像進行處理，提取焊點的圖像特征，然后調(diào)用分類算法，完成焊點質(zhì)量的識別。

圖7 焊點質(zhì)量檢測平臺工作流程圖Fig．7 Work flow chart of the weld quality inspection platform

4 結論

通過焊點檢測技術的研究，可達到如下的效果：

（1）采用三維顯微鏡和CCD 成像技術，可以獲得焊點的多角度、高清晰的圖像，便于提取焊點的特征信息，滿足航天電子產(chǎn)品焊點質(zhì)量判別的準則，同時通過獲取PCB 信息，可以確保焊點漏檢率0%，滿足航天產(chǎn)品應用的需求。

（2）采用X、Y、Z三軸高精度運動控制系統(tǒng)，重復性定位精度小于10μm，可滿足PCB上最小0201（20mil×10mil）元件焊點定位需求，同時移動速度可達500mm／s，最大加速度1gn，可滿足高效率的焊點檢測要求。

（3）設計專用的裝夾機構，可以裝夾50 mm×50mm～450mm×450mm 的PCB，運動平臺最大行程850mm，可以對不同尺寸的PCB進行檢測，增加了檢測平臺的適應性。

（4）采用焊點特征測量與圖像模式識別相融合的方法，提取焊點的多種特征并進行識別，使焊點的分類符合航天電子產(chǎn)品的焊點質(zhì)量判別標準。采用圖像拼接等技術，獲得多角度的焊點圖像并進行存儲，達到焊點質(zhì)量的可追溯目的。

焊點質(zhì)量檢測平臺已經(jīng)進入試驗調(diào)試階段，其作為實用、創(chuàng)新型產(chǎn)品，可以應用在航天電子設備的焊點質(zhì)量檢測上，能夠滿足航天電子產(chǎn)品的焊點質(zhì)量判別標準，有效提高航天電子產(chǎn)品的質(zhì)量，具有廣泛的應用前景。

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