高精度插件引腳機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

黃震，顧啟民

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500)

隨著大規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)了許多針對(duì)電子元器件的檢測(cè)需求，高精度和在線(xiàn)檢測(cè)是這些檢測(cè)系統(tǒng)的共同特征［1－2］。如印刷電路板在插件組裝時(shí)，必須要對(duì)電子元器件進(jìn)行100%的在線(xiàn)檢測(cè)，確保成品電子元件的品質(zhì)，并且要求保證一定精度的同時(shí)在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)任務(wù)，以滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。然而，電子產(chǎn)品日趨朝著輕便的趨勢(shì)發(fā)展，電子元器件檢測(cè)要求以及工藝難度也不斷加大，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)不僅耗時(shí)耗力，而且無(wú)法保證檢測(cè)的精度和速度［3－4］。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、柔性好、精度高、速度快、自動(dòng)化和智能化水平高、易于同設(shè)計(jì)信息與加工控制信息集成等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地滿(mǎn)足電子元器件的檢測(cè)要求［5－6］。

1 直立電容引腳檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

直立電容引腳視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)圖像獲取，軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理并得出檢測(cè)結(jié)果。其中，硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，包括以下幾部分:

(1)成像設(shè)備。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需求，選用分辨率為800×600的CCD工業(yè)相機(jī)以及150萬(wàn)像素鏡頭，成像質(zhì)量基本滿(mǎn)足檢測(cè)要求。

(2)光源及其控制器。由于檢測(cè)目標(biāo)比較小，所以成像距離較小，為了采集到比較好的圖像，需要選擇合適的光源。文中采用環(huán)形LED光源，固定在相機(jī)上方，可獲得高對(duì)比度的電容引腳底端圖像，光源控制器用來(lái)控制光源開(kāi)關(guān)以及亮度調(diào)節(jié)。

(3)傳送設(shè)備。由機(jī)械手移動(dòng)待測(cè)電容至相機(jī)上方，相機(jī)進(jìn)行圖像采集和檢測(cè)，檢測(cè)完畢后執(zhí)行安裝或者拋料動(dòng)作。機(jī)械手、相機(jī)和PC機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

(4)PC機(jī)。加載檢測(cè)軟件，同時(shí)負(fù)責(zé)向機(jī)械手發(fā)出信號(hào)。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成示意圖

評(píng)價(jià)電容引腳是否合格的指標(biāo)有:

(1)正位度。以電容整體的中心為基準(zhǔn)，評(píng)價(jià)每個(gè)引腳到基準(zhǔn)的距離。

(2)完整度。判斷引腳個(gè)數(shù)是否完整、引腳直徑大小是否在公差范圍內(nèi)。

(3)引腳間距。正負(fù)極引腳的水平間距是否在公差范圍內(nèi)。

以上3個(gè)指標(biāo)若有1個(gè)不滿(mǎn)足，則認(rèn)為該產(chǎn)品不合格。為獲取以上3個(gè)指標(biāo): (1)要提取電容整體的中心位置;(2)要確定每個(gè)引腳的位置;(3)要確定引腳直徑的大小，這也是該系統(tǒng)檢測(cè)的主要目標(biāo)。

2 圖像檢測(cè)算法

機(jī)器視覺(jué)引腳檢測(cè)系統(tǒng)以被檢測(cè)物體的圖像為檢測(cè)和傳遞信息的手段和載體，通過(guò)處理被檢測(cè)物體圖像的輪廓來(lái)獲得被檢測(cè)物體的幾何尺寸參數(shù)［5］。因此，檢測(cè)的關(guān)鍵是如何獲取高精度的目標(biāo)圖像輪廓、如何對(duì)目標(biāo)圖像輪廓進(jìn)行識(shí)別進(jìn)而獲得被檢測(cè)物體的幾何尺寸，即圖像采集和圖像處理的過(guò)程。直立電容引腳檢測(cè)算法主要包括圖像采集及預(yù)處理、圖像二值化處理、圖像的形態(tài)學(xué)處理、目標(biāo)狀態(tài)提取和圖像量化判斷。圖像檢測(cè)算法流程圖如圖2所示。

圖2 檢測(cè)算法流程圖

2.1 圖像采集及預(yù)處理

機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)是基于采集的圖像進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)的系統(tǒng)，因此，圖像質(zhì)量的好壞直接影響圖像處理算法的穩(wěn)定性和可靠性，甚至檢測(cè)任務(wù)的成敗［7］。以檢測(cè)電容引腳表面為目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用暗視場(chǎng)照明方式更容易將高亮的電容整體及其引腳部分從昏暗背景中凸顯出來(lái)，如圖3所示，待檢電容圖像與周?chē)h(huán)境背景有很強(qiáng)的對(duì)比度，這樣不僅有利于簡(jiǎn)化檢測(cè)算法，而且保證了引腳在線(xiàn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

圖3 待測(cè)電容圖像

在數(shù)字圖像的采集、處理和傳輸過(guò)程中均有可能出現(xiàn)噪聲。因此，在進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別處理之前，通常要先對(duì)原始圖像進(jìn)行特定的圖像預(yù)處理。文中利用中值濾波方法去除圖像中一些不需要甚至?xí)绊懱幚斫Y(jié)果的圖像信息，恢復(fù)圖像中有用的信息，提高信息的可檢測(cè)度和最大限度地簡(jiǎn)化圖像數(shù)據(jù)。

2.2 圖像二值化

對(duì)采集的原始圖像進(jìn)行中值濾波處理后，采用適當(dāng)?shù)亩祷指钏惴▽?duì)圖像進(jìn)行分割處理，將圖像中的目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域區(qū)分開(kāi)，并且使圖像變得簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量小，能凸顯出目標(biāo)區(qū)域，有利于圖像的進(jìn)一步處理［8］。由于此系統(tǒng)中檢測(cè)對(duì)象像素分布具有明顯的分布性，目標(biāo)與背景的對(duì)比度比較大，因此，采用全局二值化方法，將圖像中像素值小于T的點(diǎn)設(shè)置為背景，否則定為候選目標(biāo)。原始圖像預(yù)處理之后，進(jìn)行閾值T=0.8的二值化處理，二值化的電容圖像如圖4所示。

圖4 電容二值化的圖像

2.3 圖像的形態(tài)學(xué)處理

形態(tài)學(xué)是以形態(tài)結(jié)構(gòu)元素為基礎(chǔ)對(duì)圖像進(jìn)行分析的數(shù)學(xué)工具，其基本思想是用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去度量和提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀以達(dá)到對(duì)圖像分析和認(rèn)識(shí)的目標(biāo)。利用形態(tài)學(xué)可以簡(jiǎn)化圖像數(shù)據(jù)，保持圖像基本的形狀特征，排除不相干的結(jié)構(gòu)［8］。開(kāi)操作和閉操作是一對(duì)對(duì)偶操作，開(kāi)操作一般使對(duì)象的輪廓變得光滑，斷開(kāi)狹窄的間斷和消除細(xì)小的突出物;閉操作可使輪廓線(xiàn)更為光滑，通常能夠消彌狹窄的間斷和細(xì)長(zhǎng)的鴻溝，消除小的孔洞，并能填補(bǔ)輪廓線(xiàn)中的斷裂。

由二值化的電容圖像可以看出，圖像中除了電容整體輪廓和引腳目標(biāo)圖像外，還存在一些小的孔洞以及間斷線(xiàn)。因此，在二值化圖像的基礎(chǔ)上再進(jìn)行閉操作和開(kāi)操作，消除這些小孔和間斷線(xiàn)，方便后續(xù)處理。形態(tài)學(xué)處理后的圖像如圖5所示。

圖5 形態(tài)學(xué)處理后的電容圖像

2.4 目標(biāo)狀態(tài)提取

然后，計(jì)算內(nèi)每個(gè)連通區(qū)域的圓度。通俗意義上來(lái)講，圓度即圖像接近于圓的程度。目前普遍采用的圓度公式的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式 (2)中:A為連通區(qū)域的面積，L為連通區(qū)域的邊緣周長(zhǎng)。在相同面積的條件下，邊界光滑且為圓形，則周長(zhǎng)最短，其圓度為C=1，而形狀越偏離圓形，則C值越小。利用公式 (2)計(jì)算圓度結(jié)果如圖6所示。不難發(fā)現(xiàn)，引腳區(qū)域的圓度比噪聲更接近1。這樣，就可以通過(guò)設(shè)定連通區(qū)域圓度閾值Tc來(lái)去除噪聲，得到僅包含目標(biāo)區(qū)域 (電容整體輪廓和電容引腳)的圖像，結(jié)果如圖7所示。

圖6 連通區(qū)域輪廓圓

圖7 噪聲過(guò)濾后的電容圖像

從誤差理論的角度看，以最小二乘圓作為圓度評(píng)定基準(zhǔn)是最合理和最可信賴(lài)的。這種方法突出的優(yōu)點(diǎn)是:圓度誤差的數(shù)值和中心都是唯一的，不會(huì)發(fā)生爭(zhēng)議;評(píng)定結(jié)果不易受個(gè)別大誤差的影響;能反映整個(gè)實(shí)際輪廓的綜合情況;更符合對(duì)零件的功能要求［9］。因此，文中利用最小二乘圓法來(lái)提取電容引腳的狀態(tài)，即計(jì)算出引腳的圓心坐標(biāo)和半徑值。

最小二乘圓擬合是以一個(gè)理想圓沿實(shí)際輪廓的趨向設(shè)置，使實(shí)際輪廓上各點(diǎn)至該理想圓的偏距的平方和為最小，使實(shí)際輪廓上各點(diǎn)至該理想圓的偏距的平方和為最小。設(shè)P(xi，yi)為實(shí)際輪廓上的一點(diǎn)，LRi為P(xi，yi)至理想圓的偏距。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)演算，最終擬合得出的圓心坐標(biāo)和半徑為:

通過(guò)上述方法，就可以快速準(zhǔn)確地提取出目標(biāo)區(qū)域的特征，為后續(xù)的量化處理及判斷奠定了基礎(chǔ)。

2.5 量化處理及判斷

對(duì)處理后的圖像進(jìn)行量化，滿(mǎn)足小圓 (引腳輪廓)個(gè)數(shù)為2，小圓面積和小圓中心點(diǎn)間距、小圓中心與大圓 (電容整體輪廓)中心點(diǎn)之間的距離在允許范圍內(nèi)視為合格，否則視為不合格。首先判斷是否有且僅有兩個(gè)小圓，若沒(méi)有則直接判為不合格;否則，下一步判斷小圓面積大小，若在閾值外則判為不合格;否則下一步判斷兩個(gè)小圓中心點(diǎn)的間距以及與大圓中心點(diǎn)的距離，若在誤差范圍內(nèi)則判為合格，否則判為不合格。當(dāng)檢測(cè)電容引腳合格后，分別標(biāo)記出電容整體的中心點(diǎn)位置和正負(fù)極引腳的中心點(diǎn)位置，如圖8所示。引腳有缺陷的電容圖像如圖9所示。

圖8 電容引腳合格的圖像

圖9 電容引腳缺陷圖

3 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

課題對(duì)直立電容引腳檢測(cè)的要求為:正負(fù)極引腳間距公差為±0.5 mm，引腳直徑公差為±0.5 mm。首先，為了驗(yàn)證引腳檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這里重復(fù)檢測(cè)同一電容引腳100次，計(jì)算其正負(fù)極引腳之間的間距，得到的結(jié)果如圖10所示。

圖10 引腳檢測(cè)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

分析圖10可得:正負(fù)極引腳間距測(cè)量的平均值為125.74 pixel，平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.17 pixel，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，正負(fù)極引腳間距測(cè)量的平均值為2.656 mm，平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.6 μm。穩(wěn)定性檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明，引腳檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)穩(wěn)定性很高。

其次，為了驗(yàn)證引腳檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和精度，分別利用精度為0.1 μm的三次元測(cè)量?jī)x (CMM)和相機(jī)測(cè)量同一類(lèi)型電容正負(fù)極引腳之間的間距以及電容正極引腳直徑大小，連續(xù)檢測(cè)20次，檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖11和圖12所示。

圖11 電容正負(fù)極引腳間距檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖12 電容正極引腳直徑檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

三次元測(cè)量?jī)x和相機(jī)檢測(cè)對(duì)比結(jié)果表明:電容正負(fù)極引腳間距檢測(cè)最大差值為0.043 1 mm，平均差值為0.016 1 mm;電容正極引腳直徑檢測(cè)最大差值為0.034 2 mm，平均差值為0.018 5 mm。分析對(duì)比結(jié)果，直立電容引腳間距的檢測(cè)值與用其他精密測(cè)量方法得到的測(cè)量值的差值較小，而相機(jī)電容引腳直徑檢測(cè)結(jié)果相比CMM檢測(cè)值偏小，差值較大，可能會(huì)產(chǎn)生誤判，其原因?yàn)楫?dāng)電容引腳表面不平整時(shí)，采集到的引腳圖像不能完全準(zhǔn)確反映實(shí)際的引腳直徑大小，會(huì)比實(shí)際值偏小?？紤]到將缺陷元器件認(rèn)為合格的漏報(bào)錯(cuò)誤的代價(jià)比誤報(bào)代價(jià)要高，而誤判率的高低對(duì)實(shí)際生產(chǎn)影響不大，因此適當(dāng)?shù)恼`報(bào)和誤判是可以接受的［10］。因此，直立電容引腳機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度完全能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)論

通過(guò)分析直立電容引腳在特定結(jié)構(gòu)光源下的特征，設(shè)計(jì)了利用二值化圖像連通區(qū)域的像素面積和圓度作為約束條件來(lái)提取電容引腳輪廓的算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直立電容引腳的缺失、偏移、歪斜等缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并從檢測(cè)的魯棒性對(duì)該算法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該算法能有效地檢測(cè)直立電容引腳常見(jiàn)缺陷，檢測(cè)項(xiàng)目全面，能滿(mǎn)足基于機(jī)器視覺(jué)插件系統(tǒng)中引腳在線(xiàn)檢測(cè)的需求。

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