機(jī)器人插件生產(chǎn)線(xiàn)的遮光設(shè)計(jì)與插件誤差補(bǔ)償*

吳文超，楊 斌，晏 亮，王 瑞，陳一凡

0 引言

電子元器件插件工藝是PCB加工制造過(guò)程的重要環(huán)節(jié)[1]。隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)PCB器件插件工藝的品質(zhì)要求越來(lái)越高。為滿(mǎn)足日趨嚴(yán)格的插件精度要求和日趨多樣化的異型、特殊化元件插件需求，集成工業(yè)機(jī)器人和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的自動(dòng)化插件生產(chǎn)線(xiàn)成為插件設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)[2]。自動(dòng)化插件生產(chǎn)線(xiàn)，以工業(yè)機(jī)器人為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，配置相應(yīng)的自動(dòng)化供料裝置與插件執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并采用機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)對(duì)器件和PCB板的精確定位。

視覺(jué)識(shí)別的位置精度受到相機(jī)標(biāo)定精度的影響[3]，受機(jī)器人的絕對(duì)定位精度的限制，采用常用的相機(jī)標(biāo)定方法[4]對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定后，直接使用機(jī)器人手臂進(jìn)行插件，目前難以滿(mǎn)足高精度插件定位的需求；此外，在使用視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行器件的針腳位置識(shí)別時(shí)，由于器件規(guī)格多樣性、復(fù)雜性的影響，導(dǎo)致圖像背景復(fù)雜，器件針腳的特征提取不準(zhǔn)確，嚴(yán)重影響針腳識(shí)別的準(zhǔn)確性。

為解決上述難題，本文在完成機(jī)器人自動(dòng)化插件線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)遮光裝置設(shè)計(jì)與插件位置補(bǔ)償方法展開(kāi)研究，確保插件的準(zhǔn)確性與成功率。

1 機(jī)器人插件生產(chǎn)線(xiàn)組成

機(jī)器人插件生產(chǎn)線(xiàn)單個(gè)插件工位機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包括用于識(shí)別元器件針腳的固定位置相機(jī)1，固定于機(jī)械臂上的用于PCB板定位的相機(jī)2，插件動(dòng)作執(zhí)行機(jī)器人，PCB板輸送電機(jī)以及元器件上料氣缸、PCB夾緊氣缸等氣缸。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中PLC主機(jī)負(fù)責(zé)插件生產(chǎn)線(xiàn)的工藝流程控制，工控機(jī)負(fù)責(zé)視覺(jué)系統(tǒng)的圖像處理、坐標(biāo)變化以及與PLC完成位置交互，控制界面用于實(shí)現(xiàn)與PLC的人機(jī)交互以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)的控制管理功能，顯示器用于與視覺(jué)系統(tǒng)的處理參數(shù)設(shè)置以及視覺(jué)處理結(jié)果顯示。

圖1 插件機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)單工位組成

圖2 機(jī)器人插件生產(chǎn)線(xiàn)單工位硬件結(jié)構(gòu)

插件生產(chǎn)線(xiàn)的插件步驟如下：

（1）輸送帶將PCB板輸送到工位，機(jī)器人手臂移動(dòng)至PCB板的MARK點(diǎn)上方，相機(jī)2對(duì)MARK點(diǎn)進(jìn)行拍照，識(shí)別PCB板的位置；

（2）基于視覺(jué)定位（非固定位置上料）或位置示教（固定位置上料）等方式對(duì)待插件的器件進(jìn)行初步定位；

（3）機(jī)器人從步驟2的定位位置處取元器件，將元器件置于相機(jī)1上方進(jìn)行拍照，識(shí)別元器件針腳的準(zhǔn)確位置；

（4）機(jī)器人將元器件插裝于PCB板指定的位置，返回步驟（3）。

上述步驟過(guò)程中，一方面，在對(duì)元器件針腳進(jìn)行拍照時(shí)，由于針腳彎曲，元器件針腳所在平面存在反光點(diǎn)，元器件針腳進(jìn)行拍照的效果不佳，直接影響針腳圖像識(shí)別的成功率與針腳像素坐標(biāo)精度；另一方面，由于相機(jī)外部參數(shù)的誤差，使得獲得元器件的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到元器件的插件坐標(biāo)被引入誤差，從而使得插件的成功率難以保證。

2 遮光裝置設(shè)計(jì)

2.1 光照環(huán)境布置

自然光條件下，針腳在圖像中的對(duì)比度低，需選用光源對(duì)針腳進(jìn)行照射，以增強(qiáng)針腳圖像的對(duì)比度。目前的元器件針腳的形式可分為三類(lèi)，如圖3所示。在進(jìn)行光照環(huán)境布置時(shí)，僅希望將圖3中針腳末端照亮，并且與針腳的其余部分的區(qū)分度盡可能大。

圖3 針腳形式分類(lèi)

器件針腳拍照時(shí)采用相機(jī)軸線(xiàn)與鏡頭軸線(xiàn)平行布置的方式，考慮到相機(jī)成像平面與針腳接近垂直，為使得針腳非針尖部分與針腳其余部分分開(kāi)，初步選用低角度光對(duì)針腳末端進(jìn)行360°照射，以增強(qiáng)針尖的亮度，使得針尖與其他位置區(qū)分開(kāi)來(lái)。初步選用環(huán)形光源對(duì)針腳進(jìn)行照射，以增強(qiáng)針尖處的亮度。

圖4是使用環(huán)形光源對(duì)針腳進(jìn)行打光的實(shí)驗(yàn)效果圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，針尖和針肩的在圖像中的亮度區(qū)別不大，有黏連的情況出現(xiàn)，其將在對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)，使得針腳識(shí)別不準(zhǔn)確。

2.2 遮光裝置設(shè)計(jì)

光源輔助成像增強(qiáng)了針腳亮度但同時(shí)帶來(lái)了針腳受干擾的問(wèn)題，需采用遮光裝置遮蔽針肩的以消除其對(duì)針腳識(shí)別的干擾。遮光裝置設(shè)計(jì)要求保證針腳亮度的同時(shí)，屏蔽針肩的亮度。插件環(huán)節(jié)中，元器件是通過(guò)機(jī)器人手臂夾取后置于相機(jī)2的上方，其位置存在一定的波動(dòng)，遮光裝置需保證在元器件位置變動(dòng)的情況下，元器件針腳可正常放入遮光裝置，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件的遮光。

如圖5所示，遮光板小孔的大小設(shè)計(jì)受器件在拍照位置的定位精度有關(guān)，遮光板小孔與針腳的間隙余量需大于器件在料盤(pán)中的定位誤差，料盤(pán)的重復(fù)裝夾誤差、機(jī)器人定位誤差，以避免器件針腳與遮光板發(fā)生干涉。插件線(xiàn)將元器件從料盤(pán)移送到拍照位置各環(huán)節(jié)的定位精度如表1。

圖4 針腳打光圖像

圖5 遮光示意圖

表1 誤差鏈分析mm

表1中，料盤(pán)定位誤差指的是相機(jī)通過(guò)料盤(pán)MARK點(diǎn)對(duì)料盤(pán)進(jìn)行定位的誤差，料盤(pán)裝夾誤差指的是元器件裝夾在料盤(pán)上時(shí)元器件相對(duì)于料盤(pán)的定位誤差，機(jī)器人定位誤差指的是機(jī)器人定位運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)定位誤差，針腳誤差指元器件針腳整形后，針腳實(shí)際位置與理論位置的偏差。

根據(jù)上述誤差鏈關(guān)系，遮光板小孔的直徑設(shè)計(jì)時(shí)需比針腳的直徑大1.1 mm，才可保證機(jī)器人能夠?qū)⒃骷樌胤胖糜谡诠獍宓目锥粗小?/p>

根據(jù)上述分析，可得到光源角度與遮光孔直徑的設(shè)計(jì)區(qū)間，選擇DIP-8器件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，遮光板厚度為1.5 mm，小孔寬度為1.5 mm。圖6為遮光效果圖。

圖6 DIP-8器件遮光裝置遮光效果圖

可以發(fā)現(xiàn)，采用該種方式進(jìn)行遮光，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)器件良好的遮光效果，針對(duì)不同的器件，遮光板的遮光孔設(shè)計(jì)需按照器件的幾何尺寸設(shè)計(jì)。

3 插件位置誤差補(bǔ)償

3.1 插件誤差分析

插件誤差指的是插件過(guò)程中器件針腳與PCB的對(duì)準(zhǔn)偏差。機(jī)器人插件坐標(biāo)處理流程如圖7所示，可以將插件過(guò)程抽象為3個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）通過(guò)相機(jī)2對(duì)PCB板進(jìn)行定位，并根據(jù)元器件在PCB上的理論位置計(jì)算得到機(jī)器人坐標(biāo)系器件插件坐標(biāo)；

（2）通過(guò)相機(jī)1識(shí)別元器件在機(jī)器人坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；

（3）通過(guò)機(jī)器人將元器件轉(zhuǎn)移至插件位置，將元器件安插于PCB板上。

對(duì)于環(huán)節(jié)一與環(huán)節(jié)二，在通過(guò)相機(jī)獲得機(jī)器人坐標(biāo)系坐標(biāo)，其精度受圖像坐標(biāo)識(shí)別精度的影響與相機(jī)外部參數(shù)誤差的影響，存在較大的位置識(shí)別的誤差；環(huán)節(jié)三誤差表現(xiàn)為機(jī)器人的定位誤差，主要為負(fù)載導(dǎo)致的機(jī)械臂變形導(dǎo)致的誤差以及機(jī)械的重復(fù)性誤差。

圖7 插件坐標(biāo)處理流程

位置識(shí)別誤差中相機(jī)外部參數(shù)誤差導(dǎo)致的圖像坐標(biāo)到機(jī)器人坐標(biāo)變換過(guò)程的誤差，在相機(jī)外部參數(shù)固定的條件下，同一識(shí)別位置其誤差值是一常數(shù)，因此該誤差是一項(xiàng)系統(tǒng)誤差；機(jī)器人定位誤差中機(jī)械臂變形導(dǎo)致的誤差由負(fù)載和機(jī)械臂結(jié)構(gòu)既定，在負(fù)載不變的條件下，也是一種系統(tǒng)誤差。針對(duì)上述兩種系統(tǒng)誤差，設(shè)計(jì)了一種誤差測(cè)定方法，通過(guò)補(bǔ)償誤差中的系統(tǒng)誤差，以增加機(jī)器人插件位置的精度。

3.2 插件位置誤差補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)

圖8 插件誤差補(bǔ)償測(cè)定流程

插件誤差補(bǔ)償測(cè)定流程如圖8所示。首先，通過(guò)相機(jī)2對(duì)PCB板進(jìn)行定位，計(jì)算插件位置的世界坐標(biāo)系中的位置，利用該位置導(dǎo)引機(jī)器人進(jìn)行元器件的抓取，并將元器件針腳置于相機(jī)1視場(chǎng)中進(jìn)行識(shí)別；其次，通過(guò)相機(jī)1識(shí)別元器件針腳的位置，并獲得元器件針腳的世界坐標(biāo)系位置；最后，計(jì)算元器件針腳在插件位置處的插件坐標(biāo)，將該坐標(biāo)換算到PCB板坐標(biāo)系內(nèi)，替換原有坐標(biāo)值。

通過(guò)該方法，在特定相機(jī)外部參數(shù)下，可以測(cè)量PCB板器件理論位置處插件動(dòng)作的實(shí)際插件坐標(biāo)，從而獲得PCB板器件的實(shí)測(cè)位置。該位置坐標(biāo)值包含了相機(jī)1定位、相機(jī)2定位以及機(jī)器人定位的全部誤差，利用該位置替換原有的PCB板器件理論位置，可對(duì)誤差的系統(tǒng)誤差部分進(jìn)行有效的糾正。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

插件生產(chǎn)線(xiàn)采用FANUCLR Mate 200ID機(jī)器人，以及兩套BalserAc-2500相機(jī)進(jìn)行搭建，如圖2所示。機(jī)器人的重復(fù)定位精度為0.02 mm，相機(jī)圖像中單個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際長(zhǎng)度為0.015 3 mm，PCB板由傳送帶進(jìn)行傳送。

表2 DIP-4器件理論坐標(biāo)及標(biāo)定坐標(biāo)值

機(jī)器人從料盤(pán)通過(guò)吸盤(pán)取器件，將器件針腳送入遮光板的遮光孔中，由固定相機(jī)2識(shí)別針腳的圖像位置，根據(jù)相機(jī)外部參數(shù)、器件插件理論位置進(jìn)行坐標(biāo)變換獲取機(jī)器人實(shí)際插件位置，最后由機(jī)器人完成定位插件動(dòng)作。

實(shí)驗(yàn)中由于相機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定誤差、機(jī)器人定位誤差等誤差的存在，由器件在PCB理論位置直接獲取得到的實(shí)際插件位置無(wú)法進(jìn)行正常的插件動(dòng)作，本文按照章節(jié)4所述方法對(duì)DIP-4器件位置進(jìn)行了誤差補(bǔ)償后，器件的PCB理論位置與其補(bǔ)償后的位置如表2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，標(biāo)定值X軸，Y軸和角度三個(gè)方向的誤差均為非零誤差，其偏差值均值X方向?yàn)?.31 mm，Y方向?yàn)?.22 mm，角度方向?yàn)?.55°；波動(dòng)范圍X方向?yàn)?.25 mm，Y方向?yàn)?.70 mm，角度方向?yàn)?.40°。

最后本文利用上述標(biāo)定的插件位置，根據(jù)插件流程進(jìn)行了DIP-4，DIP-8，MOSFET，集成濾波器等元器件進(jìn)行了插件實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)100%插件成功率的性能。

5 總結(jié)

本文基于機(jī)器人自動(dòng)化插件線(xiàn)系統(tǒng)重點(diǎn)對(duì)遮光裝置設(shè)計(jì)與插件位置補(bǔ)償算法進(jìn)行的研究，有如下研究結(jié)果：

（1）根據(jù)光照與器件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種遮光裝置，提高了器件針腳檢測(cè)識(shí)別的準(zhǔn)確性和成功率；

（2）設(shè)計(jì)了一種插件誤差補(bǔ)償方法，有效降低了相機(jī)外部參數(shù)誤差以及機(jī)器人定位誤差對(duì)插件誤差的影響，可有效保證插件的成功率。

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