基于機器視覺的表貼器件自動化搪錫系統(tǒng)設(shè)計

張永忠 徐光躍 朱麗娜 于立昆 杜曉妍

基于機器視覺的表貼器件自動化搪錫系統(tǒng)設(shè)計

張永忠1徐光躍1朱麗娜2于立昆1杜曉妍1

（1.北京城市學(xué)院智能電子制造研究中心，北京 100083；2.北京新立機械有限責(zé)任公司，北京 100039）

為解決手工操作細(xì)間距表貼器件搪錫及除金成品率低的問題，開發(fā)了基于機器視覺的表貼器件自動化搪錫系統(tǒng)，介紹了自動化搪錫系統(tǒng)的設(shè)計方案、硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)。為實現(xiàn)自動化，采用圖像處理的方法，自動獲取器件的外形尺寸，采用Canny算子進(jìn)行邊緣檢測，重點介紹了引腳長度的測量方法。為解決短路的問題，采用六軸機器人執(zhí)行搪錫的動作，避免了手工搪錫精度低、抖動的問題。對該系統(tǒng)的測試表明，該系統(tǒng)能滿足引腳間距0.5mm及以上表貼器件搪錫與除金工藝要求。

機器視覺；表貼器件；自動化搪錫；除金

1 引言

在電子元器件組裝工藝中，為提升器件引腳的可焊性，降低虛焊，通常采用搪錫工藝，對于引腳鍍金的器件，為防止“金脆”，采用搪錫工藝去除引腳焊接部位的金元素，無鉛器件引腳有鉛化，也采用搪錫工藝。搪錫工藝被廣泛引用，但是隨著元器件引腳數(shù)的增加、引腳間距的減小，傳統(tǒng)的手工烙鐵搪錫或手工夾持芯片浸蘸錫鍋搪錫方式已不能滿足生產(chǎn)需求，以CTSOP、CQFP封裝的器件為例，其引腳都是鍍金的，且中心距只有0.5mm，為細(xì)間距表貼器件，如圖1所示。按照QJ 165B《航天電子電氣產(chǎn)品安裝通用技術(shù)要求》的規(guī)定，這類器件焊接前必須進(jìn)行搪錫除金[1]。

因而，無論是提升元器件引腳可焊性、無鉛引腳有鉛化，還是去金，都需要使用搪錫工藝，然而，隨著元器件集成度的提高，表貼器件引腳間距越來越小、引腳數(shù)越來越多、器件尺寸越來越小或越來越大，為搪錫工藝的實施帶來很大挑戰(zhàn)。

圖1 CTSOP、CQFP器件引腳

2 現(xiàn)狀分析

目前，對于表貼器件搪錫，一般采用手工夾持在錫鍋浸蘸焊錫的搪錫工藝，對于引腳中心距不到0.5mm的器件，易出現(xiàn)以下3個問題：

a. 引腳趾部附近短路。這類短路可以清除，但是需要對器件多次加熱，增加對器件的熱沖擊次數(shù)，對操作員技能要求高，否則會損傷器件引腳；

b. 引腳根部短路，如圖2所示。手工夾持器件搪錫時，器件引腳浸入焊錫的深度無法精確控制，如果手不穩(wěn)，引腳浸入焊錫過多，造成引腳根部短路。這種短路很難修復(fù)，不僅造成經(jīng)濟損失，還影響交付節(jié)點；

圖2 手工搪錫浸錫深度未受制，引腳根部短路

c. 搪錫后，引腳搪錫不均勻，貼裝后平整性較差。

圖3 烙鐵搪錫去金易發(fā)生的問題

除了在錫鍋浸蘸焊錫的搪錫工藝之外，還可采用烙鐵搪錫的工藝，但是烙鐵搪錫，焊錫量少，會出現(xiàn)焊點中金元素超過3%的情況，容易發(fā)生金脆，導(dǎo)致失效。圖3為烙鐵搪錫除金不徹底，產(chǎn)品在環(huán)境試驗過程中，焊點開裂，導(dǎo)致失效的案例。

另外，目前元器件搪錫都是采用手工操作，受工人技能水平、情緒、疲勞程度的影響較大，這也是制約搪錫效率與質(zhì)量的因素之一。

為解決以上問題，本文提出基于機器視覺表貼器件自動化搪錫系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)主要由器件吸取裝置、機器視覺系統(tǒng)、六軸機械臂、錫鍋、PLC、控制軟件等組成。機器視覺系統(tǒng)包括工業(yè)相機、光源、鏡頭以及圖像算法，是系統(tǒng)的核心部分，主要完成器件圖像的采集、圖像的預(yù)處理與計算工作，將計算結(jié)果反饋給六軸機械臂，機械臂依據(jù)計算結(jié)果，自動完成搪錫工作，無需手工輸入?yún)?shù)，使用方便。

3.1 機器視覺系統(tǒng)

機器視覺系統(tǒng)由工業(yè)相機、鏡頭、光源，及圖像算法等組成。

要實現(xiàn)自動化搪錫，需要獲取器件的外形尺寸、引腳長度、器件的中心位置，以自動確定搪錫時的進(jìn)給量。本文基于視覺技術(shù)自動獲取上述尺寸。

3.1.1 邊緣檢測

通過邊緣檢測，獲取器件的外形輪廓，進(jìn)而可以計算器件的外形尺寸。

圖像的邊緣主要是高頻信號，有方向性、變化劇烈兩個顯著特性，變化劇烈的強度用梯度幅值來表示。即沿邊緣方向，梯度幅值變化平緩；在垂直邊緣方向，梯度幅值劇烈變化。因此，在邊緣位置一階導(dǎo)數(shù)值大，二階導(dǎo)數(shù)值是零，出現(xiàn)零交叉現(xiàn)象，可以求一階導(dǎo)數(shù)極大值或者二階導(dǎo)數(shù)零交叉點，獲得圖像邊緣。經(jīng)常使用的一階導(dǎo)數(shù)邊緣檢測算子有羅伯茨（Roberts）、普魯伊特（Prewitt）、索貝爾（Sobel）等算子；二階邊緣檢測算子有：拉普拉斯（Laplacian）、拉普拉斯高斯（LOG）、凱尼（Canny）等算子[2～5]。

Canny算子具有對邊緣檢測準(zhǔn)確度高、對邊緣定位精確度高的特點，在視覺檢測中廣泛應(yīng)用。在研究過程中比較了Prewitt、Sobel、拉普拉斯高斯（LOG）、Canny算子的效果，Canny效果最好，因此本文采用Canny算子。Canny算子在邊緣檢測中滿足三大最優(yōu)準(zhǔn)則：

a. 檢測性能最優(yōu)：檢測到的邊緣信息漏檢率和誤檢率最小，能夠精確地找到圖像中的盡可能多的邊緣，信噪比SNR越大越好；

b. 定位最優(yōu)：檢測到的邊緣點，定位精確，在邊緣的中心；

c. 檢測點與真實邊緣點對應(yīng)最優(yōu)：在圖像中，任意邊緣只有一個像素響應(yīng)，噪聲不產(chǎn)生偽邊緣。

Canny算子分為5個步驟：

c. 計算圖像的梯度幅值和方向，公式如下：

d. 非極大值抑制。根據(jù)Canny檢測三個最優(yōu)原則c，圖像中的任意邊緣應(yīng)該只有一個像素響應(yīng)。采用非極大值抑制，將非極大值抑制為0，實現(xiàn)圖像中的任意邊緣應(yīng)該只有一個像素響應(yīng)，公式表示為：

圖4是使用Canny算子提取QFP器件邊緣的效果。

圖4 Canny算子提取QFP器件邊緣

3.1.2 求引腳長度

圖5 計算引腳長度

通過測灰度值的方法，將引腳與背景區(qū)分開來，因為引腳本身和背景比起來是比較暗的，如圖5a所示。

為測量灰度值，先確定一個矩形感興趣區(qū)域，如圖5a中方框，以輪廓線為橫坐標(biāo)，在每個橫坐標(biāo)點做垂線，求得這條垂線上感興趣區(qū)域內(nèi)每個點的坐標(biāo)的灰度值，取平均值，作為這個橫坐標(biāo)點的平均灰度值。這樣有引腳的地方，灰度值就會和兩邊都不一樣（一邊暗，一邊亮），如圖5b所示。圖5c是用灰度值測量法求取的引腳長度，左側(cè)引腳長度、右側(cè)引腳長度均為最外側(cè)引腳的長度，即需要搪錫的引腳長度。用同樣的方法，可以求得器件封裝本體的寬度。

3.2 搪錫動作執(zhí)行裝置

為適應(yīng)搪錫時不同的動作，選用自由度較多的六軸機械臂作為搪錫動作執(zhí)行裝置，如圖6所示，主要功能是承載器件吸嘴等拾取裝置，執(zhí)行搪錫動作。采用模塊化的設(shè)計思想，吸嘴裝置通過螺釘安裝在機械臂的前端，可以拆卸，即機械臂可以搭載其它工裝夾具，實現(xiàn)一機多用。

圖6 六軸機械臂

在機械臂的前端，有一個8引腳的小型連接器，此連接器為特定工裝夾具和傳感器提供電源和控制信號，實現(xiàn)機械臂與圖像處理數(shù)據(jù)模塊之間的數(shù)據(jù)交換。

3.3 控制軟件設(shè)計

根據(jù)搪錫系統(tǒng)功能，控制軟件設(shè)計了三大功能模塊，每個模塊分別具有不同的功能，如圖7所示。

圖7 控制軟件功能模塊

機器人控制模塊，主要是控制機器人的吸取器件、拍照、搪錫等動作的執(zhí)行，以及與相機、PLC等模塊的相互通信。

相機控制模塊，主要是實現(xiàn)相機的開、關(guān)、圖像轉(zhuǎn)換等功能，以及與機器人的相互通信。

PLC控制模塊，主要是實現(xiàn)錫鍋溫度、轉(zhuǎn)速、PID等參數(shù)的設(shè)置。

基于機器視覺的表貼器件自動化搪錫系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 自動化搪錫系統(tǒng)

4 實驗結(jié)果與討論

使用基于機器視覺的表貼器件自動化搪錫系統(tǒng)，對間距0.5mm的CTSOP、QFP等封裝器件進(jìn)行了搪錫試驗，從器件拾取至搪錫結(jié)束，放回器件，均由機械臂完成，無需人工干預(yù)，搪錫結(jié)果良好，無論是CTSOP封裝，還是QFP封裝，均未出現(xiàn)短路。除金效果良好，如圖9所示。

圖9 基于機器視覺的表貼器件自動化搪錫系統(tǒng)除金效果

圖10 本系統(tǒng)與手工烙鐵搪錫對比

圖10a是手工搪錫烙鐵除金，存在兩個問題，一是引腳上焊錫呈現(xiàn)灰白色，說明金含量偏高，除金效果不一定達(dá)到要求；二是存在錫塊，搪錫后引腳底部平整性不好；圖10b是使用本系統(tǒng)搪錫，引腳上焊錫光滑光亮，未見明顯錫塊，平整性好，整體質(zhì)量比手工烙鐵搪錫好。驗證了機械臂與流動錫鍋替代手工搪錫的可行性。

對搪錫后的鍍金元件引腳進(jìn)行檢測，如圖11所示，用數(shù)碼顯微鏡觀察引腳上錫情況，搪錫層光滑、光亮，未見錫塊等凸起物，平整度較好，如圖11a所示。截取引腳截面，用掃描電鏡分析，搪錫層內(nèi)部組織較為均勻，搪錫層厚度小于17μm，如圖11b所示。用能譜儀對搪錫層截面進(jìn)行線掃描，檢測搪錫層中的金元素，如圖11c所示，從左至右，分別是搪錫層、引腳鍍鎳層（引腳最外鍍金層在搪錫時被消耗）、引腳基材，搪錫層內(nèi)未檢測出金元素，除金效果良好。

5 結(jié)束語

基于Canny算子邊緣檢測、灰度測量，本文提出了表貼有引線器件的外形尺寸測量方法，將理論與實踐結(jié)合，取得了較好的效果。

本文將機器視覺應(yīng)用到了自動化搪錫系統(tǒng)中，與六軸機械臂協(xié)同，成功地實現(xiàn)了自動化搪錫，解決了表貼有外引腳器件搪錫及除金成品率低的問題。該系統(tǒng)在航空航天、汽車電子等可靠性要求高的領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 QJ 165B－2014 航天電子電氣產(chǎn)品安裝通用技術(shù)要求[S]

2 金剛．自適應(yīng)Canny算法研究及其在圖像邊緣檢測中的應(yīng)用[D]．杭州：浙江大學(xué)，2009

3 Canny J. A computational approach to edge detection[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1986, 8(6): 679～698

4 雒濤，鄭喜鳳，丁鐵夫. 改進(jìn)的自適應(yīng)閾值Canny邊緣檢測[J]. 光電工程，2009，36(11)：106～111，117

5 唐路路，張啟燦，胡松. 一種自適應(yīng)閾值的Canny邊緣檢測算法[J]. 光電工程，2011，38(5)：127～132

Design of Automatic Tinning System for Surface Mounting Components Based on Machine Vision

Zhang Yongzhong1Xu Guangyue1Zhu Lina2Yu Likun1Du Xiaoyan1

(1. Intelligent Electronic Manufacturing Research Center of Beijing City University, Beijing 100083;2. Beijing Xinli Machinery Co., Ltd., Beijing 100039)

In the process of manual tinning operation for surface-mounted fine-pitch devices, there is a problem of poor rate of finished products. In order to satisfy the quality of tin enameling and gold removal, automatic tinning system for surface mounting components based on machine vision is developed. This paper introduced the design scheme, hardware system and software system of the automatic tinning system. In order to achieve automation, the image processing method is adopted to automatically acquire the external dimensions of the device and the canny operator is used for edge detection. The measurement method of the pin length is mainly introduced in this article. In order to solve the problem of short circuit, the six-axis robot is used to perform the action of tin enameling, which avoids the problem of low precision and jitter of hand-held device enamel. Tests on the system show that the system can meet the requirements of tin and gold removal processes for surface mount devices with pin pitches of 0.5mm and above.

machine vision；surface mounting components；automatic tinning；degolding

張永忠（1983），高級工程師，微電子封裝專業(yè)；研究方向：電子制造相關(guān)智能制造、智能檢測、增強現(xiàn)實、圖像處理。

2019-06-05