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1、,2018年10月18日,胡跃明 教授 EMAIL: TEL:020-87113187,精密电子组装中 的机器视觉和运动控制技术,目录,一、研究背景 二、核心技术 三、视觉检测 四、控制系统 五、中心介绍,一、研究背景, 应用背景：各种片式元器件组装到PCB或将裸片贴到封装基板,贴片机-电子信息制造业需求量最大的关键工作母机没有贴片机就没有手机等便携式电子产品的今天！,印刷：焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘（丝印机） 贴片：将表面组装元器件准确安装到PCB的固定位置（贴片机） 焊接：将焊膏融化，使表面组装元器件与PCB 板牢固粘接（回流焊炉） 检测：在贴装和回流焊后对PCB进行在线质量检测（AO
2、I、AXI）, 发展趋势：,尺寸：两极方向发展（从200 x 125 mm到0805、0603、0402、0201、01005） 间距：引脚数不断增加、引线间距不断缩小（QFP:0.25mm;BGA:0.2mm;CSP:0.05mm） 类型：多元化（各种LED器件、柔性板、屏蔽罩、太阳能电池芯片） 技术：模块化、封装/组装/插件一体化、节能环保(无铅化), 装备特点：高速、高精度、多元化发展的三大关键装备之一,长期依赖进口淘汰技术和设备！, 国内发展概况：,关键设备全自动贴片机，国产化前仆后继！80年代：上海21所、无专厂、泰士昆、上海交大、微电子装备所先后搞过五次，停留在科研项目鉴定90年代
3、：支持2所、7所开展SMT研发，停留在科研项目鉴定2000年：熊猫电子、广州羊城、上海交大，先后中断珠海运泰利等正在启动贴片机研制项目华南理工大学与风华高科：系列机型已实现小批量产业化！, 国内发展概况：,辅助设备已实现量产：回流焊炉:广东风华、东莞科隆威、深圳日东等丝印机：东莞凯格、东莞科隆威、深圳德森、广东风华等光学检测设备：东莞神州视觉、深圳振华、启东日联等,大环境问题：产业链：存在许多缺口，被动型电子制造大国。政 府：整个产业长期得不到国家层面的支持与重视。国际竞争：国际知名电子企业参与竞争、技术进步一日千里。 技术瓶颈问题技术难度高：光机电、自动化、计算机、光学等交叉产业要求高：数控
4、装备、熟练技工、装配、测试、市场资金投入大：研发投入大、可靠性需投入数千万元测试教育问题教育：教育与生产脱节，整个SMT行业人才严重缺乏。技工： 国外产品一统天下，需要熟练的外语，SMT技工奇缺质量： SMT工艺水平差导致终端产品质量差、返修率高, 症结问题：,市场需求依然旺盛：高速机型：随手机、笔记本电脑、数码相机和汽车音响等稳定增长中高速机：随中小企业转型需求急剧增长专用机型：随LED、太阳能电池、柔性电路板、屏蔽罩等成为新增长点, 发展机遇：,国外产品也满足不了生产要求需求：非标器件：LED、太阳能电池芯片及FPC、屏蔽罩等各种非标准器件高端芯片：各种极大规模集成电路倒装芯片、3D封装芯
5、片等微型元件：各种微型化元件（01005及以下尺寸）,文章标题： 世界工厂优势不再 建设SMT强国势在必行 建设SMT强国的基础 金融海啸挡不住中国SMT强国的步伐 怎样才算SMT强国 建设SMT强国的四件大事： 政府一定要在建设SMT强国的进程中有作为 人才培养是重中之重 SMT企业要坚持自主创新 SMT行业和谐合作“和为强”,贴装设备国产化刻不容缓，大有可为！ 产业需求：汽车电子、太阳能、LED照明、医疗电子等后发展契机！ 政府引导：国家和地方政府尤其是广东省政府重点扶持装备制造业！ 经验积累： 20余年引进消化吸收，软硬件和产业化环境进步！ 业界期盼 2015年成为SMT强国！,二、核心
6、技术,转塔式贴片机结构, 精密机械设计,动臂式贴片机结构,多工作站贴片机结构,转塔式：贴装头数在12个以上，产能每小时25万片；适用尺寸小、引脚简单、 精度低场合动臂式：贴装头数一般为28个，产能每小时0.52万片；可贴装各种尺寸和封装形式的元器件；质检、定位通过高速视觉系统，且采用飞行换嘴技术工作站：多模块或多机型并行组装，产能每小时510万片, 特点,高速高精度视觉检测技术 多目标动态视觉信息获取与预处理 多目标识别、优化和定位算法及实现 自适应照明系统设计多轴运动控制技术 基于视觉的多轴运动建模及简化 多轴运动/力协调控制及优化 喂料、检测与贴装过程的并行处理技术精密零部件设计与加工 喂
7、料器、组装头、吸嘴的设计与加工 精密丝杠设计及加工 安装、测试工艺及标准系列表面贴装和检测设备实现 系列高端贴装设备自主研制 系列X光学检测设备自主研制 关键零部件国产化, 关键技术：, 研究方法及技术路线：,循序渐进的战略规划, 瞄准中高端SMT装备，逐步实现国产化！ 建设SMT装备研发、制造和应用强国！,技术创新点（核心技术专利占国内3/4）全自主软硬件系统设计自适应光源系统多视觉检测/多轴控制一体化嵌入式视觉系统贴插一体化技术, 研究进展：,8/4/2头系列机型：各种机型生产销售120余台，创造直接经济效益6000万2004年国家重点新产品2008年中国SMT创新成果奖,技术团队：精密电
8、子制造装备教育部工程研究中心 广东省高校产学研结合示范基地联合中科院自动化所、东南大学等优势力量,三、视觉检测, 图像采集与处理系统设计：,目的：获得PCB及元器件的基本信息，并进行贴装校准 难点：高速动态采集及识别同样硬件下处理种类繁多的缺陷检测和定位信息！PCB及芯片高密度大尺寸化、片式元器件日益微型化！, 移动示教系统：贴装头、采用面阵CCD元件拾取位置参数示教：喂料器、托盘系统元件拾取位置示教PCB板定位信息校准及示教：PCB参考点、Mark点、元件贴装位置示教贴装质量检测：元件贴装完成后贴装效果检查, 前台多视觉系统：前台机架、线阵CCD、高速运动采集和校准。检测：从形状、长宽尺寸判
9、断吸取元件类型是否正确；检测芯片管脚数是否符合； 判断管角排列有无异常弯折、太靠近或短路等。校准：采集及计算8个吸嘴上所吸取元件的位置偏移及角度偏差。, 后台多视觉系统：后台机架、2k像素/线以上的高分辨率CCD功能：主要用途与前台摄像机系统相同。特点：处理大尺寸IC、异形件等（宽度最大60mm以下的各类元器件）,线阵CCD可直接采集大尺寸长条形的元件图像如采集长宽为128x35mm区域的图像一般不超过120ms。而面阵CCD在相同物距的情况下，可视范围只能达到30mmx30mm，必须分多次采集或采用多个面阵CCD同时采集，因此不适合处理长条形大尺寸器件。面阵CCD不能直接采集大尺寸元件图像面
10、阵CCD四次采集的图像还需拼合成为一张完整图片才能进一步作图像校准。但一般面阵CCD采集的图像的边缘部分会出现变形失真，导致拼合后的图片出现拼合处图像失真，继而会影响计算出来的数据。性价比：线阵CCD价格高且是运动采图，如果采用恒速采图的方案，则要求必须保证电机在采图时的速度波动小于1时，而面阵CCD静止采图失真较少。, 图像采集方式：线阵与面阵CCD结合,速度误差在+1%时，角度误差有0.20.3 速度误差在+0.1%时，角度误差有0.020.03,恒速采图方式：器件运动速度控制精度必须小于1，否则会带来图像变形,行同步变速采图方式：将伺服电机编码盘信号与线阵CCD行采集触发信号同步，可使采
11、图不受器件运动速度波动的影响，也可提高采集速度。, 线阵CCD两种采图方式的比较：, LED光源系统：,常用选型： CCS公司产品环形侧光源LDR-120B （图中外圈的大光源）适用于大尺寸的QFP、BGA、CSP等元件的照明低角度环形光源LDR-50B （图中内圈的小光源）适用于小尺寸的CHIP、二极管、三极管等元件的照明自适应光源：自主研发自适应调整两个光源照明亮度，获得各类不同元件的最佳图像效果,几种常用元器件图像, 图像处理算法： 目的：检测对象类型、质量、位置信息 特点：多任务、高速、高精度、运动协调 步骤：预处理、识别 难点：1、元件封装种类繁多：常见有CHIP、SOIC、QFP、
12、BGA、CSP以及各种异形元器件等。2、元件尺寸变化范围大：从最小01005(0.4mm x 0.2mm )到最大128mmx60mm 的器件。3、定位精度高：要求XY轴误差0.08mm, 角度误差0.084、抗干扰要求高：多引脚元件引脚反光效果存在差异、运动过程采集不同步及并行，要求算法鲁棒性高因此，需要针对各种封装的特点设计多种专用算法。, 预处理： 目的：将贴装元件准确地从图像的背景中分割出来 方法：A) 阈值法设定灰度阈值，然后将各像素灰度值与其比较，分为两类B) 区域法选取种子点，再将种子像素周围的相似像素合并构成区域C) 边缘法检测不同区域间的边缘来解决图像分割问题D) 分水岭法
13、把灰度图像视为地形表面，每个像素灰度值为该点海拔高度,每个局部极小值及影响区域称为集水盆，其边界形成分水岭。,MATROX公司MIL7.0图像库软件 模板匹配算法角度识别精度评估表, 识别算法： 目的：定位待贴元器件的几何中心、旋转角度、规格尺寸、引脚质量等。例如对于BGA类的芯片主要需要识别以下信息：判断吸取类型是否正确；计算球形引脚数、面积是否符合要求；计算位置偏差、角度偏差。 方法：A) 模板匹配法设定标准模板，然后进行匹配！计算量大、耗时！结合快速傅立叶变换等提高速度！B) 几何矩法利用HU氏矩关于平移、缩放、旋转等的不变性质，提取特征进行匹配！C) 矢量匹配法利用四元数理论，对RGB
14、图像进行识别提升可靠性和速度！,四、控制系统, 工作流程：,目的：高速喂料、吸取、运动校正、高精度贴装 难点：高速喂料、高速高精度贴装、多目标协调优化多轴运动控制, 自主研制电气控制系统：上位系统软件、通讯软件、专家系统软件的设计与编制； 下位控制软件的设计与编制； 高速运动算法、模板识别与匹配、运动协调与优化算法等子系统的研制与程序实现； 图像采集与数字图像处理； 送料系统的运动控制; 人机界面设计; 各控制机间的数据传输； 控制机与其他设备的数据通讯； 系统结构设计； 电气原理设计。, 电气系统设计：, 电气系统总体设计：, 程序控制系统： 所有基于硬件的软件实现 人机交互主控中心：工控机
15、及监视器，人机交互界面及键盘输入输出 PC104 AD IO子处理系统：主要进行模数转换、I/O处理和功能控制 高精度伺服运动控制系统：通过两块四轴伺服运动控制卡，实现X、Y、Z、W、R、PU轴的运动控制 图像采集与处理系统：包括PCB摄像机、前台线阵摄像头、后台面阵摄像头系统,各模块功能：,三个PC104子处理系统通过串口RS485 ，采用半双工通讯方式与上位机通讯，分别实现以下功能： A板子处理系统：主要是对前台50个喂料器、指示灯及LED光源的控制 B板子处理系统：主要是对PCB板传送带及后台50个喂料器控制 H板子处理系统：对贴装头各嘴气压值检测及吸片、贴片、换嘴控制, PC104子处
16、理系统设计：, 运动控制系统（主要包括位置、同步控制）设计：, 一般位置控制： 主要包括X、Y、R、Z、PU、W轴的半闭环位置运动控制 同步控制： 采用了运动控制卡一个通道同时控制两个电机的方式来解决左右电机的同步问题。实践证明这种方式优于运动控制卡内部电子齿轮指令的同步控制方式。,系统软件 通讯软件 专家系统软件 示教系统软件和智能调整服务系统包括检测对象的样板库生成、数据生成、数据综合、示教处理、规则生成专家系统、智能模板识别与匹配算法、纠偏处理、上料控制、高速运动控制、检测与运动间的任务协调、开停机处理、故障判定与报警、系统状态分析、打印输出、在线指导等所有软件子系统设计和集成。, 软件系统设计：,
