贴片机图像定位校准的MATLAB实现--《西安电子科技大学》2014年硕士论文
贴片机图像定位校准的MATLAB实现
【摘要】：当今,表面贴装技术(SMT)随着集成电路行业的蓬勃发展迅速流行起来,表面贴装设备在市场上的需求也越来越大。在整个SMT生产线中贴片机无疑是其最核心的设备。现在各种新型器件大都朝着微型化和高集成化发展,这些器件在电路板上的贴装必须采用表面贴装的形式。与传统的机械定位系统相比,机器视觉系统对于贴片机元器件识别和PCB板定位的精度有着显著提高,因此对于贴片机视觉系统中图像定位识别算法的研究已成为一个新的热点,其在高性能贴片机上的应用前景不可忽视。本文首先介绍了一下SMT技术的发展历史和当今贴片机生产领域的概况。然后着重分析了当今在生产高性能贴片机的技术上国内外的发展水平。为了设计贴片机中待测图像的处理方法,需要对图像的获取过程有一定的了解。因此本文首先介绍了一般贴片机视觉系统的组成和贴片机的工作流程。随后本文探讨分析了用于图像识别与处理的一般方法,其中包括：图像增强滤波中的均值与中值滤波；图像阈值分割方法中的p-分位数法、迭代法和最大类间方差法；图像形态学开运算和闭运算；对于规则图像的哈夫变换检测；canny边缘检测等。本文在贴片机图像上对于这些方法都一一进行了试验,最终选出了分别适合于不同类型器件,PCB标记点以及料栈基准点的图像识别定位算法,其大致步骤如下：首先对贴片机获取的图像进行阈值分割和形态学开运算和闭运算。然后对二值图像区域标记并计算区域性质,如面积,形心等。对DUAL类元器件设计了与之对应的管脚定位算法,再将识别到的其中一列管脚进行最小二乘拟合,计算器件中心和偏转角。本文首次对QUAD类元器件图像的管脚进行了识别与合并。根据器件本身的对称性,本文对所有管脚进行了合并以抵消部分管脚合并带来的偏差。通过合并后的区域计算器件的中心和偏转角。对吸料嘴上基准摄像机获取的图像,本文先进行了基于颜色特征的阈值分割。对圆孔形的标记运用面积阈值,该区域面积与包含该区域的最小矩形面积之比和该区域面积与包含该区域的最小凸多边形面积之比进行判定。最后经过多次实验,本文设计的程序成功实现了贴片机图像亚像素精度的定位校准,达到了预期目的。
【关键词】：
【学位授予单位】：西安电子科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TP391.41【目录】：
摘要5-6ABSTRACT6-10符号对照表10-11缩略语对照表11-15第一章 绪论15-21 1.1 选题背景与国内外现状15-17
1.1.1 表面贴装技术概述15
1.1.2 国内外现状15-17 1.2 机器视觉概述17-19
1.2.1 机器视觉系统研究内容17
1.2.2 机器视觉与计算机视觉的区别17-18
1.2.3 机器视觉在微电子生产中的应用18-19 1.3 课题研究的意义19 1.4 论文的主要工作19-21第二章 高性能贴片机简介21-27 2.1 国内外研究现状21-23 2.2 贴片机结构23-24 2.3 贴片头结构24-25
2.3.1 双吸着点设计24
2.3.2 吸嘴设计24-25 2.4 机械精度设计25 2.5 双定位摄像机25 2.6 本章小结25-27第三章 贴片机视觉系统的组成27-33 3.1 图像的获取27 3.2 贴片机工作流程27-28 3.3 主要设备28-30
3.3.1 照明系统28-29
3.3.2 图像获取系统29-30 3.4 本章小结30-33第四章 图像处理33-55 4.1 数字图像处理33-34
4.1.1 数字图像处理的优点33-34
4.1.2 数字图像处理的缺点34 4.2 MATLAB软件简介34-36
4.2.1 MATLAB的优点35-36
4.2.2 MATLAB的缺点36 4.3 MATLAB图像处理工具箱简介36-37
4.3.1 MATLAB生成dll36-37 4.4 滤波处理37-41
4.4.1 线形滤波器37-38
4.4.2 非线性滤波器38-40
4.4.3 图像滤波试验结果40-41 4.5 图像分割41-43
4.5.1 p-分位数法41
4.5.2 迭代方法选取阈值41
4.5.3 最大类间方差法41-43
4.5.4 阈值选取试验结果43 4.6 开运算与闭运算43-46
4.6.1 腐蚀和膨胀43-45
4.6.2 开运算与闭运算45
4.6.3 实验结果45-46 4.7 Hough变换46-48
4.7.1 检测结果48 4.8 边缘检测48-52
4.8.1 边缘检测的基础数学概念48-49
4.8.2 常见的边缘检测算子49-50
4.8.3 Canny算子50-52
4.8.4 边缘检测结果52 4.9 本章小结52-55第五章 贴片机图像对中检测55-65 5.1 对中检测55-60
5.1.1 元器件类型55-58
5.1.2 ROI设置58
5.1.3 DUAL类元器件对中检测58-59
5.1.4 QUAD类元器件对中检测59-60 5.2 PCB及料栈基准点检测60-62
5.2.1 对于PCB板的基准点检测61
5.2.2 对于料栈的基准点检测61-62 5.3 精度和运行时间分析62-63 5.4 本章小结63-65第六章 总结和展望65-67 6.1 总结65-66 6.2 研究展望66-67参考文献67-69致谢69-71作者简介71
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贴片机过程能力指数Cpk的验证来源：　点击数：1012次　更新时间： 9:48:27
一个测量长期精度和可靠性的新方法
戴弗.赣斯特(美)
为贴片机作品质接受试验(QAT, Qaulity Acceptance Test)，其中的挑战是保证所要测量的参数可以准确代表机器的长期性能。测量必须量化和验证X轴、Y轴和q&旋转偏移理想贴装位置的偏移量。一种用来验证贴装精度的方法使用了一种玻璃心子，它和一个“完美的”高引脚数QFP的焊盘镶印在一起，该QFP是用来机器贴装的(看引脚图)。通过贴装一个理想的元件，这里是140引脚、0.025”脚距的QFP，摄像机和贴装芯轴两者的精度都可被一致地测量到。除了特定的机器性能数据外，内在的可用性、生产能力和可靠性的测量应该在多台机器的累积数据的基础上提供。在完成预先的干循环和设定步骤之后，包括变换和校准，品质接收规范(QAC, Quality Acceptance Criteria)步骤开始了。
八个阶段的步骤
QAC是贴片机必须满足的准确的性能参数。八个阶段的QAC步骤中的第一步是，最初的24小时的干循环，期间机器必须连续无误地工作。
第二个阶段要求元件准确地贴装在两个板上，每个板上包括32个140引脚的玻璃心子元件。主板上有6个全局基准点，用作机器贴装前和视觉测量系统检验元件贴装精度的参照。贴装板的数量视乎被测试机器的特定头和摄像机的配置而定，例如，机器有两个贴片头和两个摄像机，那么必须用总共256个元件(35,840个引脚)贴装8块板。这包括了贴片头和摄像机的所有可能的组合。
用所有四个贴装芯轴，在所有四个方向：0°&, 90°&, 180°&, 270°&贴装元件。跟着这个步骤，用测量系统扫描每个板，可得出任何偏移的完整列表。每个140引脚的玻璃心子包含两个圆形基准点，相对于元件对应角的引脚布置精度为±&0.0001”，用于计算X、Y和q&旋转的偏移。所有32个贴片都通过系统测量，并计算出每个贴片的偏移。这个预定的参数在X和Y方向为±&0.003”，q&旋转方向为±&0.2，机器对每个元件贴装都必须保持。
为了通过最初的“慢跑”，贴装在板面各个位置的32个元件都必须满足四个测试规范：在运行时，任何贴装位置都不能超出±&0.003”或±&0.2的规格。另外，X和Y偏移的平均值不能超过±&0.0015”，它们的标准偏移量必须在0.0006”范围内，&q&的标准偏移量必须小于或等于0.047°&，其平均偏移量小于±&0.06°&，Cpk(过程能力指数process capability index)&在所有三个量化区域都大于1.50。这转换成最小4.5s&或最大允许大约每百万之3.4个缺陷(dpm, defects per million)。
通常，现在实现的性能系数超过2.0的过程能力指数，或大约每十亿之2个缺陷(6s&性能)。这个测量步骤允许制造商测量其生产要求得到怎样的满足。
累积完成后，单个的性能资料用来计算板上贴装的所有元件的平均和标准偏移，再决定Cpk。最终的QAC总结应由测量系统提供，列出目标位置，偏移目标的量，计算出各种脚距的引脚到焊盘的覆盖面积，单位：千分之一英寸，(图一)
Name: David Gunster
Pattern: STD Dual
Ambient temp: 67.8
Board ID: 2
S/W level: Spec
Time: 16:03:02
Spindles: All
Date: 08/08/95
Mach Type: GSM1
Head Type: HFH
Head Loc: Frt
PEC Information
Global Fiducials: 6 point
Specifications
UIC Tolerance
% Voverage
X, Y + - 0.0030
Theta + - 0.20
LW = Pitch* .5
PW = LW*1.25
Span = 1.5
Correction Matrix
Board #2 Data
EST. % COV
X Y T MLTE
Summary Board #2
Summary run #101
Total Boards in Run: 2
图一, Final run QAC suymmary
机器属性运行
在机器通过这些测试后，3000个元件的机器属性运行开始了，贴装全部规格的标准SMD，包括：0603，0805，1206片状，SOT23，SOIC08，PLCC44和QFP100。是生产准备运行，没有通过/失效的标准，它允许任何送料器或其它机械部分的重置。跟踪到的缺陷可能包括上面朝下的元件、侧立或竖立的元件，偏移的元件和任何焊盘覆盖面积小于75%的元件。
评估过程的下一步是另一个12小时的不停止干循环。
接下来是第二个玻璃心子元件运行，要求一块32个玻璃元件的板，摄像机和贴片头，和第二阶段相同的过程。(贴片板的数量由头和相机的组合总数决定。)&再一次，为第一个玻璃元件所建立的要求必须得到满足，以使机器继续QAC。
完成预定的QAC步骤后，机器必须经历3000个元件贴装的最后运行，只允许仅仅一个错误。如果不止一个贴装错误，根源必须找到，并更正。在这个阶段，机器的内在可用性不能低于98%。
最后的12小时干循环运行，不允许任何失效。最后一个贴装系列，要求用140引脚的QFP玻璃心元件、摄像机和贴片头来贴装两块板，用测量系统扫描所有贴装位置，记录数据，作出图表。
过程能力指数
板的设计几何形状和要求的品质等级，决定一个给定应用中的装配设备的性能(精度和可重复性)要求。例如，考虑以下情况，元件引脚贴放在板的焊盘上(图二)：基于其几何形状，贴装过程(只在X方向)的参数限定是焊盘上准确中心定位的引脚的&±&{Wp C Wl)/2 + C (C&的单位是0.001”)。即，当焊盘上引脚贴放位置超出+X(规定上限)或-X(规定下限)方向上的规定限值，则板被不接受。
图二, Lead-to-pad coverage and deviation permitted
一旦决定了板的最坏情况的规定限值，设备供应者提供的统计数据可以放入下式中：
Cpk = minimum of {(USL C&m&) / 3&s&, (m&- LSL) / 3&s&}
这里，m&和s&分别是平均和标准偏差，通过设备在许多程序驱动的试验中得到。这些数据和一个详细的试验方法说明一起提供，通过该试验方法收集数据，以保证机器性能满足所规定的性能要求。Cpk的结果数值是和标准偏差值成比例的，这个标准偏差值落在分布平均值和最近的规定上和下限之间。Cpk是重要的，因为它传达了给定贴装精度上的规定的缺陷率(图三)。
图三, The distribution of deviation from normal X, Y and Theta.
给客户提供支持服务，对设备制造商是必须的，同样提供保持通讯线开放的责任感，以得到机器的准确的、可理解的信息。为了满足知情的需求，应该在发货时提供完整的机器性能说明文件，应该包括含有所有在QAC测试期间收集的机器规格数据的表格，以及解释术语和收集信息类型的文件。
为了帮助顾客明白QAC过程和提供解答有关设备的技术问题的联系地址，文件中也必须包括直接参与QAC评估的人名及签字。
除这些信息之外，操作、中断、失效和总计修理时间加上总计贴片数量、贴片错误数量、内在可用性、内在生产量和在各PPM水平下的贴片性能、完整的技术术语解释和统计关系的定义等也在机器性能文件包中。
最后，提供设备长期处理性能的良好前景，以及设备制造商维持内部制造过程控制的能力，最新70台机器的历史数据也应提供。这个信息可以用以计算失效之间的、中断之间的、停机之间的平均时间，作为一个延续的平均。70台机器的数据可使总计贴片数从10,000+增加到500,000+，产生相关的累积效益。事实上，这些为机器性能和设备制造商的内部测量过程提供了一个长期的跟踪过程。
和PCB装配关联的要求变得越来越强烈。由于过程的复杂性增加，和元件类型的范围变广，贴片机性能必须在所有方面越来越精密。以可理解的方式收集和提供机器性能数据是伙伴合作过程的关键部分。测量本身只能解答问题的某方面；适当地解释和应用结果可达到完全的理解。
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