PCB自动光学检测系统精确校准与全覆盖移动路径规划.pdf

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1、摘要 摘要 印刷电路板( P C B ) 自动光学检测( A O I ) 系统可以快速、准确地实现对P C B 表面安装元器件的自动检测，是提高电子制造业自动化水平和产品质量的重要设 备。为了提升A O I 系统的检测精度和速度，本文对P C B 圆形基准点校准算法和 摄像机全覆盖移动路径规划算法进行了研究，具体工作内容如下： ( 1 ) 基于改进H o u g h 变换的P C B 圆形基准点校准算法研究：本文以P C B 圆 形基准标识为研究对象，建立了分别以机械原点、基准点、摄像机视野( F O V ) 图像左上顶点为零点的三层坐标系来保存位置信息，间接消除了机械平台定位误 差和P C

2、B 制造误差造成的元器件取像误差。采用H o u g h 变换法检测基准点圆心 位置，针对传统圆H o u g h 变换计算量大、占用内存多的缺点，提出了利用基准点 物理尺寸信息和圆的对称性粗略确定圆参数的方法。在粗略参数附近进行精确搜 索，大大缩小了H o u g h 变换累加器空间，优化了算法效率。为了获取良好的基准 点边缘信息，对基准点图像进行了灰度化处理、中值滤波、阂值分割和S o b e l 边 缘检测等四步预处理。 ( 2 ) 基于遗传算法的摄像机全覆盖移动路径规划算法研究：建立了摄像机移 动路径规划问题的数学模型，给出传统上了将路径规划问题分割成聚类子问题和 最短路径子问题分步求

3、解的算法思路。分析了分步求解法的缺点，在此基础上， 提出利用遗传算法进行综合优化求解。结合问题，定义了染色体、适应度函数和 遗传操作算子，采用交叉算子、变异算子和顺序算子结合计算的方法，提高了解 的收敛速度。 实验结果显示，基准点定位算法耗时为毫秒级，实时性好，定位精度达到0 5 像素，满足A O I 系统取像精度要求。遗传算法有效解决了摄像机移动路径规划问 题，减少了系统总体工作时间。这两个关键工程技术问题的解决具有一定的实际 意义，并为机器视觉这一前沿技术的进一步研究提供了参考。 关键词：自动光学检测；基准点；路径规划；H o u g h 变换；遗传算法 广东工业大学硕士学位论文 A BS

4、 T R A C T A u t o m a t e do p t i c a li n s p e c t i o n ( A O I ) s y s t e mf o rp r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( P C B ) c a n a c h i e v ea u t o m a t i cd e t e c t i o no ft h eP C Bs u r f a c em o u n t c o m p o n e n t sq u i c k l ya n d a c c u r a t e l y S oi ti sa ni m p o

5、r t a n te q u i p m e n tt oi m p r o v et h el e v e lo fa u t o m a t i o no f e l e c t r o n i c s m a n u f a c t u r i n ga n dg u a r a n t e ep r o d u c tq u a l i t y I no r d e rt oe n h a n c et h e d e t e c t i o na c c u r a c ya n ds p e e do fA O Is y s t e m ，a l g o r i t h m sf

6、o rr e g i s t r a t i o no f c i r c l eP C B f i d u c i a lm a r k sa n dc o m p l e t ec o v e r a g ep a t hp l a n n i n go fc a m e r aa r er e s e a r c h e di nt h i s p a p e r T h ec o n c r e t e l yw o r k sa r el i s t e da sf o l l o w ： ( 1 ) T h er e s e a r c ho fi m p r o v e dH o

7、 u g ht r a n s f o r mb a s e df i d u c i a lm a r k sr e g i s t r a t i o n a l g o r i t h m ：W et a k ec i r c l eP C Bf i d u c i a lm a r ka ss t u d yo b j e c t C o o r d i n a t es y s t e m sa r e e s t a b l i s h e do nm e c h a n i c a lh o m ep o s i t i o n ，f i d u c i a lp o i n t

8、a n dl e f tu p p e r p o i n to fF O V i m a g er e s p e c t i v e l y I m a g e g e t t i n ge r r o r sc a u s e db ym e c h a n i c a lp l a t f o r mp o s i t i o n i n g e r r o r sa n dP C Bm a n u f a c t u r i n ge r r o r sa r ee l i m i n a t e d i n d i r e c t l y w h i l eu s i n gt h

9、 r e e c o o r d i n a t es y s t e m st os a v ep o s i t i o ni n f o r m a t i o n W eu s eH o u g ht r a n s f o r m t od e t e c tt h e c e n t e rp o i n to ff i d u c i a lm a r ka n di m p r o v et r a d i t i o n a lH o u g ht r a n s f o r mt o o v e r c o m e t h e d i s a d v a n t a g e

10、 so fl a r g ec o m p u t i n ga n d m e m o r ye x h a u s t i n g C o a r s ec i r c l e p a r a m e t e r sa r ee s t i m a t e df i r s tu s i n gp h y s i c a ld i m e n s i o ni n f o r m a t i o no ff i d u c i a lm a r k s a n dc i r c u l a r s y m m e t r y T h e na c c u r a t es e a r c

11、h i n gi si m p l e m e n t e dn e a r b yc o a r s e p a r a m e t e r s T h i sm e t h o dg r e a t l yr e d u c e st h eH o u g ht r a n s f o r ma c c u m u l a t o rs p a c ea n d o p t i m i z e st h ee f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h m I no r d e rt oo b t a i ng o o de d g ei n f o

12、r m a t i o no f f i d u c i a lm a r k ，as e q u e n c eo fi m a g e p r e p r o c e s s i n gi si m p l e m e n t e dt of i d u c i a lm a r k i m a g e ，i n c l u d i n gg r a yp r o c e s s i n g ，m e d i a nf i l t e r i n g ，b i n a r i z a t i o na n dS o b e le d g e d e t e c t i o n ( 2 )

13、T h er e s e a r c ho fg e n e t i c - b a s e dc a m e r ac o m p l e t ec o v e r a g e p a t hp l a n n i n g a l g o r i t h m ：W eb u i l dt h ep r o b l e m 。m a t h e m a t i c a lm o d e la n da n a l y z ei t T r a d i t i o n a l l y , t h i sp r o b l e mi sd i v i d e dt oi n t ot w op a

14、 r t s O n ei sc l u s t e r i n gp r o b l e m ，a n dt h eo t h e ri s s h o r t e s tp a t hp r o b l e m B u tt h e r ea r es o m ed r a w b a c k si n t w o s t e pm e t h o d T h i sp a p e r p r o p o s e san e wg e n e t i c b a s e dc o m p r e h e n s i v em e t h o dt os o l v et h e p r o

15、 b l e m T h e U A B S T R A C T c h r o m o s o m e ，f i t n e s sf u n c t i o na n dg e n e t i cm a n i p u l a t i o no p e r a t o r sa r ed e f i n e ds o l v e o u rp r o b l e m b yg e n e t i ca l g o r i t h m W h i l ec o m b i n gc r o s s o v e ro p e r a t o r , m u t a t i o n o p e

16、r a t o ra n ds e q u e n c eo p e r a t o r ，c o n v e r g e n c es p e e di si m p r o v e d T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e c i s i o no fd e t e c t e df i d u c i a lm a r kc e n t e r r e a c h e s0 5 p i x e l A n d t i m e c o n s u m p t i o n i sm i l l i

17、s e c o n dl e v e lw i t hr e a l t i m e p e r f o r m a n c e T h eg e n e t i ca l g o r i t h m i sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt ot h ec a m e r ap a t h p l a n n i n gp r o b l e m I tr e d u c e sA O I St o t a lw o r k i n gt i m e T h e s et w ok e ye n g i n e e r i n g p r o b l e

18、 m sa r es u c c e s s f u l l yr e s o l v e dw i t hs o m ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e K e yw o r d s ：A u t o m a t e do p t i c a li n s p e c t i o n ；F i d u c i a lm a r k ；P a t hp l a n n i n g ；H o u g h t r a n s f o r m ；G e n e t i ca l g o r i t h m 广东工业大学硕士学位论文 目录 摘要I A B

19、 S T R A C T I I 目录。I V C O N T E N T S V I I 第一章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 圆检测技术研究现状3 1 2 2 路径规划技术研究现状4 1 3 课题来源及论文主要工作5 1 3 1 课题来源5 1 3 2 本文主要工作5 第二章A O I 系统结构与检测原理7 2 1A O I 系统结构7 2 1 1 系统设计要求7 2 1 2A O I 硬件结构8 2 1 3A O I 软件结构1 0 2 2 缺陷检测原理1 l 2 3A O I 工作流程15 2 3 1 建立检测模型1 5 2 3 2 执行检测阶段

20、16 2 3 3 自动添加检测窗1 7 2 4 本章小结17 第三章P C B 基准点精确校准1 8 I V 目录 3 1P C B 基准点校准的意义1 8 3 1 1 取像误差来源分析1 9 3 1 2 取像误差补偿方法2 0 3 2 基于H o u g h 变换的基准点检测2 2 3 2 1H o u g h 变换基本原理2 2 3 2 2 改进H o u g h 变换检测基准点2 4 3 3 基准点图像预处理2 6 3 3 1 灰度化处理2 6 3 3 2 中值滤波2 7 3 3 3 阈值分割与边缘检测2 8 3 4P C B 基准点校准流程3 0 3 5 本章小结3l 第四章A O I

21、 全覆盖移动路径规划3 2 4 1A O I 路径规划问题数学描述3 2 4 2A O I 路径规划问题分析3 4 4 2 1 分步求解法一3 5 4 2 2 聚类问题与解决方法3 5 4 2 3T S P 问题与解决方法3 6 4 2 4 综合求解法3 7 4 3 基于遗传算法的A O I 路径规划3 8 4 3 1 遗传算法3 8 4 3 2 遗传算法路径规划3 9 4 4 本章小结4 3 l 第五章实验及结果分析4 4 5 1 实验平台4 4 5 2 基准点检测实验4 5 5 3 移动路径规划实验4 6 第六章总结与展望5 0 V 厂乐工业大字硕士字位论叉 6 1 本文具体工作总结5 0

22、 6 2 进一步研究展望5 0 参考文献5 2 攻读学位期间发表的论文5 6 攻读学位期间参加的科研项目5 7 学位论文独创性声明5 8 学位论文版权使用授权声明5 8 致谢5 9 C O N T F N T S C O N T E N T S A B S T R A C T ( C h i n e s e ) I A B S T R A C T ( E n g l i s h ) I I C O N T E N T S ( C h i n e s e ) I V C O N T E N T S ( E n g l i s h ) V I I C h a p t e r1I n t r o d

23、 u c t i o n 1 1 1R e s e a c h b a c k g r o u n da n dp u r p o s e 1 1 2R e l a t e dw o r k s 2 1 2 1A b o u tC i r c l ed e t e c t i o n 3 1 2 2A b o u tp a t hp l a n n i n g 4 1 3S u b j e c ts o u r c ea n dr e s e a r c h 5 1 3 1S u b j e c ts o u r c e 5 1 ：；2M a i nw o r k 5 C h a p t e

24、r2A O Is y s t e ms t r u c t u r ea n dd e t e c t i o np r i n c i p l e 7 2 1A O Is y s t e ms t r u c t u r e 7 2 1 1D e s i g nr e q u i r e m e n t so f A O Is y s t e m 7 2 1 2H a r d w a r eo f A O Is y s t e m 8 2 1 3S o f t w a r eo f A O Is y s t e m 10 2 2P r i n c i p l e so fd e f e c

25、td e t e c t i o n 11 2 3A 0 1w o r kp r o c e s s e s 15 2 3 1E s t a b l i s h m e n to fd e t e c t i o nm o d e l 。l5 2 ：；2P e r f o r md e t e c t i o n 16 2 3 3A u t o - T e a c h i n g 17 2 4S u m m a r y 17 C h a p t e r 3A c c u r a t er e g i s t r a t i o no fP C Bf i d u c i a lm a r k s

26、 18 V I l 广东工业大学硕士学位论文 3 1S i g n i f i c a n c eo f P C Bf i d u c i a lm a r k sr e g i s t r a t i o n 18 3 1 1I m a g e g e t t i n ge r r o rs o u r c e s 19 3 1 2C o m p e n s a t i o no fi m a g e g e t t i n ge r r o r 2 0 3 2H o u g ht r a n s f o r mb a s e df i d u c i a lm a r kd e t e c

27、 t i o n 2 2 3 2 1B a s i cp r i n c i p l e so f H o u g ht r a n s f r o m 2 2 3 2 2F i d u c i a lm a r kd e t e c t i n gu s i n gi m p r o v e dH o u g ht r a n s f o r m 2 4 3 3P r e p r o c e s s i n go ff i d u c i a lm a r ki m a g e 2 6 3 3 1G r a y s c a l ep r o c e s s i n g 2 6 3 3 2M

28、e d i a nf i l t e r i n g 2 7 3 3 3T h r e s h o l ds e g m e n t a t i o na n de d g ed e t e c t i o n 2 8 3 4P C Bf i d u c i a lm a r ka d j u s t m e n t 3 0 3 5S u m m a r y 31 C h a p t e r 4C o m p l e t ec o v e r a g ep a t hp l a n n i n go f A O l 3 2 4 1M a t h e m a t i c a lm o d e I

29、 3 2 4 2P r o b l e ma n a l y s i s 3 4 4 2 1 S t e p b y s t e ps o l v i n gm e t h o d 3 5 4 2 2C l u s t e r i n gp r o b l e ma n ds o l u t i o n s 3 5 4 2 3T S Pa n ds o l u t i o n s 3 6 4 2 4C o m p r e h e n s i v es o l v i n gm e t h o d 3 7 4 3G e n e t i ca l g o r i t h m - b a s e d

30、A O Ip a t hp l a n n i n g 3 8 4 3 1G e n e t i ca l g o r i t h m 3 8 4 3 2P a t hp l a n n i n gw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m 3 9 4 4S u m m a r y 4 3 C h a p t e r5E x p e r i m e n t sa n dr e s u l t sa n a l y s i s 4 4 5 1E x p e r i m e n t a lp l a t f o r m 4 4 5 2F i d u c i a lm

31、 a r kd e t e c t i o ne x p e r i m e n t 4 5 。5 3P a t hp l a n n i n ge x p e r i m e n t 4 6 C h a p t e r6C o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 5 0 V l I I C ( ) N T 卜N ，I S 6 1C o n c l u s i o n s 5 0 6 2P r o s p e c t s 5 0 R e f e r e n c e s 5 2 P u b c a t i o n s 5 6 R e s e a r c

32、 hA c t i v i t i e s 5 7 O r i g i n a lC r e a t i v eS t a t e m e n t 5 8 C o p y r i g h tL i c e n s eS t a t e m e n t 5 8 A c k n o w l e d g e m e n t s 5 9 I X 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 近年来，随着人们对电子产品( 如智能手机、数码相机、平板电脑、超级本等) 轻、小、薄及多功能化的要求越来越高，印刷电路板( P C B ) 产品也向着超薄型、小 元件、高密度、细间距方向快速发展。电子元件的封装尺

33、寸越来越小，主流封装尺 寸已从0 4 0 2 ( 1 0 m mX0 5 m m ) 过渡到0 2 0 l ( O 6 m m O 3 m m ) ，更小的是0 10 0 5 ( 0 4 m m 0 2 r a m ) ，I C 的引脚间距也发展到了0 3P i t c hI C ( m m ) 。这对电路板的加工制造提 出了更高的要求。 表面贴装技术( S u r f a c eM o u n t e dT e c h n o l o g y ，S M T ) 是新一代电子组装技术，它 能将体积只有传统电子元器件几十分之一的微型元器件组装在P C B 上，是目前组装 P C B 元件的主流方

34、式【l l 。虽然S M T 在不断进步，贴装过程中的缺陷还是经常导致 P C B 功能缺陷。为确保正确的元器件放置在正确的位置，并且按照期望工作，贴装 之后必须对P C B 进行检测。P C B 的检测最早采用人工目检，随着高密度电路设计 和高产量的需求上升，人工目测方式已不能满足可靠性和速度要求，需要新的自动 化检测方式来取代。 最简单自动检测方法是做功能测试( F u n c t i o n a lT e s t i n g ，F T ) 。这种方法将被测 P C B 视为一个功能单元体，通过一系列整体测试对P C B 的功能进行全面评价。F T 可以检测整块P C B 或P C B 上

35、的模块是否存在功能缺陷，但是，很多细小和覆盖不 到的错误难以检测出来。因此，更常用的方法是做在线测试( I nC i r c u i tT e s t i n g ，I C T ) ， 更细致的了解元器件电性能。这种方法可以进行从单个元器件到整体组合任意粒度 的检测。I C T 通过探针连接P C B 进行检测，可测量导电性、电阻、电容和其他电性 能。两种主要的I C T 方式是所谓的针床式测试和飞针式测试，前者采用静态排列的 针床连接P C B 元件，后者采用更小的可移动探针进行连接。实际上，单独为一种电 路板制作专门的针床时问周期长，价格昂贵，只有大批量生产才能分摊这笔开销。 而飞针检测仪的灵活性可以适应小批量生产，这些检测仪很容易重新配置后用于检 测其他类型电路板。飞针测试的主要缺陷是测试速度低，因为针头数量少，重新定 位探针需要花费很多时问。 广东工业大学硕士学位论文 随着现代图像处理和模式识别技术的进步，一种新的自动光学检测( a u t o m a t i c o p t i c