摘要：隨著微型和密間距片式電子元件的廣泛應用，電子產品的制造商在貼裝精度與速度方面對貼片機提出了更高的要求。因此，機器視覺系統在貼片機中被普遍采用。貼片機視覺系統主要實現兩類功能：對PCB板的Mark識別，從而實現坐標轉換；對貼片元件識別、檢測、對中，從而實現元件的正確貼裝。其組成可以分為硬件部分和軟件部分。硬件部分的主要功能是獲取高質量的圖像；軟件部分的主要功能是完成高精度高速度的算法。
關鍵詞：視覺系統 貼片機 LED光源

傳統貼片機是使用的機械對中裝置，由于其不可靠和容易損傷元件的缺點，現在已經遭到淘汰，目前的貼片機都使用激光對中或視覺對中。

針對片式電子元件的管腳越來越密、體積越來越小的發展趨勢，要想精確地貼裝就必須考慮如下因素：（1）PCB板的定位誤差；（2）元器件的定心誤差：（3）貼片機本身的運動誤差。如果將影響貼裝精度的這些因素累積在一起，就難以實現對細間距元器件的精確貼裝。單純地用機械方式對PCB板定位和對元器件定心，不能滿足貼裝細間距元器件的精度要求。另外，雖然貼裝誤差與機器本身的運動誤差緊密相關，但是，即使機器本身的運動精度再高，也難以保證貼裝細間距元器件的精度要求。幾年前，行業內可接受的精度標準還是0．1 mm（chip元件）和0．05mm（密間距元件）。現在，這個標準已經縮減到0．05mm（chip元件）和0．025mm（密間距元件）的趨勢。因此，必須使用機器視覺系統，才能實現這樣高的精度要求。

1 貼片機視覺系統

1.1 貼片機視覺系統的硬件組成

視覺系統硬件主要由：動攝像機、靜攝像機、LED光源、圖像采集卡和工業PC組成。靜攝像機用于元件的識別、檢測、對中。動攝像機與貼裝頭本體聯動用于學習元器件的貼放位置和取料位置，檢查貼裝效果或質量。攝像機將獲取的圖像傳送到采集卡，由工業PC控制圖像采集卡完成圖像采集，并將視頻信號與工業PC輸出的視頻合成后送到顯示器顯示。圖1為貼片機的結構圖，圖2為貼片機視覺系統的結構圖。

圖像采集卡捕獲的瞬間動態圖像數據由工業PC做處理后返回結果給主控程序，完成其它相應的控制過程。

1．2 視覺系統功能

視覺系統的功能包括兩類：生產功能和標定功能，具體內容見表1和表2。

1.3 視覺系統的工作流程圖

軟件執行過程中的數據源是片式電子元件的數據庫和PCB板的PIK文件（以Protel設計為例）。元件數據庫中包含了元件的所有特征描述值；PIK文件中包含了貼裝元件在PCB板上的坐標值。圖3是對元件一次貼裝操作的流程圖，功能是完成對一個元件的判定、識別與對中。

2 視覺系統的設計與選型

2．1 LED光源的設計

隨著光刻技術的發展，表面貼裝技術以及貼裝元件的封裝技術也迅速發展，貼片元件的封裝種類達萬種以上。全視覺貼片機通過視覺系統對貼片元件進行識別、檢測與對中，根據封裝形式與視覺算法可將貼片元件分為Chip、SOIC、QFP、BGA、ODD5種類型。

如果采用單一類型的LED光源是很難獲得高質量圖像的，將多種類型的LED光源組合并通過計算機控制，可以高速、準確地采集高質量的圖像，從而完成快速的貼裝過程。組合光源由3個可以獨立控制的光源：低角度光源、側光源和同軸光源組成。

由于選用黑白的攝像機，所以LED發光二極管選用紅色、高亮度型。表3為元器件與光源的對應關系

2．2視覺系統硬件集成

（1）選擇CCD應當考慮以下因素：采用隔行或逐行掃描、幀傳輸速率、分辨率、種同步方式、像素顆粒大小造成的電荷溢出、幀場傳輸間隔、電子快門、最低照度、信噪比、是否具有增益等。

根據貼裝速度的要求，在中速貼片機中可以選用隔行掃描的CCD，尺寸大小為6．4mm×4．8mm，分率辨為768H×494V，電子快門可達1／10000s，最低照度可達0．1lx，信噪比（S／N）為56dB。

（2）選擇鏡頭應當在確定工作參數的情況下和CCD相匹配。需要確定以下主要工作參數：攝像機的工作距離、視場大小以及鏡頭本身性能參數可以調節的范圍等。動、靜攝像機的工作距離分別為50-100mm和100-200mm，其對應的視場分別為20mm×20mm和55mm×55mm。利用以下兩個公式可以算出鏡頭焦距。

鏡頭的本身性能理論上講應當是越高越好，即低畸變（<0．1％），大光圈（可達1．4），可以手動調焦，還應考慮是否為6．4mm×4．8mm的鏡頭，是否為C接口等匹配問題。

（3）LED燈也要和鏡頭相匹配，尤其在貼片機的動燈上尤為明顯，這是由于光滑的PCB板反光造成的。理論上，動燈最內圈的直徑有多大，其映影產生就有多大，因此使攝像頭視場在燈直徑之內，可以避免映影在圖像中呈現。

如圖4所示，如果在θ′范圍內，映影處于所攝的圖像之外，即達到了所能照射的最大區域：如果攝像頭的視場再大些，達到θ′包圍區域，燈罩擋住了部分圖像；如果把攝像頭調低，達到夕包圍區域，映影處于圖像中。 根據以上的分析，可以確定動、靜攝像頭的結構安裝與調整參數值，見表4所示。其安裝結構見圖5所示。

（4）圖像卡與CCD的匹配

圖像卡的選配應該考慮以下功能：數字和模擬信號處理，標準和非標準信號處理，逐行和隔行信號處理，多通道和單通道處理，彩色和黑白信號處理，軟件匹配等問題。

在中速貼片機中，可以采用具有數字、標準、隔行、多通道和黑白信號處理功能的圖像卡。選擇VC++為開發平臺，自主開發視覺程序。

3 視覺系統的圖像攝取與處理

實驗1：將不同種類的片式電子元件吸取并運動到攝像頭上方，攝取圖像并計算位置與角度的偏差（Δx，Δy，θ），見表6所示。貼裝頭帶著元件分別移動位置和旋轉角度各20次，計算Δx，Δy，θ值。計算結果表明：計算偏差同運動的預值誤差小于8μm。滿足規定的要求。

實驗2：用光刻的方法制作四角上帶有圓形Mark的玻璃板（尺寸：200×200×3，4個Mark的位置精度偏差小于5 μm），將元件按位置預值貼裝，采用光學坐標測量儀檢測與預值的偏差，測試結果均小于0．1mm（Chip元件）和0．05mm（密間距元件）。

4 結論

（1）該視覺系統能夠攝取高質量的圖像，系統穩定可靠；

（2）建立貼片元件的數據庫，在圖像識別過程中，可時時調用元器件的參數，減少了圖像識別時間；

（3）根據元件的參數，可以獲取子圖像，使圖像處理快速并簡單；

（4）貼片元器件與LED光源匹配，保證了圖像的質量，提高了識別的速度與精度；

（5）對于異型元件，用戶可以自己編程處理。