基于圖像處理的異型電子元器件管腳偏移誤差檢測方法研究

The method of deviation inspecting of irregular electronic component's pins based on image processing

王 越，伍昕忠，李本海，張文昌WANG Yue， WU Xin-zhong， LI Ben-hai， ZHANG Wen-chang（機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044）

基于圖像處理的異型電子元器件管腳偏移誤差檢測方法研究

The method of deviation inspecting of irregular electronic component's pins based on image processing

王 越，伍昕忠，李本海，張文昌
WANG Yue， WU Xin-zhong， LI Ben-hai， ZHANG Wen-chang
（機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044）

在異型電子元器件插件作業(yè)中，對(duì)異型電子元器件管腳偏移檢測是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)插裝的關(guān)鍵技術(shù)。文章基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)管腳進(jìn)行識(shí)別和提取，并在此基礎(chǔ)上提出管腳偏移誤差的圖像檢測方法。

管腳偏移；圖像處理；誤差檢測

0　引言

異型電子元器件一般是多管腳，在異形元件自動(dòng)化插件作業(yè)中，管腳的偏移誤差影響著插件的成功率。與人工插件不同，自動(dòng)化插件需要先對(duì)管腳偏移誤差進(jìn)行檢測，對(duì)滿足偏移量誤差要求的元件進(jìn)行插裝，對(duì)超差的進(jìn)行拋料。

檢測管腳偏移量需要檢測管腳的平整度和管腳間距，而對(duì)于插件作業(yè)來說，只要檢測出每個(gè)管腳都能夠落在插裝孔的范圍內(nèi)，即判定為合格。傳統(tǒng)的做法是將待插元件的某一管腳孔中心線和管腳中心線重合，將管腳的圖像坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)平移后與標(biāo)準(zhǔn)電路板坐標(biāo)系重合，即可判斷出其余管腳是否落在插裝孔內(nèi)。試驗(yàn)證明，此種方法雖然有效，但過于嚴(yán)格，本文提出一種寬松的管腳偏移檢測方法，使拋料率近一步降低。該方法不要求管腳孔中心線和管腳中心線完全重合，而是根據(jù)誤差情況做適當(dāng)?shù)钠x，然后分別計(jì)算各管腳的坐標(biāo)誤差，其中最大誤差為判別管腳是否超差的依據(jù)。

1　管腳特點(diǎn)分析和提取

1.1異型電子元器件管腳特點(diǎn)分析

異型電子元器件的特點(diǎn)是外部形狀不規(guī)則，管腳數(shù)量較多且管腳分布不對(duì)稱，管腳形狀多樣化。如圖1所示，是四種典型的異型電子元器件。RY2元件四個(gè)管腳非對(duì)稱分布，且管腳較軟易變形；fuse元件外部輪廓為圓柱體，兩個(gè)管腳對(duì)稱分布；CN12元件外部輪廓形狀不規(guī)則，管腳非對(duì)稱分布；IC8元件七個(gè)管腳對(duì)稱分布，管腳形狀復(fù)雜。由上述特點(diǎn)可知，異型電子元器件種類較多，且不同種類的元器件差別較大。我們在進(jìn)行管腳識(shí)別和誤差檢測時(shí)，應(yīng)排除零件外形和管腳分布等因素的影響，進(jìn)而得到元器件的管腳坐標(biāo)值和相應(yīng)誤差值。

圖1　異型電子元器件外觀圖

1.2 管腳識(shí)別和提取

為了得到管腳的實(shí)測值，首先需要在采集的圖像上識(shí)別出元件的管腳。運(yùn)用圖像處理算法，將元件的管腳從圖片背景中分離出來，然后擬合出管腳的輪廓。最后通過擬合算法得到管腳的圓心和半徑，即完成對(duì)元件管腳的識(shí)別。

本文首先對(duì)管腳圖像進(jìn)行處理，以RY2零件為例，其流程如下（對(duì)應(yīng)的結(jié)果如圖2所示）：

1）均值濾波：去除圖像中的噪聲；應(yīng)用3X3平均模板對(duì)原始圖像進(jìn)行均值濾波處理。

2）圖像分割：將圖像分割成只有目標(biāo)和背景的二值圖像；根據(jù)目標(biāo)區(qū)域的灰度值，選擇合適的閾值對(duì)圖像進(jìn)行分割。

3）形態(tài)學(xué)處理：從圖像中提取對(duì)于表達(dá)和描繪目標(biāo)區(qū)域有意義的圖像分量。應(yīng)用開運(yùn)算算法，使圖像的輪廓變的光滑，斷開狹窄的連接和消除細(xì)的毛刺。

4）輪廓擬合：提取目標(biāo)圖像的邊緣，使用最小二乘法擬合出目標(biāo)區(qū)域的輪廓并得到各管腳的圓心和半徑。

圖2　管腳識(shí)別流程

2　管腳偏移檢測方法

管腳偏移量檢測的目的是判斷每個(gè)管腳是否都可以插進(jìn)孔中，也就是判斷每個(gè)管腳圓是否都落在管腳孔所在的圓中，如圖3所示。

2.1管腳偏移誤差的定義

如圖3（a）所示，在定義管腳偏移誤差時(shí)，先對(duì)管腳進(jìn)行編號(hào)，每個(gè)管腳對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的偏移誤差。若Δxn記為記為，則每個(gè)管腳的偏移誤差為：

N個(gè)管腳中最大的誤差即為該元件的管腳偏移誤差。

圖3　管腳偏移誤差檢測示意圖

2.2坐標(biāo)系幾何變換

偏移誤差檢測時(shí)涉及兩個(gè)坐標(biāo)系：一個(gè)是電路板所在的坐標(biāo)系，它是以待測元件的第一管腳孔位圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)；另一個(gè)是CCD采集到的管腳圖像坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)待求。

在管腳偏移檢測時(shí)，首先要將管腳圖像坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)平移到電路板坐標(biāo)系中，管腳圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)選擇是本文的研究重點(diǎn)。

如圖3（a）所示，當(dāng)以管腳1的圓心為原點(diǎn)，與插裝孔1圓心重合，則會(huì)發(fā)現(xiàn)管腳3和管腳4偏移量超差，元件判定為不合格；而當(dāng)采用某種計(jì)算方法將管腳圖像坐標(biāo)系平移后，使管腳1的圓心與插裝孔1圓心不重合時(shí)，四個(gè)管腳的偏移誤差全部滿足插裝要求，元件判定為合格。可見尋求兩個(gè)坐標(biāo)系的幾何變換參數(shù)就顯得非常重要了。

兩個(gè)坐標(biāo)系之間存在旋轉(zhuǎn)（θ）以及平移（Tx，Ty）關(guān)系。

假設(shè)誤差函數(shù)如下：

應(yīng)用高斯牛頓法求解旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)的過程如下：

給定參數(shù)初始值（θ0，Tx0，Ty0），將其帶入誤差函數(shù)中：

由：

經(jīng)多次迭代收斂后，即可得到最終旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)（θ，Tx， Ty）。

3　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

以RY2零件為例，分別得到其管腳的實(shí)測坐標(biāo)值和理論坐標(biāo)值，帶入誤差模型，得到其管腳偏移誤差值。

3.1管腳實(shí)測坐標(biāo)值

在對(duì)異型電子元器件進(jìn)行誤差檢測過程中，機(jī)械手臂夾持零件到拍照位拍照，獲取零件管腳圖片，經(jīng)過圖像處理，得到如圖4所示圖像。定義圖像像素直角坐標(biāo)系（Ot， u， v），每一個(gè)像素的坐標(biāo)（u，v）∈（M，N）分別表示該像素在數(shù)組中的列數(shù)與行數(shù)。通過上文的管腳識(shí)別，我們得到了管腳的圓心在圖像像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。根據(jù)相機(jī)參數(shù)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，將像素直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為物理坐標(biāo)系，得到管腳在物理坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，即為管腳的實(shí)測值（如表1所示）。

圖4　實(shí)測圖像

表1　管腳實(shí)測值

3.2管腳理論值坐標(biāo)

管腳的理論值是通過測量印制電路板上的元件插裝孔的位置（如圖5所示）得到的。按照圖6定義坐標(biāo)系及管腳編號(hào)，確定管腳理論值（如表2所示）。

圖5　插裝位置示意圖

圖6　管腳孔位坐標(biāo)系

表2　管腳理論值

3.3管腳偏移誤差值

根據(jù)誤差公式，要得到管腳偏移誤差值，需要先得到理論值坐標(biāo)與實(shí)測值坐標(biāo)所在的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)平移關(guān)系，得到旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)，將兩坐標(biāo)系統(tǒng)一起來。表3為實(shí)驗(yàn)零件在誤差檢測過程中的旋轉(zhuǎn)平移量。

表3　旋轉(zhuǎn)平移量

依據(jù)上述管腳偏移誤差模型，就可以計(jì)算得到零件管腳偏移的誤差值，如表4所示。

表4　管腳偏移誤差值

在設(shè)置零件管腳偏移誤差范圍時(shí)，由于印制電路板上插裝孔的直徑為1.2mm，零件管腳直徑為0.6mm，當(dāng)零件管腳與插裝孔同軸時(shí)，它們之間存在0.3mm的圓環(huán)形空隙。所以設(shè)置為插裝允許誤差，當(dāng)管腳偏移誤差滿足條件時(shí)，判為合格零件。

從表中可以看到，四個(gè)管腳的誤差值均小于0.3mm，所以該零件為合格零件。

3.4管腳偏移誤差數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用基于圖像處理的管腳偏移誤差檢測方法，對(duì)20 個(gè)RY2零件進(jìn)行檢測，得到20組誤差數(shù)據(jù)（如表5所示）。如圖7中的5條曲線分別對(duì)應(yīng)4個(gè)管腳的偏移誤差1，2，3，4和四個(gè)管腳中的最大誤差max。由圖可知，20個(gè)數(shù)據(jù)中第17個(gè)樣本（對(duì)應(yīng)1的第17個(gè)樣本）超過預(yù)警黑線（0.3mm）。基于上述管腳誤差數(shù)據(jù)分析，得到零件管腳的超差率為5%。

4　結(jié)論

本文對(duì)異型電子元器件管腳偏移誤差進(jìn)行了分析檢測，從誤差建模、圖像處理、坐標(biāo)變換等方面展開深入研究，提出了一種基于圖像處理的管腳偏移誤差檢測方法，為開發(fā)和實(shí)現(xiàn)異型電子元器件偏移量檢測系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。同時(shí)對(duì)典型的異型元器件管腳偏移誤差進(jìn)行了檢測和分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該方法能有效檢測管腳偏移誤差，并在實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

表5　誤差數(shù)據(jù)

圖7　管腳偏移誤差折線圖

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TN247

A

1009-0134（2016）08-0050-04

2016-05-03

王越（1990 -），女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。