小型桌面贴片机的系统研究

摘要:针对目前电子行业中许多中小型企业、高校或个人有对电路板进行小批量贴片的需求，以及市场上缺少工业化实用性设备的问题，该文提出了一种小型化低成本的桌面型贴片机。首先为桌面型贴片机设计了一种紧凑型结构，完成了视觉系统的选型;然后提出一种上视相机的专用标定方案;最后提出并完成了基于几何外形特征的芯片校准方案，为后续紧凑型桌面贴片机的工业化和成熟化奠定基础。

关键词:桌面型贴片机;相机标定;芯片校准;图像处理

0引言

作为一种典型的机电光一体化设备，贴片机可以实现对电子产品高效、高速、高精度的组装，是整条SMT生产线中最关键最复杂的设备[1-2]。分析国内贴片机市场，发现两个问题，一是对于国产贴片机的需求远远低于进口，二是工业化实用型小型贴片机市场存在很大的空缺[3-4]。为了满足中小型企业以及个人或者高校的生产和研发需求，亟需一种工业化低成本的紧凑型桌面贴片机。

国内外很多学者对贴片机的视觉系统做了大量的研究工作，文献[5]提出了一种基于神经网络的立体视觉相机的标定方案;文献[6]提出了一种基于形态学算子的彩色图像边缘检测方案;文献[7]基于人类视觉机制提出了一种轮廓提取的理论。文献[8]采用改进的最小二乘法，对元件各边边缘点同时进行直线拟合，精确地计算出元件的位置误差。文献[9]提出一种基于改进Hu矩和矩形拟合的芯片识别定位算法对芯片进行识别定位。以上研究都是针对大型贴片机的，对紧凑型桌面贴片机的研究较少，为此提出了一种工业化低成本的紧凑型桌面贴片机，完成了平台总体设计并对其视觉系统进行了研究。

1贴片机平台总体设计

1.1总体结构方案

贴片机的结构主要可以分为四种:转塔式、拱架式、复合式和平行式。桌面型贴片机作为一款应用于个人或小型企业的用于初期实验研发阶段的小型贴片机，应该具备结构紧凑、操作简单、成本低廉等特点。为了满足这些特点，选择拱架式结构作为桌面型贴片机的结构方案。图1为基于拱架式结构设计的桌面型贴片机平台的总体结构，主要由XY运动模组、贴装头、PCB板夹持装置和贴片机底座组成，其实物图如图2所示。

1.2视觉系统选型

贴片机的视觉系统一般包括上视视觉和下视视觉，上视视觉负责芯片的校准工作，下视视觉负责贴片机准备阶段的各Mark点的标定。为了降低桌面型贴片机的成本，同时希望贴片机具有一定的精度，舍去下视视觉，保留更重要的上视视觉。

图3为上视视觉系统的结构示意图，它由图像采集设备和光源组成。图像采集设备包括前端的镜头和后端的工业相机。光源采用图3中所示的环形光源，亮度可以调节。

图4所示为使用到的图像采集设备，由设备上部的镜头和下部的工业相机组成，镜头与工业相机之间采用C型接口联接。

2基于自身特征的相机标定

相机标定是为了确定空间坐标与平面二维像素坐标间的关系，其中最重要的环节是单应性矩阵的估计。对于桌面型贴片机而言，采用通过机器自身特征来实现相机标定的方案。

图5表示了理想的贴片机XY运动平面与相机间的几何关系。假设P点为贴装头的位置，其运动轨迹构成平面πW，它由XY运动平台决定，相机在贴片机的底座处安装，平面πW与相机平面πC的位置关系是固定的。

具体的标定流程为:

(1)贴装头由贴片机的零点开始运动，进入相机的视野后，记录贴装头的位置即世界坐标;(2)识别贴装头在图像中的位置并输出像素坐标;(3)判断特征点的个数是否满足要求，如果满足要求则跳转至第(5)步;

(4)控制贴装头沿XW方向或YW方向运动一定的距离，记录贴装头的位置，然后重复第(2)步;

(5)通过获取到的点的信息估计单应性矩阵。关于图像识别及单应性矩阵估计的过程此处不做详细介绍。

3元器件校准

3.1总体流程

贴片机在工作中吸嘴吸取元器件后需要进行位姿校准，目前大部分元器件的外形为方形，因此采用基于元器件几何特征的方式进行处理。通过拟合出元器件的最小外接矩形，实现对芯片位置的校准，整个处理的流程如图6所示。

3.2最小外接矩形拟合

要包括三个方面，贴片机平台设计、上视相机的标定通过对原始图像进行处理得到芯片的轮廓和凸包，之后采用旋转卡壳法遍历凸包的每一条边，并计算每一个外接矩形的面积，其中面积最小的就是最小外接矩形。

如图7所示，对任意凸多边形的顶点进行序列化，设P0点到Pn点是检测到的凸包点，将其按照顺时针方向首尾相连形成闭环的有向多边形，有向矩形ABCD作为卡壳外接于多边形。将卡壳由初始位置开始按顺时针方向旋转，每次旋转一定的角度，更新有向矩形ABCD的位置，并重新计算其面积，直到卡壳旋转过90°，当所有状况遍历完毕后，将得到面积最小的外接矩形。

图8为采用旋转卡壳法得到的芯片轮廓的最小外接矩形，通过最小外接矩形的中心位置O及偏转角度θ，即可实现对芯片位置的矫正。

4结论

该文对紧凑型桌面贴片机系统进行了研究，主以及芯片位置的校准:

1)设计了结构紧凑的桌面型贴片机，完成了上视视觉系统的选型;从工程实际的角度出发，提出了一种基于机器自身特征的专用型相机标定方案，并对标定流程进行了详细介绍;提出基于芯片几何外形特征的校准方案，通过图像处理技术，采用旋转卡壳法拟合出芯片的最小外接矩形，实现了芯片位置的校准。

参考文献:

[1]王天曦，王豫明.贴片机及其应用[M].北京:电子工业出版社.2011，10.

[2]韩鹏飞，幸芦笙，曾庆庚.LED贴片机技术应用与新进展[J].江西科学，2014，32(04):450-454+458.