贴贴片分类和原理

贴贴片分类和原理 贴片机分类与原理 发表评论 来源:PCB在线 作者: 发布时间:2008-04-12 文章摘要:贴片机的分为拱架型贴片机和转塔型拱架型贴片机,本文介绍两种贴片机的调整治方法及工作原理 关健字:贴片机 贴片机分类 贴片机原理 拱架型贴片机(Gantry): 元件送料器、基板(PCB)是固定的，贴片头(安装多个真空吸料嘴)在送料器与基板之间来回移动，将元件从送料器取出，经过对元件位置与方向的调整，然后贴放于基板上。由于贴片头是安装于拱架型的X/Y坐标移动横梁上，所以得名。 拱架型贴片机对元件位置与方向的调整方法: 1)、机械对中调整位置、吸嘴旋转调整方向，这种方法能达到的精度有限，较晚的机型已再不采用。 2)、激光识别、X/Y坐标系统调整位置、吸嘴旋转调整方向，这种方法可实现飞行过程中的识别，但不能用于球栅列陈元件BGA。 3)、相机识别、X/Y坐标系统调整位置、吸嘴旋转调整方向，一般相机固定，贴片头飞行划过相机上空，进行成像识别，比激光识别耽误一点时间，但可识别任何元件，也有实现飞行过程中的识别的相机识别系统，机械结构方面有其它牺牲。 这种形式由于贴片头来回移动的距离长，所以速度受到限制。现在一般采用多个真空吸料嘴同时取料(多达上十个)和采用双梁系统来提高速度，即一个梁上的贴片头在取料的同时，另一个梁上的贴片头贴放元件，速度几乎比单梁系统快一倍。但是实际应用中，同时取料的条件较难达到，而且不同类型的元件需要换用不同的真空吸料嘴，换吸料嘴有时间上的延误。 这类机型的优势在于:系统结构简单，可实现高精度，适于各种大小、形状的元件，甚至异型元件，送料器有带状、管状、托盘形式。适于中小批量生产，也可多台机组合用于大批量生产。 转塔型拱架型贴片机(Turret): 元件送料器放于一个单坐标移动的料车上，基板(PCB)放于一个X/Y坐标系统移动的工作台上，贴片头安装在一个转塔上，工作时，料车将元件送料器移动到取料位置，贴片头上的真空吸料嘴在取料位置取元件，经转塔转动到贴片位置(与取料位置成180度)，在转动过程中经过对元件位置与方向的调整，将元件贴放于基板上。 对元件位置与方向的调整方法: 1)、机械对中调整位置、吸嘴旋转调整方向，这种方法能达到的精度有限，较晚的机型已再不采用。 2)、相机识别、X/Y坐标系统调整位置、吸嘴自旋转调整方向，相机固定，贴片头飞行划过相机上空，进行成像识别。 一般，转塔上安装有十几到二十几个贴片头，每个贴片头上安装2~4个真空吸嘴(较早机型)至5~6个真空吸嘴(现在机型)。由于转塔的特点，将动作细微化，选换吸嘴、送料器移动到位、取元件、元件识别、角度调整、工作台移动(包含位置调整)、贴放元件等动作都可以在同一时间周期内完成，所以实现真正意义上的高速度。目前最快的时间周期达到0.08~0.10秒钟一片元件。 此机型在速度上是优越的，适于大批量生产，但其只能用带状包装的元件，如果是密脚、大型的集成电路(IC)，只有托盘包装，则无法完成，因此还有赖于其它机型来共同合作。这种设备结构复杂，造价昂贵，最新机型约在US$50万，是拱架型的三倍以上。 贴片机视觉系统构成及实现原理 如图1所示，贴片机视觉系统一般由两类ccd摄像机组成。其一是安装在吸头上并随之作x,y方向移动的基准(mark)摄像机，它通过拍摄pcb上的基准点来确定pcb板在系统坐标系中的坐标;其二是检测对中摄像机，用来获取元件中心相对于吸嘴中心的偏差值和元件相对于应贴装位置的转角θ。最后通过摄像机之间的坐标变换找出元件与贴装位置之间的精确差值，完成贴装任务。 1.1 系统的基本组成 视觉系统的基本组成如图2所示。该系统由三台相互独立的ccd成像单元、光源、图像采集卡、图像处理专用计算机、主控计算机系统等单元组成，为了提高视觉系统的精度和速度，把检测对中像机设计成为针对小型chip元件的低分辨力摄像机ccd1和针对大型ic的高分辨力摄像机ccd2，ccd3为mark点搜寻摄像机。当吸嘴中心到达检测对中像机的视野中心位置时发出触发信号获取图像，在触发的同时对应光源闪亮一次。 1.2 系统各坐标系的关系 为了能够精确的找出待贴元件与目标位置之间的实际偏差，必须对景物、ccd摄像机、ccd成像平面和显示屏上像素坐标之间的关系进行分析，以便将显示屏幕像素坐标系的点与场景坐标系中的点联系起来;并通过图像处理软件分析计算出待贴元件中心相对于吸嘴中心的偏差值。 对于单台摄像机，针孔模型是适合于很多计算机视觉应用的最简单的近似模型[3]。摄像机完成的是从3d射影空间p3到2d射影空间p2的线性变换，其几何关系如图3所示，为便于进一步解释，定义如下4个坐标系统: (1)欧氏场景坐标系(下标为w):原点在ow，点x和u用场景坐标系来表示。 (2)欧氏摄像机坐标系(下标为c)，原点在焦点c,oc，坐标轴zc与光轴重合并指向图像平面外。在场景坐标系和摄像机坐标系之间存在着唯一的关系，可以通过一个平移t和一个旋转r构成的欧氏变换将场景坐标系转化为摄像机坐标。其关系如式(1)所示: (3)欧氏图像坐标系(下标为i)，坐标轴与摄像机坐标系一致，xi和yi位于图像平面上，oi像素坐标系的坐标为(xp0，yp0)。 (4)像素坐标系(下标为p)，它是图像处理过程中使用的坐标系。在本系统中与欧氏图像坐标系方向相同，但原点坐标不同，尺度不同。 场景点xc投影到图像平面π上是点uc(uc，vc，-f)。通过相似三角形来可以导出它们之间的坐标关系: 由于视野小，采用的镜头畸变非常低，可将uc直接简化为等于欧氏图像坐标系下的坐标，让uc,ui，vc,vi，而ui,(up,xp0)δ， vi,(vp,yp0)δ，δ为单个像素的大小。 这样可以得到欧氏场景坐标系和欧氏图像坐标系之间的映射关系: 由于在该系统中各摄像机之间是相互独立的，所以各路成像出来的坐标都可以转换为同一场景坐标下的坐标。 1.3 系统实现原理 贴片机视觉系统工作原理如图4所示。当一块新的待贴装pcb板通过送板机构传送到指定位置固定起来，安装在贴片头上的基准摄像机ccd3在相应的区域通过图像识别算法搜寻出mark点，并通过(3)式计算出其在欧氏场景坐标系中的坐标。接下来将相应的元器件应贴装的位置数据送给主控计算机。利用对中检测摄像机(ccd1，ccd2)对元器件检测，得到其在显示屏幕坐标系下的坐标及转角值，再通过(3)式转换为场景坐标系下的坐标，与目标位置比较，得到贴装头应移动的位置和转角。 2 图像处理 2.1 图像预处理 图像预处理的目的是改善图像数据，抑制不需要的变形或者增强某些对于后续处理重要的图像特征。由于smt生产现场的非洁净因素造成ccd镜头上的尘埃等，易给图像带来较大的外界噪声。另外，图像的采集过程中也不可避免地引入了来自光路扰动、系统电路失真等噪声。因此，对图像进行预处理以消除这些噪声的影响是非常必要的。 对噪声平滑方法主要的要求是:既能有效地减少噪声，又不致引起边缘轮廓的模糊，同时还要求运算速度快。常规的方法有高斯滤波、均值滤波、lee滤波、中值滤波、边缘保持滤波等。 中值滤波是一种较少边缘模糊的非线性平滑方法，它的基本思想是用邻域中亮度的中值代替图像的当前点，是一种能够在去除脉冲噪声、椒盐噪声的同时又能保留图像边缘细节的平滑方法。并且由于中值滤波不会明显的模糊边缘，因此可以迭代使用。显然，在每个像素上都要对一个矩阵(通常是3×3)内部的所有像素进行排序，这样开销会很大。一个更有效的算法[4](由t s huang等人提出)是注意到当窗口沿着行移动一列时，窗口内容的变化只是丢掉了最左边的列而取代为在右侧的一个新的列。对于m行n列的中值窗口，m×n,2×m个像素没有变化，并不需要重新排序，具体的算法为: (1)设置th,mn/2; (2)将窗口移至一个新的行的开始，对其内容排序，建立窗口像素的直方图h，确定其中值med，记下亮度等于或小于med的像素数目lmed; (3)对于最左列亮度是pg的每个像素p做:h[pg],h[pg],1; (4)将窗口右移一列，对于最右列亮度是pg的每个像素p做:h[pg],h[pg]，1，如果pg,med，置lmed,leed，1; (5)如果lmed,th 侧转(6)，重复 lmed,lmed，h[med] med,med，1直到lmed?th，则转(7); (6)重复med,med,1，lmed,lmed,h[med]直到lmed?th; (7)如果窗口的右侧列不是图像的右边界转(3); (8)如果窗口的底行不是图像的下边界转(2); 2.2 图像分割 阈值法是一种传统的图像分割方法，因其实现简单、计算量小、性能较稳定而成为图像分割中最基本和应用最广泛的分割技术，已被应用于很多的领域。在这些应用中，分割是对图像进一步分析、识别的前提，分割的准确性直接影响后续任务的有效性，其中阈值的选取是图像阈值分割方法中的关键技术。