摘要：研究一種高精度、大場景、快速實時的PCB缺陷自動光學(xué)檢測系統(tǒng)，分別進(jìn)行了硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)主要由二維運動平臺、電機控制模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、結(jié)果分析模塊組成。改進(jìn)的步進(jìn)電機驅(qū)動方式--細(xì)分驅(qū)動以及改進(jìn)的圖像識別算法保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，一鍵式自動檢測的設(shè)計提高了檢測速度。實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)能快速并準(zhǔn)確的檢測出PCB上的缺陷，有一定的實用和開發(fā)價值。

電子產(chǎn)品的核心部分--印刷電路板（PCB），是集成各種電子元器件的信息載體，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是電子產(chǎn)品中不可缺少的部分。PCB的質(zhì)量成了電子產(chǎn)品能否長期、正常、可靠的工作的決定因素。隨著科技的發(fā)展，PCB產(chǎn)品的高密度、高復(fù)雜度、高性能發(fā)展趨勢不斷挑戰(zhàn)PCB板的質(zhì)量檢測問題。傳統(tǒng)PCB缺陷檢測方式因接觸受限、高成本、低效率等因素，己經(jīng)逐漸不能滿足現(xiàn)代檢測需要，因此研究實現(xiàn)一種PCB缺陷的自動檢測系統(tǒng)具有很大的學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟價值。國內(nèi)外研究的PCB缺陷檢測技術(shù)中，AOI（Automatic OpticInspection自動光學(xué)檢測）技術(shù)越來越受到重視，其中基于圖像處理的檢測方法也成為自動光學(xué)檢測的主流。本文通過圖像處理技術(shù)研究了一種大視場、高精度、快速實時的PCB缺陷自動檢測系統(tǒng)，設(shè)計了硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法流程。通過改進(jìn)的電機驅(qū)動方式配合一鍵式自動檢測軟件的設(shè)計，大大提高了系統(tǒng)的檢測速度，對結(jié)果分析模塊的缺陷識別算法的改進(jìn)提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PCB缺陷自動檢測系統(tǒng)主要由運動控制模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、結(jié)果分析模塊組成。系統(tǒng)工作過程如下：上位機控制步進(jìn)電機運動，步進(jìn)電機帶動二維平臺運動，將CCD攝像機傳輸?shù)酱龣z測PCB上方，對PCB進(jìn)行大場景圖像采集，采集的圖像經(jīng)過圖像采集卡送到上位機，上位機軟件對采集的圖像進(jìn)行拼接、圖像預(yù)處理，對處理的圖像進(jìn)行準(zhǔn)確定位并校準(zhǔn)，通過圖像分割、圖像形態(tài)學(xué)處理等，最后進(jìn)行模板匹配、圖像識別，得出缺陷檢測結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，系統(tǒng)軟硬件相互協(xié)調(diào)工作構(gòu)成一個整體。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

PCB缺陷自動檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括二維運動平臺、電機運動控制板、電機驅(qū)動板、CCD攝像機、圖像采集卡、PC等。

2.1 CCD攝像機和圖像采集卡

CCD攝像機的主要特性參數(shù)包括攝像機制式、光敏面尺寸、像素尺寸、分辨率、電子快門速度、同步系統(tǒng)的方式、最小照度、靈敏度、信噪比等。其中攝像機制式和是否在線檢測決定了圖像采集卡的采樣頻率，光敏面尺寸、像素尺寸、分辨率以及成像透鏡系統(tǒng)的放大率的平衡選擇取決于測量范圍和測量精度?？紤]到以上各個因素以及系統(tǒng)要求，在實驗中采用的是廣州視安公司的槍式攝像機，該攝像機的特點是數(shù)字面陣CCD逐行掃描，提供AV復(fù)合視頻接口和標(biāo)準(zhǔn)鏡頭接口，提供VC的SDK軟件開發(fā)包，方便設(shè)計軟件處理模塊。

圖像采集卡，又稱視頻捕捉卡，是視頻卡的一種類型。圖像采集卡完成的主要功能是把攝像機的連續(xù)模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成為離散的數(shù)字量。其基本原理：從攝像機輸出的各種制式的視頻輸出信號，經(jīng)過輸入選擇模塊處理后，形成能被圖像采集卡識別的視頻信號。模擬視頻信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，存儲在卡上的幀緩存存儲器內(nèi)，由計算機CPU通過計算機總線控制具體的圖像傳遞，最終存儲在計算機的內(nèi)存或硬盤，用于圖像處理。本設(shè)計采用的圖像采集卡型號是： NV7004-N,將CCD攝像機模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)缴衔粰C實時顯示，并能完成圖像的抓拍功能。

2.2 電機運動控制器及精密二維運動平臺

PCB缺陷自動檢測系統(tǒng)的運動控制器為自行設(shè)計的MCU控制板，核心芯片為ATMEL公司生產(chǎn)的單片機AT89S52,控制板通過RS-232串行通信接口與上位機進(jìn)行通信。通過操作人機交互界面對控制板發(fā)送命令，控制板輸出控制信號以及各種頻率的方波信號到步進(jìn)電機驅(qū)動板，以控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速、方向以及移動距離。

二維運動平臺由兩個日本SUS Corp公司生產(chǎn)的精密運動導(dǎo)軌搭建，運動導(dǎo)軌為滾珠絲桿型，非常精密，誤差很小。步進(jìn)電機與運動導(dǎo)軌相連，從而帶動導(dǎo)軌的運動。步進(jìn)電機為日本TAMAGAWA公司生產(chǎn)的兩相四線制混合式步進(jìn)電機，該型號步進(jìn)電機運行穩(wěn)定、噪聲小。

2.3 電機驅(qū)動

步進(jìn)電機的驅(qū)動實際上就是通過控制步進(jìn)電機的各相勵磁繞組的電流，使步進(jìn)電機的內(nèi)部磁場合成方向發(fā)生變化，從而使步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動起來。各相勵磁繞組的電流產(chǎn)生的合成磁場矢量的幅值決定了步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。

這里介紹步進(jìn)電機兩個重要概念：齒距角θz和步距角θn.步進(jìn)電機齒距角是指步進(jìn)電機運行時兩相鄰穩(wěn)定磁場之間的夾角。

步距角是指對應(yīng)一個脈沖信號，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度位移量。步距角不僅與電機的齒數(shù)有關(guān)，還和電機的運行拍數(shù)有關(guān)。步進(jìn)電機的齒距角θz和步距角θn可表示為：

步進(jìn)電機的細(xì)分是基于步進(jìn)電機的各相繞組理想對稱和距角特性嚴(yán)格正旋的基礎(chǔ)上，通過控制電動機各相繞組中電流的大小和比例，使步距角減小到原來的幾分之一至幾百分之一，從而提高步進(jìn)電機的分辨率。以兩相步進(jìn)電機為例，若電機的齒數(shù)為50,運行拍數(shù)是單四拍方式時，則步距角為θ=360度（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步0.八拍和四拍方式相比，步距角θn減小了一倍，實現(xiàn)了步距角的二細(xì)分。

在拍數(shù)一定的情況下，齒數(shù)越多，步距角就越小，但由于受制作工藝的限制齒數(shù)不能做得很多，因此步進(jìn)電機的步距角就不可能很小。改變步進(jìn)電機的拍數(shù)也可以改變步距角，拍數(shù)是指完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)。當(dāng)步進(jìn)電機的相數(shù)確定時，拍數(shù)也就確定。通過增加步進(jìn)電機的齒數(shù)和相數(shù)來減小步距角，步距角減小的度數(shù)非常有限，很難滿足生產(chǎn)的要求。

步進(jìn)電機細(xì)分驅(qū)動最常用的方法是電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法。電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)法能夠使細(xì)分后的步距角均勻，輸出力矩恒定。具體方法是使m相繞組分別通以相位差為2π/m而幅值大小相等的正弦電流，則電流合成矢量或磁場矢量就會在空間上作旋轉(zhuǎn)運動，且合成矢量的幅值保持不變。如給四相混合式步進(jìn)電機的四相繞組分別通以相位相差π/2,幅值相等的正弦波電流，則合成的電流矢量如圖所示。

為了盡可能得到圓形的合成磁場，使步距角變化均勻，各相繞組電流參考信號采用階梯狀正弦波形較為理想。以四相步進(jìn)電機8細(xì)分為例，在每一相中插入7個穩(wěn)定的中間狀態(tài)，細(xì)分后各相電流是以1/4的步距上升或下降，則原來一步所轉(zhuǎn)過的角度將由8步完成，即可實現(xiàn)步距角的8細(xì)分。

細(xì)分?jǐn)?shù)越多，電流變化越小，從而大大減少了電機的振蕩和噪音。采用階梯狀正弦波對電流進(jìn)行細(xì)分時，階梯越多（即細(xì)分?jǐn)?shù)越多），波形就越接近正弦波，通入的階梯電流就越小，步距角也就越小。從而大大減少了步進(jìn)電機運行時的丟步率，降低了步進(jìn)電機運行時的噪音和顫動，也使步進(jìn)電機運行更加穩(wěn)定，更易于控制。

相關(guān)資料：

基于圖像處理的PCB自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究（二）