基本信息
- 项目名称：
- 台式图像定位贴片机系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 该贴片机系统以自动化智能运动控制和计算机图像处理为核心，以计算机和单片机结合控制的方式，实现高速高精度贴装。融合机械设计，机电控制，电子设计，多机通信，MCU程序设计，计算机程序设计，图像识别为一体，通过上位机软件控制下位机执行相关SMT贴装动作，并通过计算机图像识别对中和检测完成SMT的贴装，并且进行AOI检测。
- 详细介绍：
- 作品技术说明 1．图像识别与定位 目的是通过摄像机的高精度弥补机械误差，具体采用计算机图像视觉处理，辅助运动检测反馈系统，设计的图像对中程序在德国MVTEC 的halcon平台下开发，在灰度配合形状识别下，识别效果和抗干扰能力较好，在使用普通USB1.0 分辨率为640×480摄像头下，能在100ms内完成一幅640×480的图像识别，受限于目前使用的普通摄像头，对中程序识别精度理论上在X和Y方向上都可以达到0.02mm，实际运行中识别误差不超过0.05 mm，角度误差在0.1度，完全满足目前的贴装要求。下图为自动识别对中： 图像识别还包括贴装检测，对贴装不正常如元件偏移、空件、虚焊、短路桥接、立碑、侧立、引脚变形进行识别检测。程序中调用不同的图像识别程序进行检测。 识别主要针对图像的灰度值和形状进行分析，主要利用灰度值偏差和形状匹配的方法进行识别。另外，在分析焊点时使用快速傅立叶变换，对图像进行频谱分析，配合垂直同轴光源识别焊点坡度，相当程度上增加了对虚焊、多焊的识别率。 2.新型S型加减速运动控制。 在运动设计上采用步进电机加减速运动控制，使得运动平稳，抛弃传统的三角形运动和梯形加减速运动的方式。在目前广泛应用的分段S型加减速运动控制的基础上改进发展出逐步逼近式S型加减速，使得运动曲线逼近真正的积分曲线。主要方法是：目前的S型加减速方法是把运动曲线分成7段，有的会分得稍细，但仍旧为阶梯式，阶梯跳跃时会出现运动不均匀的问题，为让运动更平稳，新设计的算法是仍旧在运动曲线分成7段，但每段的速度进行累加或者累减的逐步逼近，将阶梯跳跃缓和，避开复杂的积分运算，并且简化算法，在51内核的AT89S52上，工作在22.1184M晶振下时，产生新型S型步进脉冲时最快只需要50us完成一次S加减速运算。在T1阶段加速度均匀上升，受力逐渐变大，在达到最高加速度时，T2时间保持该加速度，是速度上升最快，在T3时加速度逐渐减小，受力逐渐减小，最后在D点到达最大速度，开始以最大速度运动到T4阶段，在E时开始减速，减速方法与加速一样，但在实验中证明，不得忽略摩擦力的影响，由于加速时是反向摩擦力，减速时是正向摩擦力，所以应该减小减速的时间。这样由于加减速在任何一点的加速度都是连续的柔性变化，避免了冲击，使运动平滑精确。 经过试验，该加减速曲线在3.4V 2.6A步进电机的配合下，能实现平稳运动，噪音小，最高速度在0.7m/s，加速时间250ms，减速时间220ms，加减速翻转可以根据步数自动动态调整。 3.贴片机的吸取反馈系统 避免漏吸，漏贴，和堵嘴，真正实用可靠的贴片机必须要反馈检测，传统的方式是采用中规进行检测，但是机械方法不是很可靠，目前高档贴片机多用激光对射检测，考虑到机械安装的复杂性和对机械要求颇高，本系统采用负压检测，利用吸取后负压值升高，未吸取负压低的区别，自行设计的扩散硅压阻式传感器和控制板完成次项测量。可以可靠高速的测量吸取情况。 4.贴片机采用多机通信，下位机直接挂载的方式 在贴片机整机控制上，采用上下位机结合的多机通信方式，地址，命令与验证码结合，下位机主要完成怎么做，上位机告诉下位机做什么。利用串口通信，上位机发送命令，多台下位机判断命令地址，是自己地址则处理，不是则抛弃。下位机要返回数据到上位机时，首先要判断下位机的握手线，选择时机发送，使下位机之间相互不干扰。并可以根据附件的数目按需要配置下位机数目，进来的系统升级该部分完全可以适应。 5.功能完善，清晰易操作的上位机控制软件。 上位机软件设计有人性化、易操作的特点。下面是上位机软件设计框架。 二、机器属性设置 1．设置X、Y、Z方向上的单步距离。 2．设置X、Y、Z方向上的回差。 3．复位。 4．串口设置。 5．贴装头设置 （1）定位基准，以第三个贴装头对准摄像头的位置为坐标0。 （2）测量第二个贴装头的坐标。（注：测量贴装头坐标的时候需要压下才能测量，下同。） （3）测量第一个贴装头的坐标。 （4）测量拨料杆的坐标。 （5）设定复位间隔贴装个数。 （6）吸取时延时多少ms提起。 （7）原件放下时延时多少ms关闭真空。 （8）原件放下后延时多久检测真空。 （9）吸取后延时多少ms检测真空度。 （10）吸取前检测真空度。 （11）吸取后检测真空度。 （12）检测失败后重复吸取次数。 （13）恢复出厂设置。 三、元件管理 1．元件坐标、角度的提取。 2．显示贴装进度。 3．已执行时间、剩余时间。 4．选择料架。 5．选择是否贴装。 6．标记已贴装。 7．进行原件层的过滤，将非选择层是否贴装设置成不贴装。 四、料架管理 1．添加、删除、修改。 2．吸嘴选用。 3．料带宽度。 4．原件间隔定位孔数。 5．元件中心坐标。 6．每次拉料供应个数。 7．角度、有无极性。 8．引脚数目。 9．料盘、料带选择。 10．高度。 11．元件值。 12．是否提取元件图像。 五．视觉识别窗口 1．光照打开后延时拍照时间。 2．拍照后延时关闭时间，单位：ms。 3．摄像头属性设置（调试用）。 4．拍照、保存监视录像。 5．显示识别图像/视频。 6．两个摄像头显示切换。 六、控制台（手控/自动） 有运行指示灯，正在运行中为绿色，空闲为黄色，故障为红色。 当正在运行中时所有手控按钮使能。 急停按钮，发送急停命令，让上位机停止命令发送，同时下位机急停。 （一）手动，自动切换，自动时使能所有手控控件。 1．每个头单独运动，按一次向下运动，再按一次向上运动。同时指示灯在收到返回数据是显示当前状态。 2．每个负压通道控制开关按钮，有指示灯指示。 3．每个通道负压检测按钮，和开关用同一个灯指示。 4．两个视觉灯开关。 5．移动至某处-填写目标XY坐标，选择以贴片机实际原点为原点的坐标，或者以某个基板原点为坐标原点的坐标（当已经设置该基板原点）。 6．X、Y方向移动步数设置，负为反方向。 7．获取当前坐标，显示XY。 8．原点复位。 （二）自动 1．单个元件执行。 2．从当前元件执行。 3．全部开始。 4．使能所有手控按键。 七．AOI检测 检测内容：元件偏移、空件、虚焊、短路桥接、立碑、侧立、引脚变形。 该部分由调用视觉识别DLL（动态连接库）实现。 八．基板设置 基板方向要一致 尽量保持最小偏角。 1．基板厚度、基板颜色。 2．设置基板数目。 3．选择是否为规律基板。 4．非规律基板，生成相应数目的编辑框等控件，用户自行对每个基板设定坐标，设定方式为填写电路板上两个点的XY坐标，并填写贴片机上的XY坐标（或者是手动对中获取）。 5．对于规律基板，设定个数M*N，按非规律基板的方法设定最靠近原点基板的两个点。设置基板间隔（两基板坐标原点间距离）。 九．全部数据导入导出 可以整体导入导出，也可以局部导入导出，方便下次直接导入已经设置好的贴装数据，立即进入生产。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 在使用普通USB1.0 分辨率为640×480摄像头下，能在100ms内完成一幅640×480的图像识别，对中程序识别精度理论上在X和Y方向上都可以达到0.02mm，实际运行中识别误差不超过0.05 mm，角度误差在0.1度，完全满足目前的贴装要求。下面为自动识别对中 经过试验，该加减速曲线在3.4V 2.6A步进电机的配合下，能实现平稳运动，噪音小，最高速度在0.7m/s，加速时间250ms，减速时间220ms，加减速翻转可以根据步数自动动态调整。 该系统中计算机视觉识别对中也尤其重要，识别主要针对图像的灰度值和形状进行分析，主要利用灰度值偏差和形状匹配的方法进行识别。另外，在分析焊点时使用快速傅立叶变换，对图像进行频谱分析，配合垂直同轴光源识别焊点坡度，相当程度上增加了对虚焊、多焊的识别率。 避免漏吸，漏贴，和堵嘴，真正实用可靠的贴片机必须要反馈检测，传统的方式是采用中规进行检测，但是机械方法不是很可靠，目前高档贴片机多用激光对射检测，考虑到机械安装的复杂性和对机械要求颇高，本系统采用负压检测，利用吸取后负压值升高，未吸取负压低的区别，自行设计的扩散硅压阻式传感器和控制板完成次项测量。可以可靠高速的测量吸取情况。
科学性、先进性
- 面向电子行业组装向微型化，自动化的发展，传统的人工直插已经满足不了需求，严重制约了电子行业的发展，另一方面国内贴片机需求基本依靠进口，所以贴片机的研发不仅是一种实践与创新，在打破国际垄断、弘扬民族文化上也有着重要的意义。 该贴片机系统以自动化智能运动控制和计算机视觉处理为核心，以计算机和单片机结合控制的方式，实现高速高精度贴装。
获奖情况及鉴定结果
- 未参加评审
作品所处阶段
- 实验阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片，文档
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作品结合机械、电子、图像处理、运动控制、上位机软件和单片机技术为一体，具有高精度、智能自动化的SMT贴装功能，包括人性化，智能化的操作方法，使用者只需要导入贴装文件，将贴片元件装入料站，设置贴片元件属性，即可自动贴装，包括多电路板拼接，视觉对中，并进行贴装是视觉AOI检测，实现无人值守贴装。国内的电路板组装行业，使用的贴片机99%依赖于进口，目前国内还没有具有自主知识产权的全视觉自动贴片机。该贴片机适应市场的需求，促进我国贴片机行业的发展、打破国际垄断有着积极的意义。
同类课题研究水平概述
- 国内目前只有少数公司在尝试全自动全视觉的贴片机的研发，在市场贴片机成品99%依赖于进口。
