高精度插件引腳機器視覺檢測系統的研究與開發

黃震，顧啟民

(1.中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 221116；2.常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500)

隨著大規模集成電路和半導體工藝的發展，工業檢測領域出現了許多針對電子元器件的檢測需求，高精度和在線檢測是這些檢測系統的共同特征［1－2］。如印刷電路板在插件組裝時，必須要對電子元器件進行100%的在線檢測，確保成品電子元件的品質，并且要求保證一定精度的同時在盡量短的時間內完成檢測任務，以滿足生產需求。然而，電子產品日趨朝著輕便的趨勢發展，電子元器件檢測要求以及工藝難度也不斷加大，傳統的人工檢測不僅耗時耗力，而且無法保證檢測的精度和速度［3－4］。機器視覺檢測技術具有非接觸、柔性好、精度高、速度快、自動化和智能化水平高、易于同設計信息與加工控制信息集成等優點，可以很好地滿足電子元器件的檢測要求［5－6］。

1 直立電容引腳檢測系統構成

直立電容引腳視覺檢測系統包括硬件系統和軟件系統兩部分。硬件系統負責圖像獲取，軟件系統負責數據處理并得出檢測結果。其中，硬件系統構成如圖1所示，包括以下幾部分:

(1)成像設備。根據實際檢測需求，選用分辨率為800×600的CCD工業相機以及150萬像素鏡頭，成像質量基本滿足檢測要求。

(2)光源及其控制器。由于檢測目標比較小，所以成像距離較小，為了采集到比較好的圖像，需要選擇合適的光源。文中采用環形LED光源，固定在相機上方，可獲得高對比度的電容引腳底端圖像，光源控制器用來控制光源開關以及亮度調節。

(3)傳送設備。由機械手移動待測電容至相機上方，相機進行圖像采集和檢測，檢測完畢后執行安裝或者拋料動作。機械手、相機和PC機通過以太網進行通信。

(4)PC機。加載檢測軟件，同時負責向機械手發出信號。

圖1 檢測系統硬件組成示意圖

評價電容引腳是否合格的指標有:

(1)正位度。以電容整體的中心為基準，評價每個引腳到基準的距離。

(2)完整度。判斷引腳個數是否完整、引腳直徑大小是否在公差范圍內。

(3)引腳間距。正負極引腳的水平間距是否在公差范圍內。

以上3個指標若有1個不滿足，則認為該產品不合格。為獲取以上3個指標: (1)要提取電容整體的中心位置;(2)要確定每個引腳的位置;(3)要確定引腳直徑的大小，這也是該系統檢測的主要目標。

2 圖像檢測算法

機器視覺引腳檢測系統以被檢測物體的圖像為檢測和傳遞信息的手段和載體，通過處理被檢測物體圖像的輪廓來獲得被檢測物體的幾何尺寸參數［5］。因此，檢測的關鍵是如何獲取高精度的目標圖像輪廓、如何對目標圖像輪廓進行識別進而獲得被檢測物體的幾何尺寸，即圖像采集和圖像處理的過程。直立電容引腳檢測算法主要包括圖像采集及預處理、圖像二值化處理、圖像的形態學處理、目標狀態提取和圖像量化判斷。圖像檢測算法流程圖如圖2所示。

圖2 檢測算法流程圖

2.1 圖像采集及預處理

機器視覺檢測系統是基于采集的圖像進行目標檢測的系統，因此，圖像質量的好壞直接影響圖像處理算法的穩定性和可靠性，甚至檢測任務的成敗［7］。以檢測電容引腳表面為目標，實驗中發現采用暗視場照明方式更容易將高亮的電容整體及其引腳部分從昏暗背景中凸顯出來，如圖3所示，待檢電容圖像與周圍環境背景有很強的對比度，這樣不僅有利于簡化檢測算法，而且保證了引腳在線檢測的準確性與穩定性。

圖3 待測電容圖像

在數字圖像的采集、處理和傳輸過程中均有可能出現噪聲。因此，在進行檢測識別處理之前，通常要先對原始圖像進行特定的圖像預處理。文中利用中值濾波方法去除圖像中一些不需要甚至會影響處理結果的圖像信息，恢復圖像中有用的信息，提高信息的可檢測度和最大限度地簡化圖像數據。

2.2 圖像二值化

對采集的原始圖像進行中值濾波處理后，采用適當的二值化分割算法對圖像進行分割處理，將圖像中的目標區域和背景區域區分開，并且使圖像變得簡單，數據量小，能凸顯出目標區域，有利于圖像的進一步處理［8］。由于此系統中檢測對象像素分布具有明顯的分布性，目標與背景的對比度比較大，因此，采用全局二值化方法，將圖像中像素值小于T的點設置為背景，否則定為候選目標。原始圖像預處理之后，進行閾值T=0.8的二值化處理，二值化的電容圖像如圖4所示。

圖4 電容二值化的圖像

2.3 圖像的形態學處理

形態學是以形態結構元素為基礎對圖像進行分析的數學工具，其基本思想是用具有一定形態的結構元素去度量和提取圖像中的對應形狀以達到對圖像分析和認識的目標。利用形態學可以簡化圖像數據，保持圖像基本的形狀特征，排除不相干的結構［8］。開操作和閉操作是一對對偶操作，開操作一般使對象的輪廓變得光滑，斷開狹窄的間斷和消除細小的突出物;閉操作可使輪廓線更為光滑，通常能夠消彌狹窄的間斷和細長的鴻溝，消除小的孔洞，并能填補輪廓線中的斷裂。

由二值化的電容圖像可以看出，圖像中除了電容整體輪廓和引腳目標圖像外，還存在一些小的孔洞以及間斷線。因此，在二值化圖像的基礎上再進行閉操作和開操作，消除這些小孔和間斷線，方便后續處理。形態學處理后的圖像如圖5所示。

圖5 形態學處理后的電容圖像

2.4 目標狀態提取

然后，計算內每個連通區域的圓度。通俗意義上來講，圓度即圖像接近于圓的程度。目前普遍采用的圓度公式的數學表達式為:

式 (2)中:A為連通區域的面積，L為連通區域的邊緣周長。在相同面積的條件下，邊界光滑且為圓形，則周長最短，其圓度為C=1，而形狀越偏離圓形，則C值越小。利用公式 (2)計算圓度結果如圖6所示。不難發現，引腳區域的圓度比噪聲更接近1。這樣，就可以通過設定連通區域圓度閾值Tc來去除噪聲，得到僅包含目標區域 (電容整體輪廓和電容引腳)的圖像，結果如圖7所示。

圖6 連通區域輪廓圓

圖7 噪聲過濾后的電容圖像

從誤差理論的角度看，以最小二乘圓作為圓度評定基準是最合理和最可信賴的。這種方法突出的優點是:圓度誤差的數值和中心都是唯一的，不會發生爭議;評定結果不易受個別大誤差的影響;能反映整個實際輪廓的綜合情況;更符合對零件的功能要求［9］。因此，文中利用最小二乘圓法來提取電容引腳的狀態，即計算出引腳的圓心坐標和半徑值。

最小二乘圓擬合是以一個理想圓沿實際輪廓的趨向設置，使實際輪廓上各點至該理想圓的偏距的平方和為最小，使實際輪廓上各點至該理想圓的偏距的平方和為最小。設P(xi，yi)為實際輪廓上的一點，LRi為P(xi，yi)至理想圓的偏距。經過推導演算，最終擬合得出的圓心坐標和半徑為:

通過上述方法，就可以快速準確地提取出目標區域的特征，為后續的量化處理及判斷奠定了基礎。

2.5 量化處理及判斷

對處理后的圖像進行量化，滿足小圓 (引腳輪廓)個數為2，小圓面積和小圓中心點間距、小圓中心與大圓 (電容整體輪廓)中心點之間的距離在允許范圍內視為合格，否則視為不合格。首先判斷是否有且僅有兩個小圓，若沒有則直接判為不合格;否則，下一步判斷小圓面積大小，若在閾值外則判為不合格;否則下一步判斷兩個小圓中心點的間距以及與大圓中心點的距離，若在誤差范圍內則判為合格，否則判為不合格。當檢測電容引腳合格后，分別標記出電容整體的中心點位置和正負極引腳的中心點位置，如圖8所示。引腳有缺陷的電容圖像如圖9所示。

圖8 電容引腳合格的圖像

圖9 電容引腳缺陷圖

3 檢測實驗結果與分析

課題對直立電容引腳檢測的要求為:正負極引腳間距公差為±0.5 mm，引腳直徑公差為±0.5 mm。首先，為了驗證引腳檢測系統的穩定性，這里重復檢測同一電容引腳100次，計算其正負極引腳之間的間距，得到的結果如圖10所示。

圖10 引腳檢測穩定性測試結果

分析圖10可得:正負極引腳間距測量的平均值為125.74 pixel，平均值的標準偏差為0.17 pixel，經過坐標轉換，正負極引腳間距測量的平均值為2.656 mm，平均值的標準偏差為3.6 μm。穩定性檢測結果說明，引腳檢測系統的檢測穩定性很高。

其次，為了驗證引腳檢測系統的準確性和精度，分別利用精度為0.1 μm的三次元測量儀 (CMM)和相機測量同一類型電容正負極引腳之間的間距以及電容正極引腳直徑大小，連續檢測20次，檢測結果對比如圖11和圖12所示。

圖11 電容正負極引腳間距檢測結果對比

圖12 電容正極引腳直徑檢測結果對比

三次元測量儀和相機檢測對比結果表明:電容正負極引腳間距檢測最大差值為0.043 1 mm，平均差值為0.016 1 mm;電容正極引腳直徑檢測最大差值為0.034 2 mm，平均差值為0.018 5 mm。分析對比結果，直立電容引腳間距的檢測值與用其他精密測量方法得到的測量值的差值較小，而相機電容引腳直徑檢測結果相比CMM檢測值偏小，差值較大，可能會產生誤判，其原因為當電容引腳表面不平整時，采集到的引腳圖像不能完全準確反映實際的引腳直徑大小，會比實際值偏小。考慮到將缺陷元器件認為合格的漏報錯誤的代價比誤報代價要高，而誤判率的高低對實際生產影響不大，因此適當的誤報和誤判是可以接受的［10］。因此，直立電容引腳機器視覺檢測系統的檢測精度完全能滿足實際應用需求。

4 結論

通過分析直立電容引腳在特定結構光源下的特征，設計了利用二值化圖像連通區域的像素面積和圓度作為約束條件來提取電容引腳輪廓的算法，實現了對直立電容引腳的缺失、偏移、歪斜等缺陷進行檢測，并從檢測的魯棒性對該算法進行驗證。實驗結果表明:該算法能有效地檢測直立電容引腳常見缺陷，檢測項目全面，能滿足基于機器視覺插件系統中引腳在線檢測的需求。

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