PCB板視覺定位方法的研究

黃雷 熊超有 王立志

摘要：傳統PCB板定位通常采用人工或者機械定位，該方法的精度取決于人工本身以及機械設計精度，其往往具有較大的不確定性。為此，提出一種PCB板視覺定位方法。利用機器視覺系統對PCB上Mark點坐標采集，通過坐標計算實際Mark點和標準Mark點位置偏差，通過旋轉、平移PCB板，完成PCB板定位工作，具有快速、準確和可靠性高的優點。

關鍵詞：PCB板；Mark點；視覺系統；定位

引言

隨著半導體工藝技術的不斷發展，PCB板生產速度以及工藝復雜性也不斷增加[1]，不論是傳統PCB貼片機，還是發展迅速的PCB字符噴印機，PCB板定位精確，是其工作精度的必要前提。

在PCB板視覺定位系統中，通過機器視覺系統檢測PCB板上定位基準點（Mark點），根據Mark點坐標來分析PCB板情況，通過檢測到的Mark點坐標和基準點坐標進行對比計算誤差，根據該誤差對PCB板位置進行修正，從而完成PCB板定位要求。

1.PCB板定位原理

1.1PCB定位流程

機器視覺識別技術的PCB板定位過程主要包括：①CCD攝像機拍照；②圖像處理軟件計算Mark點坐標；③根據實際坐標計算誤差；④通過平臺帶動PCB板運動等。

1.2Mark點定位過程

PCB板上的Mark點是PCB定位的標識點，也稱為基準點，通常Mark點在PCB板上有兩個，分布于PCB板的左上區域和右下區域[2]。考慮到CCD攝像機精度和價格等問題，在這里采用多次定位的方式，只需對一塊很小的區域成像，就能檢測出的Mark點坐標。因此，在定位開始之前，需要用戶設定兩個大致Mark點區域，在實際PCB定位檢測過程中，Mark點因位于此區域。

2.定位實現

2.1定位分析

根據工作流程分析，PCB板在定位過程中，如果伺服控制精度高，那么只需要一次成像，就能完成整個定位工作。

PCB板通過傳送帶或者機械手運送到工作臺上，然后CCD攝像機在指定兩個區域尋找標志Mark點，通過計算Mark點坐標和標準點坐標差，通過伺服電機控制，工作臺旋轉一定角度θ，再通過X、Y軸平移，使得PCB板移動到和基準位置重合，完成整個定位工作。CCD攝像頭由于需要多次采集圖像，因此需要X、Y軸移動，工作臺需要帶動PCB板運動，也需要X、Y軸移動。上述X、Y軸移動以及工作臺旋轉運動全部由高精度伺服電機精確控制。

2.2坐標定位及輸出

通過CCD攝像機成像分析， PCB板在工作臺上的運動軌跡如圖所示。

PCB板運動軌跡圖

如上圖所示，點p1、p2為標準Mark點坐標，q1、q2為實際PCB Mark點坐標，X，Y為通過旋轉角度θ使PCB板和標準位置平行時的Mark點坐標，R為工作臺中心，工作臺繞點R旋轉，小圓為Mark點1（q1點）繞中心點R旋轉運動軌跡，大圓為Mark點2（q2）點繞中心點R旋轉運動軌跡。

圖中，p1，p2，R點坐標是預先設定好的基準Mark點坐標和工作臺中心坐標，q1，q2點坐標為機器視覺系統檢測到的實際坐標。PCB板繞點R旋轉，因此，大、小圓的半徑：

（x2-M）2+（y2-N）2=r12 （1）

（x3-M）2+（y3-N）2=r22 （2）

由于實際Mark點1，2分別繞R點旋轉，因此，實際Mark點運動軌跡滿足：

（x4-M）2+（y4-N） 2=r12 （3）

（x5-M）2+（y5-N）2=r22 （4）

當PCB板旋轉一定角度θ到與基準位置平行：

x5-x4=x1-x0 （5）

y5-y4=y1-y0 （6）

由方程（3）、（4）、（5）、（6）可知，X、Y點坐標通過計算可以得到，此時坐標為PCB板與基準板平行時的坐標。通過向量夾角的余弦定理有：

（9）

即可算出旋轉角度θ，這樣，工作臺通過旋轉和平移，便能將實際PCB板移動到與基準板對齊的位置，完成定位工作。

X軸方向移動距離為X=|x4-x0|，Y軸方向移動距離為Y=|y4-y0|。

3.結束語

本文介紹了一種對PCB板定位很實用的方法，由于不用一次成像，因此CCD攝像機精度不需要很高；同時，只要伺服控制精度足夠高，只需通過一次旋轉和平移工作臺，即可實現PCB板定位的工作。該方法實現簡單，穩定可靠，通用性好，無論對于PCB貼片機，還是PCB字符噴繪機上的PCB定位等，都能很好滿足要求。

參考文獻：

[1]謝光偉，仲兆準.基于機器視覺的PCB板上圓Mark點定位方法的研究[J].電腦知識與技術，2013.9（32）：7340-7344

[2]王李.PCB板檢測中的Mark定位[C].中國高端SMT學術會議，2009：611-614

作者簡介：

黃雷（1990—）男，四川成都，西華大學在讀碩士研究生，研究方向為單片機與嵌入式系統應用。