基于圖像處理的異型電子元器件管腳偏移誤差檢測方法研究

The method of deviation inspecting of irregular electronic component's pins based on image processing

王 越，伍昕忠，李本海，張文昌WANG Yue， WU Xin-zhong， LI Ben-hai， ZHANG Wen-chang（機械科學研究總院，北京 100044）

基于圖像處理的異型電子元器件管腳偏移誤差檢測方法研究

The method of deviation inspecting of irregular electronic component's pins based on image processing

王 越，伍昕忠，李本海，張文昌
WANG Yue， WU Xin-zhong， LI Ben-hai， ZHANG Wen-chang
（機械科學研究總院，北京 100044）

在異型電子元器件插件作業(yè)中，對異型電子元器件管腳偏移檢測是實現(xiàn)自動插裝的關鍵技術。文章基于數(shù)字圖像處理技術，對管腳進行識別和提取，并在此基礎上提出管腳偏移誤差的圖像檢測方法。

管腳偏移；圖像處理；誤差檢測

0　引言

異型電子元器件一般是多管腳，在異形元件自動化插件作業(yè)中，管腳的偏移誤差影響著插件的成功率。與人工插件不同，自動化插件需要先對管腳偏移誤差進行檢測，對滿足偏移量誤差要求的元件進行插裝，對超差的進行拋料。

檢測管腳偏移量需要檢測管腳的平整度和管腳間距，而對于插件作業(yè)來說，只要檢測出每個管腳都能夠落在插裝孔的范圍內(nèi)，即判定為合格。傳統(tǒng)的做法是將待插元件的某一管腳孔中心線和管腳中心線重合，將管腳的圖像坐標系旋轉(zhuǎn)平移后與標準電路板坐標系重合，即可判斷出其余管腳是否落在插裝孔內(nèi)。試驗證明，此種方法雖然有效，但過于嚴格，本文提出一種寬松的管腳偏移檢測方法，使拋料率近一步降低。該方法不要求管腳孔中心線和管腳中心線完全重合，而是根據(jù)誤差情況做適當?shù)钠x，然后分別計算各管腳的坐標誤差，其中最大誤差為判別管腳是否超差的依據(jù)。

1　管腳特點分析和提取

1.1異型電子元器件管腳特點分析

異型電子元器件的特點是外部形狀不規(guī)則，管腳數(shù)量較多且管腳分布不對稱，管腳形狀多樣化。如圖1所示，是四種典型的異型電子元器件。RY2元件四個管腳非對稱分布，且管腳較軟易變形；fuse元件外部輪廓為圓柱體，兩個管腳對稱分布；CN12元件外部輪廓形狀不規(guī)則，管腳非對稱分布；IC8元件七個管腳對稱分布，管腳形狀復雜。由上述特點可知，異型電子元器件種類較多，且不同種類的元器件差別較大。我們在進行管腳識別和誤差檢測時，應排除零件外形和管腳分布等因素的影響，進而得到元器件的管腳坐標值和相應誤差值。

圖1　異型電子元器件外觀圖

1.2 管腳識別和提取

為了得到管腳的實測值，首先需要在采集的圖像上識別出元件的管腳。運用圖像處理算法，將元件的管腳從圖片背景中分離出來，然后擬合出管腳的輪廓。最后通過擬合算法得到管腳的圓心和半徑，即完成對元件管腳的識別。

本文首先對管腳圖像進行處理，以RY2零件為例，其流程如下（對應的結(jié)果如圖2所示）：

1）均值濾波：去除圖像中的噪聲；應用3X3平均模板對原始圖像進行均值濾波處理。

2）圖像分割：將圖像分割成只有目標和背景的二值圖像；根據(jù)目標區(qū)域的灰度值，選擇合適的閾值對圖像進行分割。

3）形態(tài)學處理：從圖像中提取對于表達和描繪目標區(qū)域有意義的圖像分量。應用開運算算法，使圖像的輪廓變的光滑，斷開狹窄的連接和消除細的毛刺。

4）輪廓擬合：提取目標圖像的邊緣，使用最小二乘法擬合出目標區(qū)域的輪廓并得到各管腳的圓心和半徑。

圖2　管腳識別流程

2　管腳偏移檢測方法

管腳偏移量檢測的目的是判斷每個管腳是否都可以插進孔中，也就是判斷每個管腳圓是否都落在管腳孔所在的圓中，如圖3所示。

2.1管腳偏移誤差的定義

如圖3（a）所示，在定義管腳偏移誤差時，先對管腳進行編號，每個管腳對應有相應的偏移誤差。若Δxn記為記為，則每個管腳的偏移誤差為：

N個管腳中最大的誤差即為該元件的管腳偏移誤差。

圖3　管腳偏移誤差檢測示意圖

2.2坐標系幾何變換

偏移誤差檢測時涉及兩個坐標系：一個是電路板所在的坐標系，它是以待測元件的第一管腳孔位圓心為坐標原點；另一個是CCD采集到的管腳圖像坐標系，坐標原點待求。

在管腳偏移檢測時，首先要將管腳圖像坐標系旋轉(zhuǎn)平移到電路板坐標系中，管腳圖像坐標系原點選擇是本文的研究重點。

如圖3（a）所示，當以管腳1的圓心為原點，與插裝孔1圓心重合，則會發(fā)現(xiàn)管腳3和管腳4偏移量超差，元件判定為不合格；而當采用某種計算方法將管腳圖像坐標系平移后，使管腳1的圓心與插裝孔1圓心不重合時，四個管腳的偏移誤差全部滿足插裝要求，元件判定為合格?？梢妼で髢蓚€坐標系的幾何變換參數(shù)就顯得非常重要了。

兩個坐標系之間存在旋轉(zhuǎn)（θ）以及平移（Tx，Ty）關系。

假設誤差函數(shù)如下：

應用高斯牛頓法求解旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)的過程如下：

給定參數(shù)初始值（θ0，Tx0，Ty0），將其帶入誤差函數(shù)中：

由：

經(jīng)多次迭代收斂后，即可得到最終旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)（θ，Tx， Ty）。

3　實驗及結(jié)果

以RY2零件為例，分別得到其管腳的實測坐標值和理論坐標值，帶入誤差模型，得到其管腳偏移誤差值。

3.1管腳實測坐標值

在對異型電子元器件進行誤差檢測過程中，機械手臂夾持零件到拍照位拍照，獲取零件管腳圖片，經(jīng)過圖像處理，得到如圖4所示圖像。定義圖像像素直角坐標系（Ot， u， v），每一個像素的坐標（u，v）∈（M，N）分別表示該像素在數(shù)組中的列數(shù)與行數(shù)。通過上文的管腳識別，我們得到了管腳的圓心在圖像像素坐標系中的坐標值。根據(jù)相機參數(shù)和坐標轉(zhuǎn)換關系，將像素直角坐標系轉(zhuǎn)換為物理坐標系，得到管腳在物理坐標系中的坐標值，即為管腳的實測值（如表1所示）。

圖4　實測圖像

表1　管腳實測值

3.2管腳理論值坐標

管腳的理論值是通過測量印制電路板上的元件插裝孔的位置（如圖5所示）得到的。按照圖6定義坐標系及管腳編號，確定管腳理論值（如表2所示）。

圖5　插裝位置示意圖

圖6　管腳孔位坐標系

表2　管腳理論值

3.3管腳偏移誤差值

根據(jù)誤差公式，要得到管腳偏移誤差值，需要先得到理論值坐標與實測值坐標所在的坐標系的旋轉(zhuǎn)平移關系，得到旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)，將兩坐標系統(tǒng)一起來。表3為實驗零件在誤差檢測過程中的旋轉(zhuǎn)平移量。

表3　旋轉(zhuǎn)平移量

依據(jù)上述管腳偏移誤差模型，就可以計算得到零件管腳偏移的誤差值，如表4所示。

表4　管腳偏移誤差值

在設置零件管腳偏移誤差范圍時，由于印制電路板上插裝孔的直徑為1.2mm，零件管腳直徑為0.6mm，當零件管腳與插裝孔同軸時，它們之間存在0.3mm的圓環(huán)形空隙。所以設置為插裝允許誤差，當管腳偏移誤差滿足條件時，判為合格零件。

從表中可以看到，四個管腳的誤差值均小于0.3mm，所以該零件為合格零件。

3.4管腳偏移誤差數(shù)據(jù)分析

應用基于圖像處理的管腳偏移誤差檢測方法，對20 個RY2零件進行檢測，得到20組誤差數(shù)據(jù)（如表5所示）。如圖7中的5條曲線分別對應4個管腳的偏移誤差1，2，3，4和四個管腳中的最大誤差max。由圖可知，20個數(shù)據(jù)中第17個樣本（對應1的第17個樣本）超過預警黑線（0.3mm）。基于上述管腳誤差數(shù)據(jù)分析，得到零件管腳的超差率為5%。

4　結(jié)論

本文對異型電子元器件管腳偏移誤差進行了分析檢測，從誤差建模、圖像處理、坐標變換等方面展開深入研究，提出了一種基于圖像處理的管腳偏移誤差檢測方法，為開發(fā)和實現(xiàn)異型電子元器件偏移量檢測系統(tǒng)奠定基礎。同時對典型的異型元器件管腳偏移誤差進行了檢測和分析，實驗數(shù)據(jù)表明該方法能有效檢測管腳偏移誤差，并在實際應用中得到驗證。

表5　誤差數(shù)據(jù)

圖7　管腳偏移誤差折線圖

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TN247

A

1009-0134（2016）08-0050-04

2016-05-03

王越（1990 -），女，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，研究方向為機電一體化。