摘要：研究一種高精度、大場(chǎng)景、快速實(shí)時(shí)的PCB缺陷自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)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(jì)。該系統(tǒng)主要由二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)方式--細(xì)分驅(qū)動(dòng)以及改進(jìn)的圖像識(shí)別算法保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，一鍵式自動(dòng)檢測(cè)的設(shè)計(jì)提高了檢測(cè)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)能快速并準(zhǔn)確的檢測(cè)出PCB上的缺陷，有一定的實(shí)用和開發(fā)價(jià)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(gè)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(zhǎng)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(shì)不斷挑戰(zhàn)PCB板的質(zhì)量檢測(cè)問題。傳統(tǒng)PCB缺陷檢測(cè)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(cè)需要，因此研究實(shí)現(xiàn)一種PCB缺陷的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有很大的學(xué)術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。國(guó)內(nèi)外研究的PCB缺陷檢測(cè)技術(shù)中，AOI（Automatic OpticInspection自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)）技術(shù)越來(lái)越受到重視，其中基于圖像處理的檢測(cè)方法也成為自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)的主流。本文通過圖像處理技術(shù)研究了一種大視場(chǎng)、高精度、快速實(shí)時(shí)的PCB缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法流程。通過改進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式配合一鍵式自動(dòng)檢測(cè)軟件的設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)的檢測(cè)速度，對(duì)結(jié)果分析模塊的缺陷識(shí)別算法的改進(jìn)提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PCB缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)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(jī)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)二維平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，將CCD攝像機(jī)傳輸?shù)酱龣z測(cè)PCB上方，對(duì)PCB進(jìn)行大場(chǎng)景圖像采集，采集的圖像經(jīng)過圖像采集卡送到上位機(jī)，上位機(jī)軟件對(duì)采集的圖像進(jìn)行拼接、圖像預(yù)處理，對(duì)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(shí)別，得出缺陷檢測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟硬件相互協(xié)調(diào)工作構(gòu)成一個(gè)整體。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PCB缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、PC等。

2.1 CCD攝像機(jī)和圖像采集卡

CCD攝像機(jī)的主要特性參數(shù)包括攝像機(jī)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(jī)制式和是否在線檢測(cè)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(cè)量范圍和測(cè)量精度?？紤]到以上各個(gè)因素以及系統(tǒng)要求，在實(shí)驗(yàn)中采用的是廣州視安公司的槍式攝像機(jī)，該攝像機(jī)的特點(diǎn)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(jì)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(jī)的連續(xù)模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成為離散的數(shù)字量。其基本原理：從攝像機(jī)輸出的各種制式的視頻輸出信號(hào)，經(jīng)過輸入選擇模塊處理后，形成能被圖像采集卡識(shí)別的視頻信號(hào)。模擬視頻信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，存儲(chǔ)在卡上的幀緩存存儲(chǔ)器內(nèi)，由計(jì)算機(jī)CPU通過計(jì)算機(jī)總線控制具體的圖像傳遞，最終存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存或硬盤，用于圖像處理。本設(shè)計(jì)采用的圖像采集卡型號(hào)是： NV7004-N,將CCD攝像機(jī)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)實(shí)時(shí)顯示，并能完成圖像的抓拍功能。

2.2 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器及精密二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

PCB缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器為自行設(shè)計(jì)的MCU控制板，核心芯片為ATMEL公司生產(chǎn)的單片機(jī)AT89S52,控制板通過RS-232串行通信接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。通過操作人機(jī)交互界面對(duì)控制板發(fā)送命令，控制板輸出控制信號(hào)以及各種頻率的方波信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向以及移動(dòng)距離。

二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由兩個(gè)日本SUS Corp公司生產(chǎn)的精密運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌搭建，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌為滾珠絲桿型，非常精密，誤差很小。步進(jìn)電機(jī)與運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌相連，從而帶動(dòng)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)為日本TAMAGAWA公司生產(chǎn)的兩相四線制混合式步進(jìn)電機(jī)，該型號(hào)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定、噪聲小。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是通過控制步進(jìn)電機(jī)的各相勵(lì)磁繞組的電流，使步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部磁場(chǎng)合成方向發(fā)生變化，從而使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。各相勵(lì)磁繞組的電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)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(jī)兩個(gè)重要概念：齒距角θz和步距角θn.步進(jìn)電機(jī)齒距角是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)兩相鄰穩(wěn)定磁場(chǎng)之間的夾角。

步距角是指對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度位移量。步距角不僅與電機(jī)的齒數(shù)有關(guān)，還和電機(jī)的運(yùn)行拍數(shù)有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的齒距角θz和步距角θn可表示為：

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分是基于步進(jìn)電機(jī)的各相繞組理想對(duì)稱和距角特性嚴(yán)格正旋的基礎(chǔ)上，通過控制電動(dòng)機(jī)各相繞組中電流的大小和比例，使步距角減小到原來(lái)的幾分之一至幾百分之一，從而提高步進(jìn)電機(jī)的分辨率。以兩相步進(jìn)電機(jī)為例，若電機(jī)的齒數(shù)為50,運(yùn)行拍數(shù)是單四拍方式時(shí)，則步距角為θ=360度（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)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(shí)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(jī)的步距角就不可能很小。改變步進(jìn)電機(jī)的拍數(shù)也可以改變步距角，拍數(shù)是指完成一個(gè)磁場(chǎng)周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)，或指電機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)確定時(shí)，拍數(shù)也就確定。通過增加步進(jìn)電機(jī)的齒數(shù)和相數(shù)來(lái)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(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)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(chǎng)矢量就會(huì)在空間上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且合成矢量的幅值保持不變。如給四相混合式步進(jìn)電機(jī)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(chǎng)，使步距角變化均勻，各相繞組電流參考信號(hào)采用階梯狀正弦波形較為理想。以四相步進(jìn)電機(jī)8細(xì)分為例，在每一相中插入7個(gè)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(lái)一步所轉(zhuǎn)過的角度將由8步完成，即可實(shí)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(jī)的振蕩和噪音。采用階梯狀正弦波對(duì)電流進(jìn)行細(xì)分時(shí)，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(jī)運(yùn)行時(shí)的丟步率，降低了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音和顫動(dòng)，也使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究（二）