本發(fā)明涉及表面封裝貼片機領域，具體涉及表面封裝貼片機吸嘴同心度誤差自動補償方法及系統(tǒng)。

背景技術：

近年來，微型桌面貼片機由于其體積小、性價比高，受到眾多小型研發(fā)機構和創(chuàng)客的青睞。這一類貼片機設置靈活，操作簡單，可以在樣品研發(fā)和小批量生產(chǎn)階段有效解決用戶手工貼片精度差、費時費力的痛點，一般是通過真空吸嘴，可貼大部份smd片狀元件、0603以上元器件和16mm以下soic。

影響微型桌面貼片機的貼裝精度的因素一般包括：xy軸的定位精度、待貼裝電路板的標定定位精度、元件取料位的標定定位精度、以及貼片頭的垂直偏差精度和旋轉偏差精度等。其中xy軸的定位精度與驅動電機定位精度和導軌的機械精度有關，目前微型桌面貼片機的xy軸運動平臺構架已經(jīng)比較成熟，定位精度一般可以達到0.02mm左右。在借助于機器視覺手工標定后，貼裝電路板的標定和元件取料位的標定精度可達到0.01mm。這兩類精度在貼片機長時間工作后，變化不大。

由于受成本控制，目前微型桌面貼片機貼片頭的設計大都采用在步進電機軸上直接固定吸嘴的方式來實現(xiàn)。這一種設計方案中，吸嘴處需要加裝緩沖裝置，以減少貼片時由于所吸取元器件高度的差異給電路板帶來的沖擊。這種設計的優(yōu)點是成本低，易于實現(xiàn)。但是機器裝配后的精度容易受安裝垂直度和吸嘴同心度的影響，一致性難以保證。

另外，由于貼裝頭吸嘴在工作過程中運動速度快、使用頻率高，加上吸取和貼片的過程中不可避免的會出現(xiàn)非平滑的沖擊，因此長時間的工作后，貼片頭的機械定位精度很容易出現(xiàn)較大的變化，導致目前市面上的微型桌面貼片機普遍存在著貼裝精度隨時間增長逐漸變差的缺陷，用戶需要頻繁的更換貼裝頭和調整機器的參數(shù)來進行，機器整體的使用體驗不佳。

因此，需要研發(fā)一種能夠適用于微型桌面貼片機的吸嘴同心度誤差自動補償方法及系統(tǒng)，使其能夠實現(xiàn)在每次貼裝的過程中，自動對吸嘴的同心度誤差進行測量并糾正，而無需用戶頻繁的更換貼裝頭和調整機器的參數(shù)，保證其每次加工的同心度都在允許的范圍內，避免機器加工精度受到裝配、運輸及連續(xù)加工帶來的影響。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種表面封裝貼片機吸嘴同心度誤差自動補償方法，使其能夠實現(xiàn)在每次貼裝的過程中，自動、即時對吸嘴的同心度誤差進行測量并糾正，而無需用戶頻繁的更換貼裝頭和調整機器的參數(shù)，保證其每次加工的同心度都在允許的范圍內。

本發(fā)明的目的還在于，提供一種表面封裝貼片機吸嘴同心度誤差自動補償系統(tǒng)，避免機器的加工精度受到裝配和運輸?shù)挠绊?，即時修正連續(xù)、快速加工時產(chǎn)生的坐標漂移。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種表面封裝貼片機吸嘴同心度誤差自動補償方法，包括以下步驟：

(1)設置貼片頭，在該貼片頭吸嘴旋轉軸上設置線性霍爾傳感器和磁性釹鐵硼磁珠，對貼片頭上的吸嘴旋轉軸的零點進行標定，確保補償過程中的模型參考點位置；

(2)設置機器視覺系統(tǒng)，機器視覺系統(tǒng)包括攝像采集端和處理端，處理端內集成有基于圖像處理的灰度分析法分析軟件、和基于圖形特征與圖像灰度對應關系的數(shù)學模型的處理軟件，對該貼片頭吸嘴同心度進行自動檢測，并建立吸嘴旋轉同心度誤差模型；

(3)根據(jù)獲得的吸嘴旋轉同心度誤差模型，對貼裝過程中由吸嘴旋轉所帶來的同心度偏差進行補償校正。

作為本發(fā)明進一步改進，所述步驟(1)中的設置貼片頭具體包括：步進電機、步進電機驅動軸、下托板、吸嘴適配器、吸嘴；其中，步進電機驅動軸為空心軸，與吸嘴適配器緊密連接，吸嘴與吸嘴適配器為拆卸式連接；線性霍爾傳感器設置在下托板靠近旋轉軸位置上，釹鐵硼磁珠設置在吸嘴適配器靠近下托板位置上。

作為本發(fā)明進一步改進，所述磁性釹鐵硼磁珠的直徑為3至6毫米。

作為本發(fā)明進一步改進，所述步驟(1)中的吸嘴旋轉軸的零點標定，具體包括以下：

(1.1)輸出一脈沖，驅動步進電機順時針旋轉一定的角度；

(1.2)讀取線性霍爾傳感器的讀數(shù)，并將此讀數(shù)與歷史記錄中的最大線性霍爾傳感器讀數(shù)比較，若前者大于后者，記錄此時驅動電機已旋轉的角度；

(1.3)判斷驅動電機是否已經(jīng)旋轉了360度，若是，根據(jù)記錄下的線性霍爾傳感器讀數(shù)最大時驅動電機旋轉的角度，再逆時針旋轉相應角度，此時吸嘴旋轉軸歸零操作完成；否則，重復步驟(1.1)。

作為本發(fā)明進一步改進，所述步驟(2)中的貼片頭吸嘴同心度自動檢測與建模，具體包括以下：

(2.1)驅動貼片機的x、y軸運動機構，使待檢測的吸嘴中心移動到檢測相機的視覺中心；

(2.2)驅動z軸電機，使貼片頭下移，直至吸嘴頂端與待貼裝電路板所在的工作臺面在同一高度，減少或消除由于貼片頭安裝垂直度誤差帶來的影響；

(2.3)驅動貼片頭步進電機順時針旋轉一定角度，電機停止旋轉后，觸發(fā)檢測相機截取m幀圖像，利用視覺算法獲取吸嘴頂端中心的相對坐標信息(xk,yk,α)，其中(xk,yk)為吸嘴中心在圖像中的相對位置，α為吸嘴當前旋轉角度，規(guī)定起始的位置坐標為(0，0，0)及電機軸處于零點標定位置為(xk,yk,α)＝(0,0,0)；

(2.4)判斷吸嘴是否已經(jīng)旋轉了360度，如果是，轉入下一步，否則轉回步驟(2.3)；

(2.5)利用在各個旋轉角度采集到的坐標信息，求解模型f(x,y,α)，使其滿足下列兩個條件：

條件1：點集合{(xk,yk)|k＝0...n}到擬合圓的距離絕對值之和最小，即(xc,yc)為擬合圓中心坐標，r為擬合圓半徑；

條件2：f(0,0,0)＝0。

作為本發(fā)明進一步改進，所述步驟(2.3)具體還包括以下：

(2.3.1)截取一幀圖像后，首先對圖像進行剪裁，盡可能減小要處理的目標圖像，同時保證目標吸嘴仍在其中；

(2.3.2)對圖像進行灰度變化，使其從bgr空間轉換到hsv空間；

(2.3.3)利用合適的濾波器對灰度圖像進行平滑操作，減少圖像噪聲影響；

(2.3.4)對平滑后的圖像進行腐蝕和膨脹操作，使目標從背景中突現(xiàn)出來；

(2.3.5)利用canny算子對圖像進行分割，獲取包含目標邊緣信息在內的二值圖像；

(2.3.6)在二值圖像中找出對象的輪廓，并對所有輪廓進行橢圓擬合；

(2.3.7)檢查所有擬合后的橢圓，從兩個條件判斷是否為目標(吸嘴孔)：橢圓長短軸之比小于某一閾值，以及橢圓實際尺寸在一定范圍內。若圖像中存在滿足條件的橢圓，且只有一個，則將保存該橢圓在圖像中的信息(xi,yi,α)，其中α為吸嘴當前旋轉角度。此時，一幀圖像處理完畢；

(2.3.8)檢查是否已經(jīng)處理完要求的m幀圖像，若沒有，轉到步驟(2.3.1)，否則轉入下一步；

(2.3.9)利用公式獲取該位置吸嘴的位置信息(xk,yk,α)，其中n為有效的幀數(shù)，n＜m。

作為本發(fā)明進一步改進，所述步驟(3)中的吸嘴同心度偏差補償校正，具體包括以下：

根據(jù)獲得吸嘴同心度偏差的數(shù)學模型f(x,y,α)，其中包含擬合圓的中心坐標(xc,yc)和半徑r；當α＝0時，即吸嘴旋轉軸處于標定好的零點時，當吸嘴旋轉一定角度α后，所處的位置為圓周上的一點(x,y)，利用幾何關系，(x,y)可以用公式(1)描述

上式中α0為向量o′x′到o′o的夾角，它滿足下面的條件

將公式(2)代入到(1)中，可以得到(x,y)的描述為

至此，當吸嘴在工作過程旋轉一定角度α之后，在全局坐標系中它的偏差將為(x,y)，在吸嘴的目標定位坐標中減去這個值，就可以消除由于其同心度誤差帶來的偏差，從而準確的將其定位在指定的坐標。

一種表面封裝貼片機吸嘴同心度誤差自動補償系統(tǒng)，包括：

貼片頭，所述貼片頭吸嘴旋轉軸上設置有線性霍爾傳感器和磁性釹鐵硼磁珠，對貼片頭上的吸嘴旋轉軸的零點進行標定，確保補償過程中的模型參考點位置；

機器視覺系統(tǒng)，機器視覺系統(tǒng)包括攝像采集端和處理端，處理端內集成有基于圖像處理的灰度分析法分析軟件、和基于圖形特征與圖像灰度對應關系的數(shù)學模型的處理軟件，對該貼片頭吸嘴同心度進行自動檢測，并建立吸嘴旋轉同心度誤差模型；根據(jù)獲得的吸嘴旋轉同心度誤差模型，對貼裝過程中由吸嘴旋轉所帶來的同心度偏差進行補償校正。

作為本發(fā)明進一步改進，所述設置貼片頭具體包括：步進電機、步進電機驅動軸、下托板、吸嘴適配器、吸嘴；其中，步進電機驅動軸為空心軸，與吸嘴適配器緊密連接，吸嘴與吸嘴適配器為拆卸式連接；將線性霍爾傳感器設置在下托板靠近旋轉軸位置上，將釹鐵硼磁珠設置在吸嘴適配器靠近下托板位置上。

作為本發(fā)明進一步改進，所述磁性釹鐵硼磁珠的直徑為2至5毫米。

與現(xiàn)有技術相比具有的優(yōu)點：本發(fā)明提供的方法及系統(tǒng)，在原有貼片頭的基礎上，通過在貼片頭吸嘴旋轉軸位置加裝線性霍爾傳感器和釹鐵硼磁珠，利用其對貼片頭上的吸嘴旋轉軸的零點進行標定，確保補償過程中的模型參考點位置不漂移，結構緊湊、運行穩(wěn)定，適合長時間、多次、高速吸取操作；并利用機器視覺系統(tǒng)自動檢測貼片頭吸嘴的同心度，再在貼裝過程中進行軟件補償?shù)姆绞絹硐N片頭精度變化對機器系統(tǒng)性能造成的不良影響，使加工精度始終控制在預定的范圍內。

本發(fā)明提供的方法及系統(tǒng)，解決了因裝配過程中的誤差或使用一段時間后出現(xiàn)的坐標漂移、機械誤差，采用現(xiàn)有的方法及系統(tǒng)，無法即時進行測量并補償、修正的難題。吸嘴軸線因為在裝配過程中的誤差、或使用一段時間后出現(xiàn)的機械誤差，使其很難保證與電機軸軸線重合，導致其運動時軸線掃過的軌跡呈一個圓錐形；但是，吸嘴軸線在吸嘴頂端的運動軌跡為一個規(guī)則的圓；本發(fā)明利用這一特性，通過采集和比較吸嘴軸線運動軌跡與其頂端的運動軌跡的異同、差額，來實現(xiàn)對吸嘴旋轉過程中出現(xiàn)的同心度誤差來進行即時建模和補償，可以高效、快速、穩(wěn)定的修正吸嘴的同心度誤差，保證貼裝的精度保持在預定的范圍內。

為更清楚地闡述本發(fā)明的結構特征和功效，下面結合附圖與具體實施例來對其進行詳細說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明貼片頭吸嘴同心度誤差補償流程圖；

圖2是本發(fā)明吸嘴旋轉軸零點標定流程圖；

圖3是本發(fā)明貼片頭吸嘴同心度檢測與建模流程圖；

圖4是本發(fā)明吸嘴視覺識別及坐標位置獲取流程圖；

圖5是本發(fā)明吸嘴旋轉360度軌跡示意圖；

圖6是本發(fā)明貼片機貼片頭結構示意圖；

圖7是本發(fā)明吸嘴零位標定傳感器安裝示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

參閱附圖1至附圖7，本實施例提供的一種表面封裝貼片機吸嘴同心度誤差自動補償方法，包括以下步驟：

(1)設置貼片頭，在該貼片頭吸嘴旋轉軸位置設置線性霍爾傳感器5和磁性釹鐵硼磁珠6，對貼片頭上的吸嘴旋轉軸的零點進行標定，確保補償過程中的模型參考點位置；

設置貼片頭的步驟，具體包括將步進電機1、步進電機驅動軸、下托板2、吸嘴適配器3、吸嘴4；其中，步進電機驅動軸為空心軸，與吸嘴適配器3緊密連接，吸嘴4與吸嘴適配器3為拆卸式連接；當步進電機1旋轉時，底端的吸嘴4同步轉動相同角度；將線性霍爾傳感器5設置在下托板2靠近旋轉軸位置上，將釹鐵硼磁珠6設置在吸嘴適配器3靠近下托板2位置上；所述釹鐵硼磁珠6具有磁性，其直徑為2至5毫米，具體尺寸可根據(jù)吸嘴的大小選擇；

其中的吸嘴旋轉軸的零點標定，具體包括以下步驟：

(1.1)輸出一脈沖，驅動步進電機順時針旋轉一定的角度，如0.9度；

(1.2)讀取線性霍爾傳感器的讀數(shù)，并將此讀數(shù)與歷史記錄中的最大線性霍爾傳感器讀數(shù)比較，若前者大于后者，記錄此時驅動電機已旋轉的角度；

(1.3)判斷驅動電機是否已經(jīng)旋轉了360度，若是，根據(jù)記錄下的線性霍爾傳感器讀數(shù)最大時驅動電機旋轉的角度，再逆時針旋轉相應角度，此時吸嘴旋轉軸歸零操作完成；否則，重復步驟(1.1)；

(2)設置機器視覺系統(tǒng)，機器視覺系統(tǒng)包括攝像采集端和處理端，處理端內集成有基于圖像處理的灰度分析法分析軟件、和基于圖形特征與圖像灰度對應關系的數(shù)學模型的處理軟件，對該貼片頭吸嘴同心度進行自動檢測，并建立吸嘴旋轉同心度誤差模型；

具體包括以下步驟：

(2.1)驅動貼片機的x、y軸運動機構，使待檢測的吸嘴中心移動到檢測相機的視覺中心；

(2.2)驅動z軸電機，使貼片頭下移，直至吸嘴頂端與待貼裝電路板所在的工作臺面在同一高度，減少或消除由于貼片頭安裝垂直度誤差帶來的影響；

(2.3)驅動貼片頭步進電機順時針旋轉一定角度，如18度，電機停止旋轉后，觸發(fā)檢測相機截取m幀圖像，利用視覺算法獲取吸嘴頂端中心的相對坐標信息(xk,yk,α)，其中(xk,yk)為吸嘴中心在圖像中的相對位置，α為吸嘴當前旋轉角度，規(guī)定起始的位置坐標為(0，0，0)及電機軸處于零點標定位置為(xk,yk,α)＝(0,0,0)；

(2.4)判斷吸嘴是否已經(jīng)旋轉了360度，如果是，轉入下一步，否則轉回步驟(2.3)；

(2.5)利用在各個旋轉角度采集到的坐標信息，求解模型f(x,y,α)，使其滿足下列兩個條件：

條件1：點集合{(xk,yk)|k＝0...n}到擬合圓的距離絕對值之和最小，即(xc,yc)為擬合圓中心坐標，r為擬合圓半徑；

條件2：f(0,0,0)＝0；

所述步驟(2.3)具體還包括以下：

(2.3.1)截取一幀圖像后，首先對圖像進行剪裁，盡可能減小要處理的目標圖像，同時保證目標吸嘴仍在其中；

(2.3.2)對圖像進行灰度變化，使其從bgr空間轉換到hsv空間；

(2.3.3)利用合適的濾波器對灰度圖像進行平滑操作，減少圖像噪聲影響；

(2.3.4)對平滑后的圖像進行腐蝕和膨脹操作，使目標從背景中突現(xiàn)出來；

(2.3.5)利用canny算子對圖像進行分割，獲取包含目標邊緣信息在內的二值圖像；

(2.3.6)在二值圖像中找出對象的輪廓，并對所有輪廓進行橢圓擬合；

(2.3.7)檢查所有擬合后的橢圓，從兩個條件判斷是否為目標(吸嘴孔)：橢圓長短軸之比小于某一閾值，以及橢圓實際尺寸在一定范圍內。若圖像中存在滿足條件的橢圓，且只有一個，則將保存該橢圓在圖像中的信息(xi,yi,α)，其中α為吸嘴當前旋轉角度。此時，一幀圖像處理完畢；

(2.3.8)檢查是否已經(jīng)處理完要求的m幀圖像，若沒有，轉到步驟(2.3.1)，否則轉入下一步；

(2.3.9)利用公式獲取該位置吸嘴的位置信息(xk,yk,α)，其中n為有效的幀數(shù)，n＜m。

(3)根據(jù)獲得的吸嘴旋轉同心度誤差模型，對貼裝過程中由吸嘴旋轉所帶來的同心度偏差進行補償校正，具體包括以下步驟：

根據(jù)獲得吸嘴同心度偏差的數(shù)學模型f(x,y,α)，其中包含擬合圓的中心坐標(xc,yc)和半徑r；當α＝0時，即吸嘴旋轉軸處于標定好的零點時，當吸嘴旋轉一定角度α后，所處的位置為圓周上的一點(x,y)，利用幾何關系，(x,y)可以用公式(1)描述

上式中α0為向量o′x′到o′o的夾角，它滿足下面的條件

將公式(2)代入到(1)中，可以得到(x,y)的描述為

至此，當吸嘴在工作過程旋轉一定角度α之后，在全局坐標系中它的偏差將為(x,y)，在吸嘴的目標定位坐標中減去這個值，就可以消除由于其同心度誤差帶來的偏差，從而準確的將其定位在指定的坐標。

一種表面封裝貼片機吸嘴同心度誤差自動補償系統(tǒng)，包括：

貼片頭，所述貼片頭吸嘴旋轉軸位置設置有線性霍爾傳感器和釹鐵硼磁珠，對貼片頭上的吸嘴旋轉軸的零點進行標定，確保補償過程中的模型參考點位置；

機器視覺系統(tǒng)，機器視覺系統(tǒng)包括攝像采集端和處理端，處理端內集成有基于圖像處理的灰度分析法分析軟件、和基于圖形特征與圖像灰度對應關系的數(shù)學模型的處理軟件，對該貼片頭吸嘴同心度進行自動檢測，并建立吸嘴旋轉同心度誤差模型；根據(jù)獲得的吸嘴旋轉同心度誤差模型，對貼裝過程中由吸嘴旋轉所帶來的同心度偏差進行補償校正。

作為本發(fā)明進一步改進，所述貼片頭具體包括：步進電機1、步進電機驅動軸、下托板2、吸嘴適配器3、吸嘴4；其中，步進電機驅動軸為空心軸，與吸嘴適配器3緊密連接，吸嘴4與吸嘴適配器3為拆卸式連接；當步進電機1旋轉時，底端的吸嘴4同步轉動相同角度。線性霍爾傳感器5設置在下托板2靠近旋轉軸位置上，釹鐵硼磁珠6設置在吸嘴適配器3靠近下托板2位置上。

作為本發(fā)明進一步改進，所述磁性釹鐵硼磁珠的直徑為2至5毫米。

本發(fā)明提供的方法及系統(tǒng)的重點在于，在原有貼片頭的基礎上，通過在貼片頭吸嘴旋轉軸位置加裝線性霍爾傳感器和釹鐵硼磁珠，利用其對貼片頭上的吸嘴旋轉軸的零點進行標定，確保補償過程中的模型參考點位置；并利用機器視覺系統(tǒng)自動檢測貼片頭吸嘴的同心度，再在貼裝過程中進行軟件補償?shù)姆绞絹硐N片頭坐標漂移、精度變化對機器系統(tǒng)性能造成不良影響。

吸嘴軸線因為在裝配過程中的誤差、或使用一段時間后出現(xiàn)的機械誤差，使其很難保證與電機軸軸線重合，導致其運動時軸線掃過的軌跡呈一個圓錐形；但是，吸嘴軸線在吸嘴頂端的運動軌跡為一個規(guī)則的圓；本發(fā)明利用這一特性，通過采集和比較吸嘴軸線運動軌跡與其頂端的運動軌跡的異同、差額，來實現(xiàn)對吸嘴旋轉過程中出現(xiàn)的同心度誤差來進行即時建模和補償，可以高效、快速、穩(wěn)定的修正吸嘴的同心度誤差，保證貼裝的精度保持在預定的范圍內。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發(fā)明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。故凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明之形狀、構造及原理所作的等效變化，均應涵蓋于本發(fā)明的保護范圍內。