专利名称：微钻机器视觉检测系统及其方法
技术领域：
本发明涉及的是一种质量检测技术领域的装置及其方法，具体是一种微钻机器视
觉检测系统及其方法。
背景技术：
PCB (印刷电路板)微型钻针(简称微钻)是加工PCB的主要工具，对PCB的质量和成本有重要影响。随着人们对高集成度PCB的需求不断增加，微钻的直径也不断减小。微钻传统的检测方法一般使用激光测径仪和显微镜，但激光测径仪能够检测的项目单一，不能满足生产中对微钻众多检测项目的要求；显微镜法是手动测量，人为因素影响大，无法满足批量生产的需求。 经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为CN02242702. 3的申请案提供了一种微型钻针检测及成像装置，该装置手动调节光源强度及位置，依据工程经验选择较好的成像效果进而达到提高成像品质的要求，因而容易产生误差，且检测效率低。同时，此方法对微钻侧面几何参数缺乏行之有效的检测手段，且不能同时进行侧面检测和刃面检测，系统的集成化程度也比较低。 又经检索发现，电子科技大学的罗颖在其题目为 〃 基于机器视觉的PCB微钻端面缺陷检测研究〃 的硕士毕业论文中，提供了微钻检测的一种视觉处理方法，但该方法检测的效率和精确度也都比较低，可检测的参数也比较少。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种微钻机器视觉检测系统及其方法。本发明微钻的侧面检测与刃面检测被集成到同一系统中，有效提高了检测系统的集成度，结合多种图像处理方法，提高了检测的效率和精确度，拓展了检测范围。
本发明是采用以下技术方案实现的 本发明所涉及的微钻机器视觉检测系统包括四工位分度旋转平台、侧面检测系统、刃面检测系统、PLC(可编程控制器)和计算机，其中侧面检测系统和刃面检测系统分别位于四工位分度旋转平台上，侧面检测系统和刃面检测系统分别与计算机相连传输待检微钻的侧面图像和刃面图像，计算机与PLC相连传输微钻分类结果信息，PLC和四工位分度旋转平台相连传输控制信息。 所述的四工位分度旋转平台包括上料工位、侧面检测工位、刃面检测工位和下料工位，其中侧面检测系统位于侧面检测工位，刃面检测系统位于刃面检测工位，上料工位绕四工位分度旋转平台旋转1/4周是侧面检测工位，侧面检测工位绕四工位分度旋转平台旋转1/4周是刃面检测工位，刃面检测工位绕四工位分度旋转平台旋转1/4周是下料工位，下料工位绕四工位分度旋转平台旋转1/4周是上料工位。
所述的下料工位包括若干个料盒。 所述的侧面检测系统包括侧面相机、侧面镜头组件、侧面背景光源、侧面同轴光源和侧面支架，其中侧面支架、侧面背景光源和侧面同轴光源位于四工位分度旋转平台上，侧面相机和侧面镜头组件位于侧面支架上。 所述的刃面检测系统包括刃面相机、刃面检测镜头组件、刃面光源和刃面支架，其中刃面支架和刃面光源位于四工位分度旋转平台上，刃面相机与刃面检测镜头组件位于刃面支架上。
所述的刃面光源是发出红光的LED(发光二极管)光源。
本发明所涉及的微钻机器视觉检测系统的检测方法，具体步骤如下 第一步，检测前对侧面检测系统和刃面检测系统进行校正将已知参数信息的标
准微钻分别置于侧面检测系统与刃面检测系统，通过半自动调焦和调光处理，获得标准微
钻的清晰图像，得出实际像素间距，并在侧面检测系统校正时记录标准微钻位置。 所述的半自动调焦，就是分别调节侧面镜头组件和刃面检测镜头组件的位置，使
计算机显示器上显示的图像熵值达到最大，即图像达到最清晰的状态。 所述的调光处理就是分别调整侧面光源与微钻以及刃面光源与微钻之间的距离，同时分别调节侧面光源与刃面光源的光强，以在计算机显示器上得到清晰不失真的微钻图像。 第二步，将待检微钻置于上料工位，四工位分度旋转平台旋转90°使待检微钻位于侧面检测工位的侧面检测系统前，侧面相机采集若干幅侧面图像，并将侧面图像送到计算机，进而得到侧面几何参数的数值，然后进一步对待检微钻进行自动对焦，为刃面检测做准备。 所述的侧面几何参数包括微钻全长、颈部直径、先端直径和刃角高度差。 所述的微钻全长是通过侧面图像中微钻高度对比得到的，即在侧面相机无法直接
对待检微钻全长取像测量的前提下，通过待检微钻图像与标准微钻图像钻顶尖位置的对
比，得到待检微钻的微钻全长。 所述的颈部直径是指侧面相机对旋转的待检微钻进行连续抓拍获得的最大值。
所述的自动对焦，就是侧面检测结束后，侧面检测工位根据待检微钻与标准微钻钻顶尖的高度差，自动调整待检微钻的高度，使刃面检测过程中，待检微钻处于刃面检测镜头组件的景深范围内，保证待检微钻的刃面图像成像清晰。 第三步，四工位分度旋转平台旋转90°使待检微钻位于刃面检测工位的刃面检测系统前，刃面相机对待检微钻的刃面进行若干幅图像采集，并将刃面图像信息送到计算机，经过图像匹配、图像多图平均降噪、图像加权自相加、图像边缘位置补偿和图像自定位处理得到待检微钻清晰的刃面图像，再通过图像角点追踪进而得到待检微钻的刃面几何参数的数值。 所述的刃面几何参数包括外径、偏芯、重合分离量、大小头、大小面、圆角、缺口深度、外圆弧度和内弧沟状。 所述的图像加权自相加是指对刃面图像的平均灰度值进行迭代，直至灰度值不发生变化即取为最佳灰度阈值，再根据最佳灰度阈值得到图像的权值，进而进行加权自相加处理得到新的灰度值，具体为 设刃面图像某点的灰度值为f(i， j)，最佳灰度阈值为T，则该点的权值"i，.为"^^1^」，再对图像进行加权自相加运算，新的灰度值f' (i， j)即为f(i， j) =f(i，j)+WijXf(i， j)。 所述的图像边缘位置补偿是指根据刃面图像在图像多图平均降噪和图像加权自相加前后所占总像素的百分比来确定对图像采取膨胀或腐蚀操作。 第四步，四工位分度旋转平台旋转90°使待检微钻位于下料工位，计算机将待检微钻侧面几何参数和刃面几何参数的每个参数值分别与设定的每个参数的标准值进行比对，从而对待检微钻进行分类，并把分类结果信息发送到PLC， PLC根据得到的分类结果信息控制下料工位，使待检微钻放到相应的料盒。 与现有技术相比，本发明具有的有益效果是将微钻检测分为侧面检测和刃面检测，并将这两种检测集成到一个系统中，通过提高采集图像的清晰度和准确度，结合对采集的图像的多种处理方法，显著提高了微钻的检测精度和检测速度，并拓展了检测范围。
图1为本发明的结构示意框图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 如图1所示，本实施例所涉及的微钻机器视觉检测系统包括四工位分度旋转平台1、侧面检测系统2、刃面检测系统3、 PLC 4和计算机5，其中侧面检测系统2和刃面检测系统3分别位于四工位分度旋转平台1上，侧面检测系统2和刃面检测系统3分别与计算机5相连传输待检微钻的侧面图像和刃面图像，计算机5与PLC 4相连传输微钻分类结果信息，PLC 4和四工位分度旋转平台l相连传输控制信息。 所述的四工位分度旋转平台1包括上料工位6、侧面检测工位7、刃面检测工位8和下料工位9，其中侧面检测系统2位于侧面检测工位7，刃面检测系统3位于刃面检测工位8，上料工位6绕四工位分度旋转平台1顺时针旋转1/4周是侧面检测工位7，侧面检测工位7绕四工位分度旋转平台1顺时针旋转1/4周是刃面检测工位8，刃面检测工位8绕四工位分度旋转平台1顺时针旋转1/4周是下料工位9，下料工位9绕四工位分度旋转平台1顺时针旋转1/4周是上料工位6。
所述的下料工位9包括若干个料盒。 所述的侧面检测系统2包括侧面相机、侧面镜头组件、侧面背景光源、侧面同轴光源和侧面支架，其中侧面支架、侧面背景光源和侧面同轴光源位于四工位分度旋转平台1上，侧面相机和侧面镜头组件位于侧面支架上。 所述的刃面检测系统3包括刃面相机、刃面检测镜头组件、刃面光源和刃面支架，其中刃面支架和刃面光源位于四工位分度旋转平台1上，刃面相机与刃面检测镜头组件位于刃面支架上。 所述的刃面光源是发出红光的LED光源。
采用上述微钻机器视觉检测系统，本实施例对30根直径为0. 2mm的待检微钻进行 检测，具体检测步骤如下 第一步，检测前对侧面检测系统2和刃面检测系统3进行校正将已知参数信息的 标准微钻分别置于侧面检测系统2与刃面检测系统3，通过半自动调焦和调光处理，获得标 准微钻的清晰图像，得出实际像素间距，并在侧面检测系统校正时记录标准微钻位置。
所述的半自动调焦，就是分别调节侧面镜头组件和刃面检测镜头组件的位置，使 计算机5显示器上显示的图像熵值达到最大，即图像达到最清晰的状态。
所述的调光处理就是分别调整侧面光源与微钻以及刃面光源与微钻之间的距离， 同时分别调节侧面光源与刃面光源的光强，以在计算机5显示器上得到清晰不失真的微钻 图像。 第二步，将待检微钻置于上料工位6，然后四工位分度旋转平台l顺时针旋转90。 使待检微钻位于侧面检测工位7的侧面检测系统2前，在待检微钻进行旋转的同时，侧面相 机采集若干幅侧面图像，并将侧面图像送到计算机5，进而得到侧面几何参数的数值，然后 进一步对待检微钻进行自动对焦，为刃面检测做准备。 所述的侧面几何参数包括微钻全长、颈部直径、先端直径和刃角高度差，其中； 微钻全长是通过侧面图像中微钻高度对比得到的，即在侧面相机无法直接对微钻全长取像 测量的前提下，通过待检微钻图像与标准微钻图像微钻顶尖位置的对比，计算出待检微钻 全长。 所述的自动对焦，就是侧面检测结束后，侧面检测工位7根据待检微钻与标准微 钻钻顶尖的高度差，自动调整待检微钻的高度，使刃面检测过程中，待检微钻处于刃面检测 镜头组件的景深范围内，保证待检微钻的刃面图像成像清晰。 第三步，四工位分度旋转平台1顺时针旋转90°使待检微钻位于刃面检测工位8 的刃面检测系统3前，使得刃面光源的入射光线与待检微钻尖顶边成约65°夹角，刃面相 机对待检微钻的刃面进行若干幅图像采集，并将刃面图像信息送到计算机5，经过图像匹 配、图像多图平均降噪、图像加权自相加、图像边缘位置补偿、图像自定位和图像角点追踪 处理方法得到待检微钻清晰的刃面图像，进而得到待检微钻的刃面几何参数的数值。
所述的刃面几何参数包括外径、偏芯、重合分离量、大小头、大小面、圆角、缺口深 度、外圆弧度和内弧沟状。 所述的图像匹配是指根据预先设定的影像匹配图库，并设定图像匹配的指标，对 检测得到的刃面图像与图库中影像模板进行匹配，获得匹配额度最大值所对应的各参数作 为输出参数。当待检微钻出现断头或者刃面表面有脏污时，此时刃面图像无法与模板相匹 配，从而判定该待检微钻不适合检测；当刃面图像可以与模板相匹配时，即可对待检微钻进 一步检测。 所述的图像多图平均降噪是指对采集的若干幅刃面图像的灰度值进行平均化处 理，以减小图像灰度值的方差，这样可以有效抑制噪声。 所述的图像加权自相加是指对刃面图像的平均灰度值进行迭代，直至灰度值不发 生变化即取为最佳灰度阈值，再根据最佳灰度阈值得到图像的权值，进而进行加权自相加 处理得到新的灰度值。这样的处理方式可以扩展图像的动态范围，更好地增强目标对比度。 具体为
设刃面图像某点的灰度值为f(i， j)，最佳灰度阈值为T，则该点的权值"ij为
V^^，再对图像进行加权自相加运算，新的灰度值f' (i， j)即为<formula>formula see original document page 8</formula>
可以看出图像每点的权值与该点灰度值呈正相关关系，经过加权自相加运算，图
像中亮的点变的越亮，暗的点变得越暗，从而有效增强了图像的对比度。 所述的图像边缘位置补偿是指根据刃面图像在图像多图平均降噪和图像加权自
相加前后所占总像素的百分比来确定对图像采取膨胀或腐蚀操作。这样的处理方法可以消
除图像在处理前后边缘位置的变动量，从而保证图像的真实性。 所述的图像自定位是指对完成图像匹配且符合检测要求的刃面图像通过坐标转 换，将影像统一定位到图像面阵的中心，并顺时针旋转25度，保持待检微钻轴线与影像显 示框的纵坐标约成25。夹角。这样的操作可使得边缘检测以及边缘拟合效果更好，并提高 刃面图像检测的重复度和精度。 所述的图像角点追踪是指在刃面图像检测时，采用一种基于协方差矩阵的角点获 取方法以捕捉刃面图像的8个角点，并由这8个角点辅助获得刃面图像，准确提取角点能有 效增强图像的检测精度。 第四步，四工位分度旋转平台l顺时针旋转90。使待检微钻位于下料工位9，计算 机5根据待检微钻的侧面几何参数和刃面几何参数的每个参数值与设定的每个参数标准 值进行比对，对待检微钻进行分类，并把分类结果发送到PLC 4， PLC 4根据得到的分类结 果信息控制下料工位9，使待检微钻放到相应的料盒，至此完成待检微钻的检测。
本实施例对30根直径为0. 2mm的微钻进行了 10次重复检测，最终刃面几何参数 重复检测精度在±0. 5um的范围内，侧面几何参数重复检测精度在士2um的范围内，检测准 确率达98%以上，检测节拍约18根/分钟，完全满足生产要求。
权利要求
一种微钻机器视觉检测系统，其特征在于，包括四工位分度旋转平台、侧面检测系统、刃面检测系统、PLC和计算机，其中侧面检测系统和刃面检测系统分别位于四工位分度旋转平台上，侧面检测系统和刃面检测系统分别与计算机相连传输待检微钻的侧面图像和刃面图像，计算机与PLC相连传输微钻分类结果信息，PLC和四工位分度旋转平台相连传输控制信息。
2. 根据权利要求1所述的微钻机器视觉检测系统，其特征是，所述的四工位分度旋转平台包括上料工位、侧面检测工位、刃面检测工位和下料工位，其中侧面检测系统位于 侧面检测工位，刃面检测系统位于刃面检测工位，上料工位绕四工位分度旋转平台旋转1/4 周是侧面检测工位，侧面检测工位绕四工位分度旋转平台旋转1/4周是刃面检测工位，刃面检测工位绕四工位分度旋转平台旋转1/4周是下料工位，下料工位绕四工位分度旋转平台旋转1/4周是上料工位；所述的下料工位包括若干个料盒。
3. 根据权利要求1所述的微钻机器视觉检测系统，其特征是，所述的侧面检测系统包括侧面相机、侧面镜头组件、侧面背景光源、侧面同轴光源和侧面支架，其中侧面支架、 侧面背景光源和侧面同轴光源位于四工位分度旋转平台上，侧面相机和侧面镜头组件位于 侧面支架上。
4. 根据权利要求1所述的微钻机器视觉检测系统，其特征是，所述的刃面检测系统包 括刃面相机、刃面检测镜头组件、刃面光源和刃面支架，其中刃面支架和刃面光源位于 四工位分度旋转平台上，刃面相机与刃面检测镜头组件位于刃面支架上。
5. 根据权利要求4所述的微钻机器视觉检测系统，其特征是，所述的刃面光源是发出红光的LED光源。
6. —种根据权利要求1所述的微钻机器视觉检测系统的检测方法，其特征在于，包括步骤如下第一步，检测前对侧面检测系统和刃面检测系统进行校正将已知参数信息的标准微 钻分别置于侧面检测系统与刃面检测系统，通过半自动调焦和调光处理，获得标准微钻的 清晰图像，得出实际像素间距，并在侧面检测系统校正时记录标准微钻位置；第二步，将待检微钻置于上料工位，四工位分度旋转平台旋转90。使待检微钻位于 侧面检测工位的侧面检测系统前，侧面相机采集若干幅侧面图像，并将侧面图像送到计算 机，进而得到侧面几何参数的数值，然后进一步对待检微钻进行自动对焦，为刃面检测做准 备；第三步，四工位分度旋转平台旋转90。使待检微钻位于刃面检测工位的刃面检测系 统前，刃面相机对待检微钻的刃面进行若干幅图像采集，并将刃面图像信息送到计算机，经 过图像匹配、图像多图平均降噪、图像加权自相加、图像边缘位置补偿和图像自定位处理得 到待检微钻清晰的刃面图像，再通过图像角点追踪进而得到待检微钻的刃面几何参数的数 值；所述的图像加权自相加是指对刃面图像的平均灰度值进行迭代，直至灰度值不发生变 化即取为最佳灰度阈值，再根据最佳灰度阈值得到图像的权值，进而进行加权自相加处理 得到新的灰度值；所述的图像边缘位置补偿是指根据刃面图像在图像多图平均降噪和图像加权自相加前后所占总像素的百分比来确定对图像采取膨胀或腐蚀操作；第四步，四工位分度旋转平台旋转90°使待检微钻位于下料工位，计算机将待检微钻 侧面几何参数和刃面几何参数的每个参数值分别与设定的每个参数的标准值进行比对，从 而对待检微钻进行分类，并把分类结果信息发送到PLC， PLC根据得到的分类结果信息控制 下料工位，使待检微钻放到相应的料盒。
7. 根据权利要求6所述的微钻机器视觉检测方法，其特征是，第二步中所述的侧面几 何参数包括微钻全长、颈部直径、先端直径和刃角高度差。
8. 根据权利要求7所述的微钻机器视觉检测方法，其特征是，所述的微钻全长是通过 侧面图像中微钻高度对比得到的，即在侧面相机无法直接对待检微钻全长取像测量的前提 下，通过待检微钻图像与标准微钻图像钻顶尖位置的对比，得到待检微钻的微钻全长。
9. 根据权利要求7所述的微钻机器视觉检测方法，其特征是，所述的颈部直径是指侧 面相机对旋转的待检微钻进行连续抓拍获得的最大值。
10. 根据权利要求6所述的微钻机器视觉检测方法，其特征是，第三步中所述的刃面几 何参数包括外径、偏芯、重合分离量、大小头、大小面、圆角、缺口深度、外圆弧度和内弧沟状。
全文摘要
本发明公开了一种质量检测技术领域的微钻机器视觉检测系统及其方法，检测系统包括四工位分度旋转平台、侧面检测系统、刃面检测系统、PLC和计算机；检测步骤依次为首先检测前对侧面检测系统和刃面检测系统进行校正，然后采集侧面图像并对侧面图像进行处理，接着采集刃面图像并对刃面图像进行处理，最后根据检测结果对待检微钻进行分类处理。本发明将微钻检测分为侧面检测和刃面检测，并将这两种检测集成到一个系统中，通过提高采集图像的清晰度和准确度，结合对采集的图像的多种处理方法，显著提高了微钻的检测精度和检测速度，并拓展了检测范围。
文档编号G01B11/08GK101701799SQ200910310118
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者胡松立, 蔡露, 许开州, 许黎明, 郝圣桥 申请人:上海交通大学