一种手工焊接快速取元件的装置及其方法
【专利摘要】本发明提供一种手工焊接快速获取元件装置及方法：进行电路板焊接时，依据控制摄像头自动拍摄电路板元件标志；依据该标志、通过图像处理的方法判断出该元件的型号；根据判断出的型号找到相应的元件；最后通过元件供给模块，将所需待焊接元件，提供给手工焊接人员。
【专利说明】一种手工焊接快速取元件的装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及组装焊接技术，具体涉及一种手工焊接快速取元件的装置及其方法。
【背景技术】
[0002]在现代电子产品生产中，电路板焊接非常重要。现在一个量产的电子产品，其焊接往往采用机器自动焊接。焊接过程自动、快速。但一个电子产品量产前必须经过研发、调试、测试等过程。在这些过程中使用的电路板数量很少、而且往往需要边焊接边调试，所以这些电路板不采用机器进行规模化焊接，只能采用人工手工焊接。一个稍微复杂的电路板上的电子元件个数或种类往往成千上百。手工焊接时，焊接人员需要根据电路板上元件的编号，按照电路板原理图纸里的说明，从大量不同种类的元件中找到合适的元件进行焊接。这个寻找元件的过程大大拖累了整个手工焊接的速度，严重降低生产效率。由此需要设计出一种能帮助手工焊接人员实时查找待焊接元件，并且成本较低的一种自动快速获取元件的方法。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于，提供一种手工焊接快速取元件的装置及其方法的方案:进行电路板焊接时，依据控制摄像头拍摄电路板元件标志信息；依据该信息、通过图像处理的方法判断出该元件的型号；根据判断出的型号找到相应的元件；最后通过元件供给模块，将所需待焊接元件，提供给焊接人员。
[0004]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，
[0005]一种手工焊接快速获取元件的装置，其特征在于:
[0006]具有:
[0007]识别光源，识别相机，信息处理单元，元件供给模块；
[0008]所述识别光源与所述识别相机设置于固定装置上；
[0009]对所述识别相机获取的信息进行处理的所述信息处理单元；及
[0010]依据所述信息处理单元的参数信息响应的所述元件供给模块。
[0011]优选的，上述识别光源为定向光源。进一步的，上述定向光源为聚光探照灯。
[0012]优选的，上述识别相机为CXD相机或定向CMOS镜头。
[0013]优选的，上述装置还设有控制模块。进一步的，上述控制模块，包含有控制板。
[0014]优选的，上述固定装置为可旋转固定装置。
[0015]优选的，上述信息处理单元为PC或远端服务器。
[0016]优选的，上述装置还有具有用于焊接的电路板，所述电路板上设有待识别标志。
[0017]优选的，上述元件供给模块包含有若干收纳有某元器件的元件盒及驱动该元件盒的驱动装置，通过该驱动装置供给相应的待焊接元件。
[0018]本发明的一个实施例提供一种手工焊接快速获取元件的方法，其特征在于:
[0019]焊接电路板时，
[0020]首先固定安装有识别光源与识别相机的固定装置，
[0021]调节所述定向光源和所述识别相机，使得所述识别相机的聚焦点正好处于定向光源在电路板上形成的光斑上，
[0022]通过调整使光斑，照在电路板的待焊接的元件标志上；
[0023]所述识别相机获取的所述元件标志的信息并传送给信息处理单元；
[0024]所述信息处理单元对所述信息进行识别，并将参数信息发送给元件供给模块，所述元件供给模块供给相应的待焊接元件。
[0025]优选的，上述方法中，焊接人员将安装有识别光源与识别相机的头箍戴在头上，所述识别相机为定向CMOS镜头；通过调整所述定向CMOS镜头，使得CMOS镜头的聚焦点正好处于定向光源在电路板上形成的光斑上，
[0026]通过调整让光斑照在电路板上待焊接的元件标志上；
[0027]通过FPGA-1将所述CMOS镜头获取的所述元件标志的信息传送给信息处理单元；所述信息处理单元对所述信息进行识别，并将参数信息发送给元件供给模块，所述元件供给模块供给相应的待焊接元件。
[0028]优选的，上述方法中，焊接人员将安装有识别光源与识别相机的固定装置安装在固定架上。
[0029]进一步的，上述光斑照在焊接人员目视观察的电路板上的待焊接的元件标志上后，通过手动按下按键，FPGA-1获取CMOS镜头拍摄的所述元件标志信息。
[0030]优选的，上述方法中，获取的元件标志信息通过有线或无线方式传送给所述信息处理单元。
[0031]进一步的，上述信息处理单元对该元件标志进行模式识别，识别后，通过查表将元件盒号的参数信息发给元件供给模块，所述元件供给模块根据接收到的信息，驱动相应电机，弹出相应的元件盒。
[0032]进一步的，上述信息处理单元将识别的结果(所需元件的存放元件盒的参数信息)通过有线方式(RS232或RS485)传送给元件供给模块。
[0033]优选的，上述信息处理单元对该元件标志进行模式识别，识别后，通过查表将元件盒号的参数信息通过RS232把发给FPGA-2 ；
[0034]FPGA-2根据接收到的元件盒号参数信息,驱动相应电机,弹出相应的元件盒。
[0035]有益效果
[0036]通过本发明的手工焊接快速获取元件装置，这样手工焊接人员只要看向哪个元件编号、光斑就照到电路板上那个元件编号；手工焊接人员就能从实时弹出的相应元件盒中拿到相应的元件。
[0037](I)把元件编号的识别软件放在普通计算机上完成，并没有追求用高性能嵌入式装置来完成元件编号识别，这样降低了成本，也方便用户使用。
[0038](2)在计算机上手工编写“元件标志(编号)_元件盒号”关系表。其中元件编号可以从计算机里的电路板原理图中直接导出，也可手工输入。软件适应任何一种电路板，使用灵活、便捷。
[0039](3)用光斑圈定当前CMOS镜头拍摄的范围，这样用户能明确知道当前是处理的哪个元件。
[0040](4)用光斑圈定当前CMOS镜头拍摄的范围，这样计算机在进行元件编号模式识别时，预先确定了识别范围，大大降低了识别难度。
[0041](5)把光源和CMOS镜头通过头箍固定在头上，非常方便实际焊接人员的使用，焊接哪个元件就看那个元件、看到那个元件光斑就圈定那个元件编号，光斑圈定那个元件编号、经过软件识别后、盛放有那个元件的元件盒就能自动弹出。
[0042](6)采用FPGA控制电机矩阵，利用FPGA的I/O管脚众多的特点，达到大量控制电机的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
[0044]图1为本发明的一种手工焊接快速获取元件的机理示意图，
[0045]图2为本发明的一种手工焊接快速获取元件的装置配置图，
[0046]图3为本发明实施例的头箍结构示意图，
[0047]图4为本发明实施例的控制板位置示意图，
[0048]图5为本发明实施例的控制板结构图，
[0049]图6为本发明实施例的兀件与兀件盒号对应的关系表，
[0050]图7为本发明实施例的PC软件工作过程示意图，
[0051]图8为本发明实施例的矩阵电机驱动器控制板结构图，
[0052]图9为本发明实施例的电机驱动元件盒组示意图。
【具体实施方式】
[0053]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合【具体实施方式】并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0054]实施例:
[0055]如图1所示为一种手工焊接快速获取元件的机理示意图，一种手工焊接快速获取元件方法，该方法:
[0056]电路板焊接时，手工焊接人员将安装有调节定向光源和CMOS镜头的头箍戴在头上(根据自身舒适程度调节头箍松紧)；
[0057]通过调节定向光源和CMOS镜头，使得CMOS镜头的聚焦点正好处于定向光源在待识别电路板上形成的光斑上(也使得光斑正好处于焊接人员目视舒适的地方)；
[0058]焊接人员就可以自由转动头部，让光斑照在焊接人员目视观察的电路板上的元件标志(编号)上；
[0059]然后焊接人员按下按键，CMOS镜头拍摄当前的元件信息，FPGA-1获取CMOS镜头拍摄的元件信息，并通过USB传送到PC中；
[0060]PC对该元件标志信息进行模式识别，
[0061]识别后，通过查表(对照PC中预先存放的“元件编号与元件盒号”关系表)将相应的元件盒号的参数信息通过RS232把发给元件供给模块中的FPGA-2 ；
[0062]FPGA-2根据接收到的元件盒号的参数信息,驱动相应电机,弹出相应的元件盒,这样手工焊接人员就能从实时弹出的相应元件盒中拿到相应的待焊接元件。
[0063]如图2所示为手工焊接快速获取元件的装置配置图，
[0064]该装置包含有:
[0065]松紧头箍1，控制板2 ；PC3,元件供给模块4 ;松紧头箍I包含有，定向光源11和带可调焦光学镜头的CMOS摄像头12以及固定支架13。
[0066]下面对图2中的各部分结构作详细的描述:
[0067]参照图3，为松紧头箍的结构示意图，
[0068]在松紧头箍的前部设有用于固定聚光探照灯和CMOS摄像头的固定支架I ;固定支架I上设有聚光探照灯固定座2与CMOS摄像头固定座3 ;聚光探照灯固定座2与CMOS摄像头固定座3之间通过一个前后左右转动的节点4连接；固定支架I通过可滑动的固定节点5与松紧头箍6连接。使用时，安装好聚光探照灯及可调焦的CMOS摄像头，焊接人员将头箍戴在头上后，通过旋紧螺母7旋紧固定。CMOS摄像头获取的数据输出及其设置由信号线接入控制板。
[0069]条件说明
[0070]聚光探照灯的光源为普通LED灯，功率3W，在LED灯前利用光学镜头把光集聚在一点，形成均匀光斑。聚光探照灯的能量来源通过电源线由控制板控制提供；CM0S摄像头采用APTINA公司的MT9V022作为CMOS图像传感器进行图像获取。图像传感器前端使用光学聚焦装置，可以手动调节聚焦位置。
[0071]焊接人员可以根据实际使用情况调节头箍6、调整绕头箍滑动的固定节点5位置、CMOS摄像头光学聚焦位置，这样CMOS摄像头拍摄的位置和焊接人员眼睛看到的位置一致；焊接人员在上述调试完成后，可以调节可前后左右转动的节点4位置、聚光探照灯上的光学镜头焦点位置，让聚光探照灯形成的光斑聚光在CMOS摄像头的聚焦点上，照射待焊接板上的待焊接元件标志(编号)时，形成光斑和摄像头拍摄位置的重合。
[0072]由此最终形成焊接人员眼睛看到的位置、光斑位置、摄像头拍摄聚焦位置一致的正确工作效果。
[0073]应用时，为了能适应各类焊接人员的不同头型，也可使用一种简易的带有锁紧装置的松紧头箍作为把聚光探照灯和CMOS摄像头固定在头部的机械装置。
[0074]如图4所示，为控制板位置示意图，控制板由边长大小不超过6厘米正方形状的电路板构成(该电路板放置在一个塑料小盒中)。电路板和CMOS摄像头通过微型螺母紧密并靠在一起，电气信号通过FPC排线线连接。控制板和CMOS摄像头同时固定在带可调焦光学镜头的CMOS摄像头固定座上。在物理上CMOS镜头和控制板是一体的。
[0075]如图5所示，为控制板结构图，CMOS摄像头采用APTINA公司的MT9V022图像传感器，通过FPC扁担线和电压转换芯片连接；
[0076]电压转换芯片的作用是把MT9V022的1/0 口电压从2.8V转换为3.3V，以便FPGA-1能正确识别来自MT9V022的信号、也能正确驱动MT9V022工作；
[0077]FPGA-1通过光耦控制继电器开关，即控制聚光探照灯的电源开关，达到控制聚光探照灯工作的要求。FPGA-1通过USB控制芯片CY7C68001形成USB外设，这样FPGA-1就可以把从MT9V022获得的图像数据通过USB接口送入PC ；
[0078]按键提供焊接人员控制控制板工作的接口。
[0079]条件说明:整个控制的电源来自供电模块，电模块输入电压+5V。
[0080]控制板的工作过程如下:
[0081]焊接时，焊接人员通过按键通知FPGA-1开始工作，FPGA-1接通继电器，点亮聚光探照灯、在电路板上形成照射光斑；待光斑照射到要焊接的电路板元件编号上后，焊接人员再通过按键通知FPGA-1控制MT9V022拍摄；MT9V022把拍摄到的图像数据送入FPGA-1, FPGA-1控制CY7C68001，把获得的图像数据按USB数据格式、通过USB线发送到PC,(如此完成一次电路板元件编号的拍摄)，
[0082]PC中把获取的元件信息进行维纳滤波方法降噪；然后采用LDA算法进行特征提取和选择、分类决策，完成图像识别，由于电路板编号的特殊性，图像识别主要是识别26个大写或小写英文字母和10个阿拉伯数字，通过查找元件编号与元件盒号的对应关系。
[0083]如图6所示为元件与元件盒号对应的关系表,一列是电路板上的所有元件编号，对应的一列是收纳相应元件的元件盒号。当识别出待焊接的元件编号后，本系统软件将查表，根据对应关系中的元件盒号，把元件盒号参数信息通过PC机的RS232接口发送出去。
[0084]如图7所示，为PC软件工作过程示意图，控制板将获取的元件编号信息经USB发送给PC ;经图像识别，识别出电路板上的待焊接元件的编号信息；然后根据元件编号从“元件编号-元件盒号”关系中，查出相应元件盒号信息；然后将相应的元件盒号信息通过RS232接口送入元件供给模块中的矩阵电机驱动器控制板；矩阵电机驱动器控制板根据接收到的参数信息，驱动电机驱动元件盒组弹出相应的元件盒。
[0085]元件供给模块参照图8和图9 ;
[0086]矩阵电机驱动器控制板的结构图如图8所示，矩阵电机驱动器控制以XC3S200A作为主控FPGA-2芯片，该芯片具有240多个I/O管脚，足够监控数量众多的电机和反馈信号。通过RS232接口传递过来的元件盒号信号，经过MAX3232转换成满足XC3S200A的I/O电压，然后传递给XC3S200A。XC3S200A可通过I/O管脚送出高低电平来打开或关闭任意一个电机驱动光耦(光耦1-1-1、光耦1-1-2至光耦1-N-1、光耦1-N-2)。光耦1_1_1、光耦1_1_2至光耦1-N-1、光耦1-N-2通过打开或关闭来驱动继电器1-1、继电器1-2至继电器N-1、继电器N-2。每一对继电器(如继电器1-1、继电器1-2)通过H电路结构来驱动直流减速电机的正转或反转，以达到推动元件盒前移或后移的效果。元件盒前移或后移到合适位置都会触发相应的前进限位开关(前进限位开关1-1至前进限位开关N-1)和后退限位开关(后退限位开关1-1至后退限位开关N-1)。前进限位开关和后退限位开关通过光耦(光耦2-1-1、光耦2-1-2至光耦2-N-1、光耦2-N-2)通知XC3S200A元件盒到达了指定位置。
[0087]矩阵电机驱动器控制板工作过程如下:
[0088]XC3S200A接收到RS232传递来的元件盒号信息:比如为I号，XC3S200A将检测所有的后退限位开关信号，若有后退限位开关信号没有被触发，则需要驱动相应的直流减速电机反转，把该元件盒后退、直到触发后退限位开关信号为止。XC3S200A检测所有的后退限位开关信号都有效，也就是说所有的元件盒都归位了，然后将按接收到的元件盒号I号去控制光耦1-1-1和光耦1-1-2的开关。
[0089]光耦1-1-1和光耦1-1-2将按H桥电路原理通过继电器1_1、继电器1_2，控制直流减速电机I正转，驱动I号元件盒前移。I号元件盒前移到合适位置将触发前进限位开关1-1。前进限位开关1-1发出信号经光耦2-1-1通知XC3S200A停止直流减速电机I正转。XC3S200A接到限位开关1-1的信号，控制光耦1-1-1和光耦1_1_2按H桥电路工作原理控制继电器1-1、继电器1-2，停止直流减速电机I转动。至此I号元件盒弹出，XC3S200A控制蜂鸣器鸣叫一声，提醒焊接人员元件盒正确弹出。
[0090]等到有新的元件盒编号到来，XC3S200A控制光耦1_1_1和光耦1_1_2按H桥电路工作原理控制继电器1-1、继电器1-2，驱动直流减速电机I反转。把前移的I号元件盒缩回到原始位置，触发后退限位开关1-2。后退限位开关1-2通过光耦2-1-2通知XC3S200A停止直流减速电机I转动。XC3S200A控制光耦1-1-1和光耦1_1_2按H桥电路工作原理控制继电器1-1、继电器1-2，停止直流减速电机I转动，让元件盒停在原始位置。
[0091 ] 由此新一轮工作循环开始。
[0092]条件说明:
[0093]PS/2小键盘工作电压为+5V，XC3S200A工作I/O电压为+3.3VPS/2小键盘和XC3S200A之间信号地连接通过电压转换器件连接。
[0094]人工可以通过PS/2小键盘编辑元件盒号发给XC3S200A。XC3S200A按照从RS232发来的元件盒号一样处理该元件盒号，并且PS/2小键盘发来的元件盒号优先级比从RS232发来的元件盒号优先级高。由此PS/2小键盘可以单独驱动矩阵电机驱动器控制板把所有元件盒前移或后退，便于焊接人员维护整个系统。若RS232发来元件盒号或者PS/2小键盘发送来的元件盒号不属于XC3S200A中预设的任一种元件盒号，XC3S200A将点亮发光二极管报警。
[0095]如图9所示,为电机驱动元件盒组示意图，所有元件盒有单独的直流减速电机通过丝杠驱动。元件盒在直流减速电机驱动下，可在滑轨上可前后移动。元件盒前后移动到一定位置时，将触发前进限位开关或后退限位开关。通过前进限位开关或后退限位开关判定元件盒位置。
[0096]应当理解的是，本发明的上述【具体实施方式】仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
【权利要求】
1.一种手工焊接快速获取元件的装置，其特征在于: 所述装置具有: 识别光源，识别相机，信息处理单元，元件供给模块； 所述识别光源与所述识别相机设置于固定装置上； 对所述识别相机获取的信息进行处理的所述信息处理单元； 及依据所述信息处理单元的参数信息响应的所述元件供给模块。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述识别光源为定向光源。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述识别相机为CCD相机或定向CMOS镜头。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述固定装置为可调整固定装置。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述装置还有具有，用于焊接的电路板，所述电路板上设有待识别标志。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于: 所述元件供给模块包含有若干收纳有某元器件的元件盒及驱动所述元件盒的驱动装置。
7.一种手工焊接快速获取元件的方法，其特征在于: 焊接电路板时， 首先固定安装有识别光源与识别相机的固定装置， 调节所述定向光源和所述识别相机，使得所述识别相机的聚焦点正好处于定向光源在电路板上形成的光斑上， 通过调整使光斑照在电路板上的待焊接的元件标志上； 所述识别相机获取的所述元件标志的信息并传送给信息处理单元； 所述信息处理单元对所述信息进行识别，并将参数信息发送给元件供给模块， 所述元件供给模块供给相应的待焊接元件。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于: 所述光斑照在焊接人员目视观察的电路板上的待焊接元件标志上后， 通过手动按下按键，FPGA-1获取CMOS镜头拍摄的所述元件标志信息。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于: 所述获取的所述元件标志信息，通过有线或无线方式传送给所述信息处理单元。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于: 所述处理器中存放预先设置的元件与元件盒号的对应关系表。
【文档编号】H05K3/34GK104400177SQ201410735970
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】邵雷, 赵鹤鸣, 黄鹤, 倪锦根, 胡剑凌, 俞一彪 申请人:苏州大学