PCB板视觉定位方法的研究

黄雷 熊超有 王立志

摘要：传统PCB板定位通常采用人工或者机械定位，该方法的精度取决于人工本身以及机械设计精度，其往往具有较大的不确定性。为此，提出一种PCB板视觉定位方法。利用机器视觉系统对PCB上Mark点坐标采集，通过坐标计算实际Mark点和标准Mark点位置偏差，通过旋转、平移PCB板，完成PCB板定位工作，具有快速、准确和可靠性高的优点。

关键词：PCB板；Mark点；视觉系统；定位

引言

随着半导体工艺技术的不断发展，PCB板生产速度以及工艺复杂性也不断增加[1]，不论是传统PCB贴片机，还是发展迅速的PCB字符喷印机，PCB板定位精确，是其工作精度的必要前提。

在PCB板视觉定位系统中，通过机器视觉系统检测PCB板上定位基准点（Mark点），根据Mark点坐标来分析PCB板情况，通过检测到的Mark点坐标和基准点坐标进行对比计算误差，根据该误差对PCB板位置进行修正，从而完成PCB板定位要求。

1.PCB板定位原理

1.1PCB定位流程

机器视觉识别技术的PCB板定位过程主要包括：①CCD摄像机拍照；②图像处理软件计算Mark点坐标；③根据实际坐标计算误差；④通过平台带动PCB板运动等。

1.2Mark点定位过程

PCB板上的Mark点是PCB定位的标识点，也称为基准点，通常Mark点在PCB板上有两个，分布于PCB板的左上区域和右下区域[2]。考虑到CCD摄像机精度和价格等问题，在这里采用多次定位的方式，只需对一块很小的区域成像，就能检测出的Mark点坐标。因此，在定位开始之前，需要用户设定两个大致Mark点区域，在实际PCB定位检测过程中，Mark点因位于此区域。

2.定位实现

2.1定位分析

根据工作流程分析，PCB板在定位过程中，如果伺服控制精度高，那么只需要一次成像，就能完成整个定位工作。

PCB板通过传送带或者机械手运送到工作台上，然后CCD摄像机在指定两个区域寻找标志Mark点，通过计算Mark点坐标和标准点坐标差，通过伺服电机控制，工作台旋转一定角度θ，再通过X、Y轴平移，使得PCB板移动到和基准位置重合，完成整个定位工作。CCD摄像头由于需要多次采集图像，因此需要X、Y轴移动，工作台需要带动PCB板运动，也需要X、Y轴移动。上述X、Y轴移动以及工作台旋转运动全部由高精度伺服电机精确控制。

2.2坐标定位及输出

通过CCD摄像机成像分析， PCB板在工作台上的运动轨迹如图所示。

PCB板运动轨迹图

如上图所示，点p1、p2为标准Mark点坐标，q1、q2为实际PCB Mark点坐标，X，Y为通过旋转角度θ使PCB板和标准位置平行时的Mark点坐标，R为工作台中心，工作台绕点R旋转，小圆为Mark点1（q1点）绕中心点R旋转运动轨迹，大圆为Mark点2（q2）点绕中心点R旋转运动轨迹。

图中，p1，p2，R点坐标是预先设定好的基准Mark点坐标和工作台中心坐标，q1，q2点坐标为机器视觉系统检测到的实际坐标。PCB板绕点R旋转，因此，大、小圆的半径：

（x2-M）2+（y2-N）2=r12 （1）

（x3-M）2+（y3-N）2=r22 （2）

由于实际Mark点1，2分别绕R点旋转，因此，实际Mark点运动轨迹满足：

（x4-M）2+（y4-N） 2=r12 （3）

（x5-M）2+（y5-N）2=r22 （4）

当PCB板旋转一定角度θ到与基准位置平行：

x5-x4=x1-x0 （5）

y5-y4=y1-y0 （6）

由方程（3）、（4）、（5）、（6）可知，X、Y点坐标通过计算可以得到，此时坐标为PCB板与基准板平行时的坐标。通过向量夹角的余弦定理有：

（9）

即可算出旋转角度θ，这样，工作台通过旋转和平移，便能将实际PCB板移动到与基准板对齐的位置，完成定位工作。

X轴方向移动距离为X=|x4-x0|，Y轴方向移动距离为Y=|y4-y0|。

3.结束语

本文介绍了一种对PCB板定位很实用的方法，由于不用一次成像，因此CCD摄像机精度不需要很高；同时，只要伺服控制精度足够高，只需通过一次旋转和平移工作台，即可实现PCB板定位的工作。该方法实现简单，稳定可靠，通用性好，无论对于PCB贴片机，还是PCB字符喷绘机上的PCB定位等，都能很好满足要求。

参考文献：

[1]谢光伟，仲兆准.基于机器视觉的PCB板上圆Mark点定位方法的研究[J].电脑知识与技术，2013.9（32）：7340-7344

[2]王李.PCB板检测中的Mark定位[C].中国高端SMT学术会议，2009：611-614

作者简介：

黄雷（1990—）男，四川成都，西华大学在读硕士研究生，研究方向为单片机与嵌入式系统应用。