基于图像处理的异型电子元器件管脚偏移误差检测方法研究

The method of deviation inspecting of irregular electronic component's pins based on image processing

王 越，伍昕忠，李本海，张文昌WANG Yue， WU Xin-zhong， LI Ben-hai， ZHANG Wen-chang（机械科学研究总院，北京 100044）

基于图像处理的异型电子元器件管脚偏移误差检测方法研究

The method of deviation inspecting of irregular electronic component's pins based on image processing

王 越，伍昕忠，李本海，张文昌
WANG Yue， WU Xin-zhong， LI Ben-hai， ZHANG Wen-chang
（机械科学研究总院，北京 100044）

在异型电子元器件插件作业中，对异型电子元器件管脚偏移检测是实现自动插装的关键技术。文章基于数字图像处理技术，对管脚进行识别和提取，并在此基础上提出管脚偏移误差的图像检测方法。

管脚偏移；图像处理；误差检测

0　引言

异型电子元器件一般是多管脚，在异形元件自动化插件作业中，管脚的偏移误差影响着插件的成功率。与人工插件不同，自动化插件需要先对管脚偏移误差进行检测，对满足偏移量误差要求的元件进行插装，对超差的进行抛料。

检测管脚偏移量需要检测管脚的平整度和管脚间距，而对于插件作业来说，只要检测出每个管脚都能够落在插装孔的范围内，即判定为合格。传统的做法是将待插元件的某一管脚孔中心线和管脚中心线重合，将管脚的图像坐标系旋转平移后与标准电路板坐标系重合，即可判断出其余管脚是否落在插装孔内。试验证明，此种方法虽然有效，但过于严格，本文提出一种宽松的管脚偏移检测方法，使抛料率近一步降低。该方法不要求管脚孔中心线和管脚中心线完全重合，而是根据误差情况做适当的偏离，然后分别计算各管脚的坐标误差，其中最大误差为判别管脚是否超差的依据。

1　管脚特点分析和提取

1.1异型电子元器件管脚特点分析

异型电子元器件的特点是外部形状不规则，管脚数量较多且管脚分布不对称，管脚形状多样化。如图1所示，是四种典型的异型电子元器件。RY2元件四个管脚非对称分布，且管脚较软易变形；fuse元件外部轮廓为圆柱体，两个管脚对称分布；CN12元件外部轮廓形状不规则，管脚非对称分布；IC8元件七个管脚对称分布，管脚形状复杂。由上述特点可知，异型电子元器件种类较多，且不同种类的元器件差别较大。我们在进行管脚识别和误差检测时，应排除零件外形和管脚分布等因素的影响，进而得到元器件的管脚坐标值和相应误差值。

图1　异型电子元器件外观图

1.2 管脚识别和提取

为了得到管脚的实测值，首先需要在采集的图像上识别出元件的管脚。运用图像处理算法，将元件的管脚从图片背景中分离出来，然后拟合出管脚的轮廓。最后通过拟合算法得到管脚的圆心和半径，即完成对元件管脚的识别。

本文首先对管脚图像进行处理，以RY2零件为例，其流程如下（对应的结果如图2所示）：

1）均值滤波：去除图像中的噪声；应用3X3平均模板对原始图像进行均值滤波处理。

2）图像分割：将图像分割成只有目标和背景的二值图像；根据目标区域的灰度值，选择合适的阈值对图像进行分割。

3）形态学处理：从图像中提取对于表达和描绘目标区域有意义的图像分量。应用开运算算法，使图像的轮廓变的光滑，断开狭窄的连接和消除细的毛刺。

4）轮廓拟合：提取目标图像的边缘，使用最小二乘法拟合出目标区域的轮廓并得到各管脚的圆心和半径。

图2　管脚识别流程

2　管脚偏移检测方法

管脚偏移量检测的目的是判断每个管脚是否都可以插进孔中，也就是判断每个管脚圆是否都落在管脚孔所在的圆中，如图3所示。

2.1管脚偏移误差的定义

如图3（a）所示，在定义管脚偏移误差时，先对管脚进行编号，每个管脚对应有相应的偏移误差。若Δxn记为记为，则每个管脚的偏移误差为：

N个管脚中最大的误差即为该元件的管脚偏移误差。

图3　管脚偏移误差检测示意图

2.2坐标系几何变换

偏移误差检测时涉及两个坐标系：一个是电路板所在的坐标系，它是以待测元件的第一管脚孔位圆心为坐标原点；另一个是CCD采集到的管脚图像坐标系，坐标原点待求。

在管脚偏移检测时，首先要将管脚图像坐标系旋转平移到电路板坐标系中，管脚图像坐标系原点选择是本文的研究重点。

如图3（a）所示，当以管脚1的圆心为原点，与插装孔1圆心重合，则会发现管脚3和管脚4偏移量超差，元件判定为不合格；而当采用某种计算方法将管脚图像坐标系平移后，使管脚1的圆心与插装孔1圆心不重合时，四个管脚的偏移误差全部满足插装要求，元件判定为合格。可见寻求两个坐标系的几何变换参数就显得非常重要了。

两个坐标系之间存在旋转（θ）以及平移（Tx，Ty）关系。

假设误差函数如下：

应用高斯牛顿法求解旋转平移参数的过程如下：

给定参数初始值（θ0，Tx0，Ty0），将其带入误差函数中：

由：

经多次迭代收敛后，即可得到最终旋转平移参数（θ，Tx， Ty）。

3　实验及结果

以RY2零件为例，分别得到其管脚的实测坐标值和理论坐标值，带入误差模型，得到其管脚偏移误差值。

3.1管脚实测坐标值

在对异型电子元器件进行误差检测过程中，机械手臂夹持零件到拍照位拍照，获取零件管脚图片，经过图像处理，得到如图4所示图像。定义图像像素直角坐标系（Ot， u， v），每一个像素的坐标（u，v）∈（M，N）分别表示该像素在数组中的列数与行数。通过上文的管脚识别，我们得到了管脚的圆心在图像像素坐标系中的坐标值。根据相机参数和坐标转换关系，将像素直角坐标系转换为物理坐标系，得到管脚在物理坐标系中的坐标值，即为管脚的实测值（如表1所示）。

图4　实测图像

表1　管脚实测值

3.2管脚理论值坐标

管脚的理论值是通过测量印制电路板上的元件插装孔的位置（如图5所示）得到的。按照图6定义坐标系及管脚编号，确定管脚理论值（如表2所示）。

图5　插装位置示意图

图6　管脚孔位坐标系

表2　管脚理论值

3.3管脚偏移误差值

根据误差公式，要得到管脚偏移误差值，需要先得到理论值坐标与实测值坐标所在的坐标系的旋转平移关系，得到旋转平移参数，将两坐标系统一起来。表3为实验零件在误差检测过程中的旋转平移量。

表3　旋转平移量

依据上述管脚偏移误差模型，就可以计算得到零件管脚偏移的误差值，如表4所示。

表4　管脚偏移误差值

在设置零件管脚偏移误差范围时，由于印制电路板上插装孔的直径为1.2mm，零件管脚直径为0.6mm，当零件管脚与插装孔同轴时，它们之间存在0.3mm的圆环形空隙。所以设置为插装允许误差，当管脚偏移误差满足条件时，判为合格零件。

从表中可以看到，四个管脚的误差值均小于0.3mm，所以该零件为合格零件。

3.4管脚偏移误差数据分析

应用基于图像处理的管脚偏移误差检测方法，对20 个RY2零件进行检测，得到20组误差数据（如表5所示）。如图7中的5条曲线分别对应4个管脚的偏移误差1，2，3，4和四个管脚中的最大误差max。由图可知，20个数据中第17个样本（对应1的第17个样本）超过预警黑线（0.3mm）。基于上述管脚误差数据分析，得到零件管脚的超差率为5%。

4　结论

本文对异型电子元器件管脚偏移误差进行了分析检测，从误差建模、图像处理、坐标变换等方面展开深入研究，提出了一种基于图像处理的管脚偏移误差检测方法，为开发和实现异型电子元器件偏移量检测系统奠定基础。同时对典型的异型元器件管脚偏移误差进行了检测和分析，实验数据表明该方法能有效检测管脚偏移误差，并在实际应用中得到验证。

表5　误差数据

图7　管脚偏移误差折线图

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TN247

A

1009-0134（2016）08-0050-04

2016-05-03

王越（1990 -），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，研究方向为机电一体化。