CN106813573A - 基于cnc的自动光学检测*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CNC的自动光学检测***，所述***包括机械结构***、控制***及视觉检测***，其中，所述机械结构***包括精密平台、导螺杆、线性滑轨、轴承及支撑座，所述控制***包括控制箱、AC服务马达、光栅及PC端，所述视觉检测***包括图像提取卡、CCD摄像机、光源、倍率镜、共焦型激光位移计，所述光源发出光线经过倍率镜放大，通过PC端驱动控制箱内的AC服务马达，通过导螺杆、线性滑轨、轴承控制精密平台在支撑座上的位置，同时AC服务马达还驱动CCD摄像机、共焦型激光位移计以在精密平台上进行自动光学检测。本发明可以对实际工件做检测，具有良好的图像处理效果，可降低图像处理的复杂程度。

Description

基于CNC的自动光学检测***
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种基于CNC的自动光学检测***。
背景技术
近几年来国内新兴高科技产业蓬勃发展，对于精密测量***的需求急速扩增，其中又以自动检测(AOI)方式为势不可挡的技术潮流。根据经济部技术处ITIS计划分析资料显示，2011年国内AOI设备市场56亿，2013年将成长至165亿；而根据Frost&Sullivan的分析，2013年全球AOI设备市场为23亿美元，2013年预估将达65亿美元。AOI设备的需求与使用者大都在亚洲地区，目前国内主流产业使用的AOI设备多为进口，然而以2011年为例，国外的测量仪器大厂如Orbotech、HP等都因为半导体的不景气而呈现亏损的状态，价格昂贵、维修不易、营销费用高，是国外厂商的致命伤，却是国内厂商的大好契机。
国内目前除了大型跨国机构测量中心有AOI设备的研发能力，在其他研究机构、学术单位也多有相关技术投入，如中科院、研究中心以及清华，北航，南航，中科大等多所大学。看好AOI设备的市场性，各家仪器厂商已摩拳擦掌跃跃欲进，有效整合各界能量将可加速推动此新兴产业的发展。导线架内引脚的形状、分布，导线架至芯片深度等对于后段封装时的模流平衡有极大的影响。至于内引脚中间如何分布并没有太大的限制，基本的测量是引脚之间不可互相重叠，也不可以与支撑架或芯片托盘重叠，否则会造成电气信号短路。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于CNC的自动光学检测***。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于CNC的自动光学检测***。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种基于CNC的自动光学检测***，所述***包括机械结构***、控制***及视觉检测***，其中，所述机械结构***包括精密平台、导螺杆、线性滑轨、轴承及支撑座，所述控制***包括控制箱、AC服务马达、光栅及PC端，所述视觉检测***包括图像提取卡、CCD摄像机、光源、倍率镜、共焦型激光位移计，所述光源发出光线经过倍率镜放大，通过PC端驱动控制箱内的AC服务马达，通过导螺杆、线性滑轨、轴承控制精密平台在支撑座上的位置，同时AC服务马达还驱动CCD摄像机、共焦型激光位移计以在精密平台上进行自动光学检测。
作为本发明的进一步改进，所述精密平台为XYZ三轴支架式精密平台，包括沿水平方向移动的X轴和Y轴、以及沿竖直方向移动的Z轴。
作为本发明的进一步改进，所述导螺杆为滚珠导螺杆。
作为本发明的进一步改进，所述线性滑轨包括主体部、位于主体部上的线性滑轨部、沿线性滑轨部滑动的线性运动滑块、位于线性滑轨部与线性运动滑块之间的若干钢珠、以及位于线性运动滑块至少一端的端盖。
作为本发明的进一步改进，所述主体部上还设有油嘴，线性运动滑块一侧设有侧封。
作为本发明的进一步改进，所述轴承两端安装方式包括固定-固定式、固定-支持式、或固定-自由式。
作为本发明的进一步改进，所述光栅包括光栅直尺、光罩板、两个发光器、以及两个光线传感器，两个发光器位于光栅直尺的背面，两个光线传感器位于光罩板的背面。
8、根据权利要求7所述的基于CNC的自动光学检测***，其特征在于，所述光栅直尺及光罩板均由间隔均匀分布的透明及不透明的线条相隔而成。
作为本发明的进一步改进，所述光罩板包括第一光罩板及第二光罩板，且第一光罩板和第二光罩板具有90°的角度差。
本发明的有益效果是：
本发明基于CNC的自动光学检测***可以对实际工件做检测，根据待测物的大小设计镜头，利用适当的光源照射待测物，以便视觉检测***取得适当图像；该***具有良好的图像处理效果，可降低图像处理的复杂程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一具体实施方式中基于CNC的自动光学检测***的模块示意图；
图2为本发明一具体实施方式中XYZ三轴支架式精密平台的结构示意图；
图3为本发明一具体实施方式中线性滑轨的结构示意图；
图4为本发明一具体实施方式中循环滚珠动作模式原理图；
图5a～5c为本发明一具体实施方式中轴承的安装方式示意图；
图6为本发明一具体实施方式中光栅直尺与光罩板的结构示意图；
图7a、7b为本发明一具体实施方式中光栅校准尺与光栅图案的示意图；
图8a～8d分别为本发明一具体实施方式中图像提取的导线架、导线架二值化、导线架二值化反白、导线架SOBEL边缘强化的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明公开了一种基于CNC的自动光学检测***，该***包括机械结构***10、控制***20及视觉检测***30，其中，机械结构***10包括精密平台11、导螺杆12、线性滑轨13、轴承14及支撑座15，控制***20包括控制箱21、AC服务马达22、光栅23及PC端24，视觉检测***30包括图像提取卡31、CCD摄像机32、光源33、倍率镜34、共焦型激光位移计35。光源33发出光线经过倍率镜34放大，通过PC端24驱动控制箱21内的AC服务马达22，通过导螺杆12、线性滑轨13、轴承14控制精密平台11在支撑座15上的位置，同时AC服务马达22还驱动CCD摄像机32、共焦型激光位移计25以在精密平台11上进行自动光学检测。
本发明利用机械结构***10、控制***20及视觉检测***30来组成自动光学检测***，利用此***可以对对实际工件做检测，比如工件的尺寸测量、文字识别及薄膜厚度检测。本发明根据待测物的大小设计镜头，利用适当的光源照射待测物，以便视觉***取得适当图像；该***具有良好的图像处理效果，可降低图像处理的复杂程度。
目前三次元测定机的用途不断增加，测定原理也配合现今的技术加以改良，然而机械结构却是保有几种型态，而极少更动，但是各种不同的结构型态被广泛的用在不同测定环境与用途。目前检测仪器大致分为悬臂式、桥式、桥框悬臂式、龙门式以及支架式等。
参图2所示，本发明一优选实施方式中的精密平台11为XYZ三轴支架式精密平台，其包括沿水平方向移动的X轴和Y轴、以及沿竖直方向移动的Z轴。X轴向与Y轴向呈垂直且水平方向移动。XYZ三轴支架式精密平台的结构较复杂，精准确高，各轴的侧长部分阿贝偏移量很少，高精度三次元测定机大多使用单支架构造，本实施方式中采用此三次元测量机型式。
导螺杆12一般用于精密定位和测量工具的传动机构比起一般的螺纹测量情形，导螺杆螺纹测量所要求的精度要来的高很多且可作为直线运动及旋转运动的变换传动组件。
导螺杆需配合机械结构、载重、容许负荷等因素选取适合的导螺杆，一般导螺杆选用流程首先决定导螺杆的精度，其包含了导程精度选定，以及选定导螺杆的轴向余隙，接着为螺杆轴选定，包含了导程选定、螺杆轴径选定、螺杆长以及轴承支持方法的选定，螺杆设计选定后接着为螺帽的选定设计以及对于螺杆的钢性探讨，其寿命以及驱动扭矩则可依选用的驱动马达来计算以及评估，滚珠导螺杆的设计选用非常重要，若设计不当可能造成机台共振情形，共振情形影响非常大，除了造成加工或检测质量不良外，甚至可能造成机台损坏。而滚动式螺杆的原理为利用滚球和滚柱在螺杆和螺帽间造成滚动摩擦来运动前进虽然价格颇高，但运转起来非常顺畅尤其以滚珠螺杆是最常见的。因此本实施方式中的导螺杆选用滚珠导螺杆，其参数如下：
(1)导螺杆导程：
l＝Vmax/Nmax；
l：导程；Vmax：移动速度；Nmax：马达最大转速。
(2)轴径：
dr：螺杆轴径；n：马达转速；：最大行程+螺帽长度/2+轴端预留量；f：螺杆安装方式的系数。
(3)螺杆长度：
螺杆长度＝最大行程+螺帽长+预留量。
参图3所示，本实施方式中的13线性滑轨包括主体部131、位于主体部上的线性滑轨部132、沿线性滑轨部滑动的线性运动滑块133、位于线性滑轨部与线性运动滑块之间的若干钢珠134、以及位于线性运动滑块至少一端的端盖135。优选地，主体部131上还设有油嘴136，线性运动滑块133一侧设有侧封137。
为了因应各式各样的需求，不同的部件可与基本结构结合。在线性滑块上加装侧封137，作为防污配件，可使本产品更适合在无尘室环境使用。根据准确性与负载需求，可使用标准线性滑轨或两个平行线性滑轨配置。钢珠134采用循环钢珠，循环钢珠与滚道间的摩擦阻力减少，动作更为流畅，循环滚珠式动作模式如图4所示。
轴承14的安装方式对于选择滚珠导螺杆的规格为一项重要的项目，轴承两端安装方式包括固定-固定式(图5a所示)、固定-支持式(图5b所示)、或固定-自由式(图5c所示)。
其中，轴承的径向负荷为：
P：径向负荷；C：动负载；n：转速；L：额定寿命。
控制***20采用闭回路***设计，所谓的闭回路***具有回授信号，一般用于服务马达定位***，此种的回授信号，一般是用编码器(Encoder)或Resolver(解析器)，但依照回授方式不同而又可分为半闭回路***和全闭回路***。AC服务马达22选定基本流程为服务马达转动惯量选定、服务马达转速选定以及最大力矩的选定等，其中转动惯量需先计算出螺杆惯量及负载惯量后而选定，具体选定方法如下：
(1)服务马达转动惯量选定
JB：螺杆惯量；WB：螺杆重；D：螺杆直径。
JL：负载惯量；W：负载；PB：螺距；JB：螺杆惯量；
JM＞JL/20；
JM：转动惯量；JL：负载惯量。
(2)服务马达转速选定
N＝V+PB；
N：马达转速；V：负载移动速度；PB：螺距。
(3)服务马达最大扭矩选定
Ta＝TA+TL；
Ta：最大扭矩；TA：加减速扭矩；TL：负载扭矩。
光栅23包括光栅直尺、光罩板、两个发光器、以及两个光线传感器，两个发光器位于光栅直尺的背面，两个光线传感器位于光罩板的背面。本实施方式中光栅直尺及光罩板均由间隔均匀分布的透明及不透明的线条相隔而成。如图6所示，光栅直尺231上透明与不透明的线条部分距离相等，而光罩板包括第一光罩板232及第二光罩板233，且第一光罩板232和第二光罩板233具有90°的角度差，即是说当第一光罩板232与光栅直尺上的透明与不透明部分排列整齐时，第二光罩板233与光栅直尺上的透明与不透明部分恰错开成90°，反的亦同。
光栅中的两个发光器则排列在光栅尺的背面，另外两个光线传感器则是分别安排在第一光罩板232及第二光罩板233的背面，光栅23在做正常使用时，光栅直尺及发光器是固定不动的，而光罩板及光线传感器则是随着测量指标而动。当光罩板与光栅直尺做相对运动时，则两个光线传感器所接收的光线亦作强弱的变化，如此即可很明显的看出，两个光线传感器所侦检出的信号，是互成90°相位差的正弦波。经过放大与整型之后，两信号的相位差仍为90°，在以前刚开发出来的光栅其内部放大整型电路是用电晶体做成，而现在较新型的光栅内部放大整型电路均用IC做成，使得电路趋于简单化。
如图7a所示，本实施方式中的视觉检测***30校验利用光栅校准尺为校准依据，并利用共焦型激光位移计的激光光线打在光栅校准尺上，输入欲移动的距离(如10mm)后，在观察激光点在来进行精度校验。
本实施方式中在尺寸检测前须先计算每个像素(pixel)代表的尺寸大小，之后再计算所量测的尺寸包含了几个像素，这样就可计算出所要测量的尺寸。其中每点像素代表的长度如下公式：
每一点像素所代表的长度＝CCD感测芯片尺寸/显微镜头放大倍率×CCD感测芯片分辨率；其中显微镜头放大倍率如下公式：
放大倍率＝显示器物体图像长度/实际物体长度。
每点尺寸所代表的长度得0.2mm，放大倍率得约为17.8倍。而在计算机图像视觉***中采用刻度较准的方式，计算视觉检测软件中每一点像素所代表的长度，利用光栅图案当作校准尺，如图7a所示，由于光栅条纹在10mm的宽度中共有60条，所以每一条纹间距为0.17mm，而每一条纹有7个像素，因此每一像素为0.0243mm，如图7b所示，以此数据作为程序撰写的依据。
利用基于CNC的自动光学检测***将导线架输送至CCD摄像机可抓取图像的范围，调整上光源以及背光原始图像清晰后再提取其图像，如图8a。
因本实施方式中所使用的CCD摄像机提取下来的图像为灰阶图像，所以在程序二值化中设定阙值即可将图像作处理，本实施方式中阙值设为150，当灰度值为0～149时，二值化结果为0，150～255时，二值化结果为255。
导线架图像经由二值化后如图8b，最后可再将二值化反白(图8c)及Sobel边缘强化(图8d)观察其边缘形状。
本发明采用C语言与Matlab撰写程序并在自动光学检测***上实现***检测，结果显示完成的***设备分辨率为0.0243mm/pixel，景深30mm。本发明通过自适应BP算法来提高文字识别的正确率，保证识别正确率大于94％。所完成的***除了应用在导线架尺寸检测、电路板文字识别以及利用共焦型激光位移计的薄膜厚度测量之外，更可推广至光电产品相关领域，此处不再一一举例进行说明。
由上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明基于CNC的自动光学检测***可以对实际工件做检测，根据待测物的大小设计镜头，利用适当的光源照射待测物，以便视觉检测***取得适当图像；该***具有良好的图像处理效果，可降低图像处理的复杂程度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于CNC的自动光学检测***，其特征在于，所述***包括机械结构***、控制***及视觉检测***，其中，所述机械结构***包括精密平台、导螺杆、线性滑轨、轴承及支撑座，所述控制***包括控制箱、AC服务马达、光栅及PC端，所述视觉检测***包括图像提取卡、CCD摄像机、光源、倍率镜、共焦型激光位移计，所述光源发出光线经过倍率镜放大，通过PC端驱动控制箱内的AC服务马达，通过导螺杆、线性滑轨、轴承控制精密平台在支撑座上的位置，同时AC服务马达还驱动CCD摄像机、共焦型激光位移计以在精密平台上进行自动光学检测。
2.根据权利要求1所述的基于CNC的自动光学检测***，其特征在于，所述精密平台为XYZ三轴支架式精密平台，包括沿水平方向移动的X轴和Y轴、以及沿竖直方向移动的Z轴。
3.根据权利要求1所述的基于CNC的自动光学检测***，其特征在于，所述导螺杆为滚珠导螺杆。
4.根据权利要求1所述的基于CNC的自动光学检测***，其特征在于，所述线性滑轨包括主体部、位于主体部上的线性滑轨部、沿线性滑轨部滑动的线性运动滑块、位于线性滑轨部与线性运动滑块之间的若干钢珠、以及位于线性运动滑块至少一端的端盖。
5.根据权利要求4所述的基于CNC的自动光学检测***，其特征在于，所述主体部上还设有油嘴，线性运动滑块一侧设有侧封。
6.根据权利要求1所述的基于CNC的自动光学检测***，其特征在于，所述轴承两端安装方式包括固定-固定式、固定-支持式、或固定-自由式。
7.根据权利要求1所述的基于CNC的自动光学检测***，其特征在于，所述光栅包括光栅直尺、光罩板、两个发光器、以及两个光线传感器，两个发光器位于光栅直尺的背面，两个光线传感器位于光罩板的背面。
8.根据权利要求7所述的基于CNC的自动光学检测***，其特征在于，所述光栅直尺及光罩板均由间隔均匀分布的透明及不透明的线条相隔而成。
9.根据权利要求8所述的基于CNC的自动光学检测***，其特征在于，所述光罩板包括第一光罩板及第二光罩板，且第一光罩板和第二光罩板具有90°的角度差。
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