CN116124001A - 一种载带尺寸在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载带尺寸在线测量方法，其属于载带测量技术的技术领域，其包括：在载带成型后及最终卷绕前各设置一摄像点；通过镜头与CCD采集载带的图像；再利用图像采集卡把图像转换成数字信号以传输至计算机；计算机对每幅图像进行分析，并找到需要测试的尺寸边缘，然后，利用预设的程序对所找到的边缘空间坐标计算；在得到所求尺寸后，判断生产是否正常运行，并将判断结果通过显示器进行显示。本发明解决了如何能实时测量生产线上所生产的载带尺寸的技术问题。

Description

一种载带尺寸在线测量方法

技术领域

本发明涉及载带测量技术的技术领域，特别是涉及一种载带尺寸在线测量方法。

背景技术

机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。通过机器视觉产品，即图像摄取装置，可分为CMOS和CCD这两种；其可将被摄取目标转换成图像信号，再传送给专用的图像处理***；然后，再根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像***对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。机器视觉***的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。

在芯片的封装测试工艺结束之后，每一个IC都要放入载带中封口成卷，再应用到下一阶段PCB的焊接中去。尺寸大的IC如CPU等一般会放到tray中去，这些tray的尺寸比较大；并且，对于大个IC因为tray口袋间隙大可以比较容易的放入。而一些尺寸比较小的贴片元器件，如电阻、电容、电感或MOS管在工业包装上是安放在carrier中并成卷包装。通常这些元器件的尺寸比较小。因此，载带的每一个package，即口袋的尺寸必须和元器件的尺寸精确匹配，否则将会很大程度影响到整个工艺阶段产品的成卷质量和下一阶段的应用。由于小个元器件的尺寸决定，载袋的口袋大小通常在10mm之内，其大小的误差范围在+/-0.1mm之内。如果超差，就会造成元器件摆放时偏斜而使应用中出现问题。因此，在载带本身的生产中当最终成形后必须对外观形状尺寸进行测量以确保合格。通常这一工作由生产操作检验员完成，但由于人眼的检测有两个很大的局限而导致不可能对产品进行100%全检。

基于此，中国专利CN217930169U公开了一种载带尺寸检测设备，其包括放料转盘、限位支架和收料转盘，所述限位支架下端固定连接有机架，所述机架上端面左右两侧分别设有放料转盘和收料转盘，所述限位支架上端设有聚光板，所述聚光板上端固定连接有光源调节阀，所述光源调节阀上端固定连接有成像镜头，所述成像镜头上端设有数据显示屏，所述机架上端面右侧固定连接有报警器。在该种载带尺寸检测设备中，通过设置的聚光板、成像镜头、数据显示屏和报警器，使得装置可以快速的对尺寸不合格的载带进行检测，减少了检测后成品中的不良率，同时可以单人独立进行操作，降低了检测投入的成本，以解决原有检测方式投入人力较多的同时存在漏检的情况。

目前，对生产采取采样检测频率是1小时取一次样。在生产线的线速度为12m/min的前提下，一小时的产量是12×60＝720m，最普遍的SOT-23口袋长度3.48mm，SOT-23也有几种规格，以其中的一种为例，一小时的产量是720/0.00348＝206896个口袋。当前一个小时测量的样品是100个左右，因此，采样频率是100/206896=400PPM。现存的检测***存在很大的问题：整个制造过程多是机械加工，加工频率较快，在运动中常会出现一些机械位移而影响产品的尺寸，这时需要对生产工艺或生产设备进行调整，但建立在一小时的测量频率上会产生一些超差而又不能被及时发现的现象，造成生产上很大的浪费。此外，随着市场要求的不断提高，即不合尺寸产品的PPM必须小于100，元器件本身尺寸越来越小的情况下，采样频率的提高和对尺寸测量结果的精度要求已成为企业所不得不要面对的一个重大问题。在此情况下，人力检测因其测量周期长，结果易受多因素，如环境、疲劳程度或经验程度等因素的影响而产生不可避免的波动性而必然被淘汰。因此，引进一套在线实时测量尺寸***则变得刻不容缓。

发明内容

基于此，有必要针对如何能实时测量生产线上所生产的载带尺寸的技术问题，提供一种载带尺寸在线测量方法。

一种载带尺寸在线测量方法，其包括：

综上所述，本发明一种载带尺寸在线测量方法在载带成型后及最终卷绕前各设置一摄像点；通过镜头与CCD采集载带的图像；再利用图像采集卡把图像转换成数字信号以传输至计算机；计算机对每幅图像进行分析，并找到需要测试的尺寸边缘，然后，利用预设的程序对所找到的边缘空间坐标计算；在得到所求尺寸后，判断生产是否正常运行，并将判断结果通过显示器进行显示。所以，本发明一种载带尺寸在线测量方法解决了如何能实时测量生产线上所生产的载带尺寸的技术问题。

附图说明

图1为本发明一种载带尺寸在线测量方法所应用的测量***架构图；

图2为本发明一种载带尺寸在线测量方法所应用的双光源***架构图；

图3为本发明一种载带尺寸在线测量方法所应用的测量***的计数器***架构图；

图4为本发明一种载带尺寸在线测量方法所应用的测量***的计数器时序图；

图5为本发明一种载带尺寸在线测量方法所应用的测量***的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1，本发明一种载带尺寸在线测量方法，其包括如下步骤：在载带成型后及最终卷绕前各设置一摄像点；通过镜头与CCD采集载带的图像；再利用图像采集卡把图像转换成数字信号以传输至计算机；计算机对每幅图像进行分析，并找到需要测试的尺寸边缘，然后，利用预设的程序对所找到的边缘空间坐标计算；在得到所求尺寸后，判断生产是否正常运行，并将判断结果通过显示器进行显示。

具体的，在目前的机器视觉应用中，好的光源与照明方案往往是整个***成败的关键，所以，光源起着非常重要的作用。光源的作用并不是简单的照亮物体，在本发明的配合中应该尽可能突出物体特征量；在物体需要检测的部分与那些不重要部分之间应该尽可能产生明显的区别，以增加对比度，同时还要足够的整体亮度，物***置的变化不应该影响成像的质量。因此，对于光源的设计，需要选择的有两个关键参数：光源的种类和光源的位置。基于此，以下表1为各种光源的对比汇总：

表1：光源的比较

具体的，由于被测产品载带通常是由PC材料所制成的深黑色产品，如果想得到比较清楚的外形和对比分明的边缘轮廓，需要一个很亮的白色光源。LED光源用得最多的是蓝色光源，比较适合淡色和透明物体的测试，并且相对于点灯，LED光源的瞬间光强还略显不足。而高频点灯可以在瞬时产生很强的光源效果，实际图像显示的效果达到可使用的结果，高亮度的光源也可以抵消一部分生产环境的复杂背景和随机干扰，其额定使用寿命7000小时和功耗20VA在可接受的范围之内。因此，光源可选用MVS-7010的光源***，其作为一种电致发光灯，其点灯频率为25-35kHZ；颜色为日光色。

进一步的，在选定光源种类后，还需决定光源的安装位置，在机器视觉应用***中一般使用透射光和反射光，对于反射光又要充分考虑光源和光学镜头的相对位置，物体表面的纹理，物体的几何形状等要素。总的来说，在处理不同的视觉应用要求光源的位置也会选择的不同。由于光源放在不同的位置，能够达到不同的测量目的。通常的，光源照射工作表面形成漫反射光，其光强是：

其中I₀为照明光源的出射光强，i为光源入射角度，do为光源到物体的距离，P_d(x,y)为物体表面的反射率分布。接受器件接受经光学***成像的物体漫反射光。假设以面阵CCD为接收器，设CCD光敏元的横向和纵向尺寸分别为为a,b，光敏元的横向和纵向间距分别为c,d。则可得到电荷包的实际分布为：

其中k为比例系数，t是CCD电荷积分时间，So为光学***入瞳的面积，dl为物体到光学***入瞳的距离，M为检测***整体放大系数，h(x,y)为光学***的点扩展函数。由式(2)可以看出，CCD器件的最终积分电荷量与光源的光强和入射角余弦值成正比，而与光源到物体的距离的平方成反比。因此，在其他部件和参数都选定的情况下，选用反射照明和背光照明时入射角的余弦值为‘1’达到最大，会比较适合尺寸测量的应用。也就是说，光源与被测物体达到垂直时的光强效果最好。

因此，为了达到更好载带尺寸测量效果，本发明一种载带尺寸在线测量方法揭示一种双光源***：在测量对象载带的下方放置一个矩形的背景光源，采取一般的白色荧光灯；而在摄像机镜头的镜头上套上一个主口光点灯。具体如图2所示，这种光源和镜头的同轴的方法，可以最大程度保证镜头中所要拍摄的对象能够得到正确的足够的照明。此外，正面投射光源和背景光源的光强比近似在2:1，可以使图像的背景有够明亮但不致于破坏正面光源的功能。黑色的被测对象在白色的背景光源下也会使之后的计算机边缘检测建立在更高对比度的图像基础上更容易的可以达到找到边缘的目的。

进一步的，目前CCD摄像机以其小巧，可靠，清晰度高等特点在商用与工业领域都得到了广泛的应用，CCD摄像机按其使用的CCD器件可以分为线阵式和面阵式两大类。线阵式CCD摄像机一次只能获得图像的一行信息，被拍摄的物体必须以直线形式从摄像机前移过，才能获得完整的图像。而面阵式摄像机可以一次获得整幅图像的信息。通常的，线阵CCD常来检测条状筒状产品，如钢板，纸张等，对于本发明中所需要测量的载带来说，应该选用面扫描的摄像机来完成。为保证一个能够摄取载带的图像在视野中，达到一个高分辨率的结果。如果说要求精度是达到0.lmm的话，那么要求就是一方面摄像机镜头要能摄取到载带的全部图形，另一方面，在最后计算机在处理图像时的单个像素必须是0.lmm或者更小。首先，光源***的最佳距离是在50mm左右，可将镜头到被测载带的距离定在50mm，在此基础上本发明一种载带尺寸在线测量方法中实际所需要为面扫描的摄像机，其相机镜头是焦距包含50mm的，FOV能够覆盖最宽载带的，分辨率达到或超过0.lmm的相机镜头。

进一步的，在基于PC机的机器视觉***中，图像采集卡是控制摄像机拍照，完成图像采集与数字化，协调整个***的重要设备，它一般具有以下的功能模块：1.图像信号的接收和A/D转换，负责图像信号的放大和数字化，一般有彩色和黑白图像的采集卡，并且不同的采集卡之间有不同的采集精度，一般有8bit和lObit两种。2.摄像机控制输入输出接口，主要负责协调摄像机进行同步或实现异步重复拍照，定时拍照等。3.总线接口，负责通过PC机内部总线高速输出数字数据，完全能胜任高精度图像的实时传输，且占用较少的CPU时间。对于本发明一种载带尺寸在线测量方法的实际要求来看，因为生产中被测对象和照明光源的颜色分别是是黑色和白色，且测量环境不是很复杂；所以，选用黑白图像采集卡可以满足现有的要求。而由于被测对象口袋的形状并不过于复杂，不需要之前对图像进行一些预处理，所以也不需要一些带有预处理功能的采集卡。由此，采用8bit的采集精度，最大采样频率为2MHZ的黑白图像卡已经可以满足***的要求。

进一步的，把运动物体从背景中分割需要使用一些运动物体探测的算法。同一物体的各部分往往具有一致的属性，总体来说在于两个方面：空间属性和时间属性，这是所有视频分割算法的物体依据。空间属性主要是：亮度，颜色，纹理或其他变化的统计特征，比如梯度图像，共生矩阵，直方图等。一般有两种不同的考虑角度：区域，即着眼于空间属性的一致性；边缘，即着眼于空间属性的差异。时间属性，或称运动属性是分割运动物体的重要手段，主要有以下几个方法：光流法、帧间差分和背景差分。而在本发明一种载带尺寸在线测量的方法中，载带运动具有以下特性：1.被测环境相对简单，光源和背景都比较固定。2.被测对象在镜头视野中出现的方向速度都是已知的。由此，拍摄中所出现的运动物体是可知的，它以固定的速度重复出现在镜头中，在不同的时间下采集到的图像基本是没有差别的；且，由于重复出现，视觉上的图像是相同的，但尺寸肯定是有差别。现有的三种算法针对的都是未知运动物体的探测，能够比较好的找出图像中的运动物体轮廓。但对于已知的运动物体探测，在对物体轮廓有所了解的情况下，所需要的是对轮廓位置的精确定位；并不需要花大量的算法去寻找运动物体，所以，在载带尺寸的测量中更关注的是保证摄像机每次拍摄到图像的位置正确，方便之后的边缘检测工作。算法的目的是在线测量每一个口袋的尺寸：一方面，必须考虑有足够的时间可以让***对摄取的图像进行数据处理和分析，如光流法，算法本身会占用比较大的***资源，对硬件的要求也会比较高。如果采用背景差分，由于所测产品的单位口袋在长度上重复出现，相临两张图片的差分图像会重复出现口袋图像，造成很大的干扰。由于只是需要测量几个特征尺寸，相应的也只是需要对整个图像中的几个特征图形区域了解，如口袋边界，孔中心等。在对摄取图像的分析和计算也集中在图像上设定的几个小区域内。因此，在摄取每一张图像后，可以直接在事先设定的区域内进行边界分析，这样做可以很大程度的节约***资源，并可以把更多的时间和资源用在对边界的计算分析上。从而，拍摄时间必须保持在口袋周期T周围的一个很小的范围△T内。现有生产线的线速度是200mm/sec，以SOT-23为例，其口袋长度3.48mm，边缘区域0.5mm，边缘的区域长度△T在整个图像长度中约占15%，检测区域的长度可以适当的扩大10%，也就是整个检测区域占图像总长度的20%左右，是3.48mm*20%=0.7mm。在当前速度下从边缘进入检测区域到完全出检测区域的时间是：0.7mm/200mm=0.0035s，在这一时间内必须保证摄像机能够拍摄到被测对象的图像，否则，任何的机械抖动和速度的变化都会引起拍摄时间点的错误。

具体的，可以称摄像机拍摄被触发指令trigger控制，为了保证trigger能够在△T内发出，***需要严格控制判断摄像机拍摄指令发出的时间，虽然可以通过软件来计时触发摄像动作，但考虑到软件只能控制摄像机的动作而无法保证生产线本身速度出现误差引起的问题；因此，软件并不是最好的控制摄像机拍摄的方法。可在载带所设置的载袋的上侧设置一排圆孔，将其称之为索引孔，其作用是PCB贴片机在焊接元器件时通过设备机械扣爪扣住索引孔以使整个载袋前进。而在载袋生产线上也可使一种机械的小牵引滚轮，其上的突起物可以卡在索引孔内，以牵引载带前进，稳定载带并防止跳动的产生。由于，索引孔和口袋之间的距离是保持在一个比较精确的范围之内，也就是说知道了索引孔的位置，就可以通过位置尺寸得到口袋孔的位置。在这个前提下，一种简单且有效能够保证精度的方法具体为：把导向轮，即前述的牵引滚轮和一个计数器连接，通过编码器控制计数，在牵引滚轮轮每拉过一个索引孔时，计数器就会记录一个脉冲数，累计达到一个数量后，发一个指令给摄像***，让点光源照亮被测物体并拍摄图像；具体如图3所示。这种方法能够减少外界速度变化引起的误差；因为，无论速度变化多大，都能确保每一次计数是发生在索引孔通过后的，在索引孔和口袋之间的距离基本一定的前提下，就能保证摄取图像是***所需的信息。这样做也可以减少***的工作量，保证***把所有资源用于对边界的计算上。整个工作的时序图如图4所示，当计数器的脉冲计数达到设定值后摄像机会拍摄图像，之后计数器清0再次开始计数。

进一步的，在能够做到保证摄像机拍摄时间点精度的情况下，进一步从节约资源的角度考虑，事先设置好需要测量边缘的一个区域，定义为被测尺寸区域矩阵A[],B[],C[],D[]……***所要做的只是在预设的区域内寻找一个边缘。当然，因为不同产品的尺寸位置都不相同，预先需要对每一个不同的产品设定一个需要测量的区域位置。这个工作的确会增加项目的工作量，但是这种消耗并不会对测量中机器***资源产生影响，是一次性的工作需要。相对于在***中增加更多的算法来缩小边缘区域，选用这种消耗人工的工作来解决这个问题为更优解。在考虑图像可能会有一些左右的细微跳动的情况下，可以将测试区域适当的扩大。

进一步的，请继续参阅图5；图5为一种应用本发明一种载带尺寸在线测量方法的测量***的结构示意图，其包括传送线1、计数装置2、光源***3、CCD***4、计算机***5以及牵引机构6。所述传送线1之中导引外部的载带以使其上料；所述计数装置设置于光源***3之前；以实现对载带上索引孔的计数；所述光源***3包括第一光源301以及第二光源302；所述第一光源301与所述第二光源302相对设置于所述传送线1的上下侧；所述CCD***4设置于所述光源***3之上；所述计算机***5分别电性连接所述计数装置2、所述光源***3以及CCD***4；所述牵引机构6设置于所述传送线1之中，并对载带起到导引、牵引的作用。从而，在本发明一种载带尺寸在线测量方法中，所述牵引机构6对载带起到牵引的作用，以使其沿着所述传送线1流动；由所述CCD***4采集载带的图像；再利用图像采集卡把图像转换成数字信号以传输至所述计算机***5；使所述计算机***5对每幅图像进行分析，并找到需要测试的尺寸边缘，然后，利用预设的程序对所找到的边缘空间坐标计算；在得到所求尺寸后，判断生产是否正常运行，并将判断结果通过显示器进行显示。

综上所述，本发明一种载带尺寸在线测量方法在载带成型后及最终卷绕前各设置一摄像点；通过镜头与CCD采集载带的图像；再利用图像采集卡把图像转换成数字信号以传输至计算机；计算机对每幅图像进行分析，并找到需要测试的尺寸边缘，然后，利用预设的程序对所找到的边缘空间坐标计算；在得到所求尺寸后，判断生产是否正常运行，并将判断结果通过显示器进行显示。所以，本发明一种载带尺寸在线测量方法解决了如何能实时测量生产线上所生产的载带尺寸的技术问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种载带尺寸在线测量方法，其特征在于，其包括：在载带成型后及最终卷绕前各设置一摄像点；通过镜头与CCD采集载带的图像；再利用图像采集卡把图像转换成数字信号以传输至计算机；计算机对每幅图像进行分析，并找到需要测试的尺寸边缘，然后，利用预设的程序对所找到的边缘空间坐标计算；在得到所求尺寸后，判断生产是否正常运行，并将判断结果通过显示器进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种载带尺寸在线测量方法，其特征在于：光源选用电致发光灯，其点灯频率为25-35kHZ，颜色为日光色。

3.根据权利要求2所述的一种载带尺寸在线测量方法，其特征在于：采用双光源***：即在测量对象载带的下方设置一矩形的背景光源，该背景光源为白色荧光灯；而在摄像机镜头的镜头上套上一个主口光点灯，以使光源与镜头同轴。

4.根据权利要求1所述的一种载带尺寸在线测量方法，其特征在于：采用面扫描的摄像机，其相机镜头的焦距为50mm，其FOV能覆盖最宽的载带，其分辨率达到或超过0.lmm。

5.根据权利要求1所述的一种载带尺寸在线测量方法，其特征在于：图像采集卡为8bit的采集精度，其最大采样频率为2MHZ的黑白图像卡。

6.根据权利要求1所述的一种载带尺寸在线测量方法，其特征在于：于载带所设置的载袋的上侧设置一排圆孔，以作为索引孔，从而使PCB贴片机在焊接元器件时通过设备机械扣爪扣住该索引孔以使整个载袋前进。

7.根据权利要求6所述的一种载带尺寸在线测量方法，其特征在于：于载带生产线上设置有机械的牵引滚轮，其上的突起物卡在所述索引孔内，以牵引载带前进，稳定载带并防止跳动的产生。

8.根据权利要求7所述的一种载带尺寸在线测量方法，其特征在于：将牵引滚轮与计数器连接，通过编码器控制计数，在牵引滚轮每拉过一个索引孔时，计数器就记录一个脉冲数，累计达到预设的数量后，发指令给摄像***，以令光源照亮被测物体并拍摄图像。

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