CN209542486U - 基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测*** - Google Patents

Abstract

基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，该***包括上位机、投影仪、第一摄像机和第二摄像机，投影仪与上位机的输出端口连接，用于将上位机生成的结构光编码投射到待测电路板上，第一摄像机和第二摄像机均与上位机的输入端口连接，用于接收待测电路板反射的结构光及相移图像；该***还包括检测架，检测架上横向设置有用于待测电路板放置的检测平台，投影仪安装在检测平台正上方的检测架上，第一摄像机和第二摄像机分别安装在投影仪两侧的检测架上。该***采用格雷码与相移结合的编码结构光技术，提高了电路板三维重构的精度；采用人机交互部分实时反馈瑕疵信息，达到及时、可靠的检测要求，实现电路板生产检测的智能化。

Description

基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***

技术领域

本实用新型涉及电路板加工设备技术领域，特别是基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***。

背景技术

在现代工业中，电路板不可或缺，电路板焊点的质量是影响产品质量的最关键因素之一。随着电路板组装技术精密化的发展, 印刷电路板(PCB)也向着高精化、微细化和高密度化方向快速发展，且印刷电路板瑕疵检测工作也往高效、精准和节能方向发展，人们对印刷电路板的质量提出更高的要求。

国内外印刷电路板焊点检测的主要方法有：目测法、自动光学检测、自动射线检测、电气检测等；传统焊点检测用的是人工目检的方法，目视检查能发现漏焊、架桥、润湿性、零件对位、锡珠等，但是无法检出内部的结构性缺点；目视检查的准确率并不稳定，这种基于肉眼的人工检测方法容易受到主观因素的影响而发生误查或漏查，一般的水平落在75-85%以下，同时人工检查受限于速度限制，每秒可检查I/O数并不高，在速度和准确度上都越来越不能满足实际生产的需求，效率较低，且人力成本高；自动射线检测的检测范围有限，对于0.1μm以下的缺陷无法进行检测，电气检测能够有效地检测出微小裂缝和桥连，检测时，使用各种电气测量仪器，可以检测导通不良和元器件的热损坏，但是电气检测是离线检测，无法及时反馈信息，存在检测效率过低的问题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理、使用方便、能够对电路板进行高效、准确检测的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***。

本实用新型所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本实用新型是基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，该***包括上位机、投影仪、第一摄像机和第二摄像机，投影仪与上位机的输出端口连接，用于将上位机生成的结构光编码投射到待测电路板上，第一摄像机和第二摄像机均与上位机的输入端口连接，用于接收待测电路板反射的结构光及相移图像；该***还包括检测架，检测架上横向设置有用于待测电路板放置的检测平台，投影仪安装在检测平台正上方的检测架上，第一摄像机和第二摄像机分别安装在投影仪两侧的检测架上。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，所述上位机与电路板生产线的控制器通讯连接，用于将瑕疵检测结果反馈给电路板生产线的控制器。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，该***还包括防干扰箱，检测架设置在防干扰箱内，防干扰箱的一侧开设有便于取拿待测电路板的开口，开口通过密封门密封。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，所述防干扰箱的顶部还安装有若干用于提供光亮的照明灯。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，所述检测架上设置有横向支架和安装在横向支架上的纵向支架，横向支架上设置有若干便于纵向支架安装和调节位置的腰孔，纵向支架通过调节螺栓与腰孔配合安装在横向支架上。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，所述纵向支架上设置有若干便于投影仪、第一摄像机和第二摄像机安装和调节位置的腰孔，投影仪、第一摄像机和第二摄像机均通过调节螺栓与腰孔配合安装在横向支架上。

本实用新型所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，所述上位机为便于人机交互的PC机。

与现有技术相比，本实用新型通过上位机控制投影仪将结构光编码投射到待测电路板上，再利用第一摄像头和第二摄像头分别进行图像采集，并反馈给上位机，上位机对第一摄像头和第二摄像头采集的图像进行解码，获得三维信息，然后找到两者的对应点，进行电路板的三维重构，最后利用瑕疵检测算法进行下次检测，并对检测的结果进行存储和反馈。该***通过双目摄像头拍摄图像，采用结构光编码方法对电路板进行三维重建，以达到高效率、高精度的目标，降低误检和漏检率，提高电路板焊点检测技术的精准性和可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的一种结构示意图；

图2为本实用新型检测架的结构示意图；

图3为本实用新型防干扰箱的结构示意图；

图4为本实用新型的***框图；

图5为本实用新型电路板的三维重构流程图；

图6为本实用新型瑕疵检测的特征对比流程图；

图7为本实用新型的格雷码重构电路板图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图，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，都属于本发明保护的范围。

参照图1-7，基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，该***包括上位机、投影仪6、第一摄像机7和第二摄像机8，投影仪6与上位机的输出端口连接，用于将上位机生成的结构光编码投射到待测电路板3上，第一摄像机7和第二摄像机8均与上位机的输入端口连接，用于接收待测电路板3反射的结构光及相移图像；该***还包括检测架1，检测架1上横向设置有用于待测电路板3放置的检测平台2，投影仪6安装在检测平台2正上方的检测架1上，第一摄像机7和第二摄像机8分别安装在投影仪6两侧的检测架1上。该***是先利用上位机对投影图案进行编码，然后利用投影仪6将编码后的图案投射到待测电路板3上，并利用第一摄像机7与第二摄像机8进行拍摄，拍摄后的图案再反馈给上位机，由于图案经过了编码，所以很容易找到图像上的点和编码图案上的对应点，经过解码以后可以得到被测物体的三维信息，接着对比第一摄像机7和第二摄像机8的图像，找到对应点，构置电路板的三维图像，最后再利用现有技术中相应的瑕疵算法在三维信息上查找瑕疵，准确、高效。

所述上位机与电路板生产线的控制器通讯连接，用于将瑕疵检测结果反馈给电路板生产线的控制器，上位机根据检测的图像判断焊点下次情形，并进行瑕疵数及瑕疵类型进行统计，并将结果反馈给电路板生产线的控制器，控制器根据反馈的信息调整焊点焊接操作，克服瑕疵的产生。

该***还包括防干扰箱11，检测架1设置在防干扰箱11内，防干扰箱11的一侧开设有便于取拿待测电路板3的开口，开口通过密封门12密封。防干扰箱11采用不透光材料制成，整体呈长方体状，用于避免外界光照因素的影响；密封门12的一侧铰接在开口处的防干扰箱11上，另一侧安装有门锁13，便于通过门锁13与防干扰箱11锁定；采用防干扰箱的另一种方式，该***还包括防干扰箱11，检测架贯穿防干扰箱11，检测平台2设置在防干扰箱11内，投影仪6、第一摄像机7和第二摄像机8设置在防干扰箱11外的检测架1上，防干扰箱11的顶部设置有与投影仪6配合的投射口，防干扰箱11两侧的顶部分布设置有与第一摄像机7和第二摄像机8配合的摄像口。

所述防干扰箱11的顶部还安装有若干用于提供光亮的照明灯，照明灯设置有4个，分别安装在防干扰箱11顶部的四角。照明灯用于需要时进行补光，不需要时可关闭。

所述检测架1上设置有横向支架4和安装在横向支架4上的纵向支架5，横向支架4上设置有若干便于纵向支架5安装和调节位置的腰孔10，纵向支架5通过调节螺栓9与腰孔10配合安装在横向支架4上。检测架1包括四根竖向设置的立柱，立柱的底部通过支杆连接固定，横向支架4设置有2个，平行连接在立柱之间；纵向支架5设置有1个或2个，连接在2个纵向支架5之间，通过调节螺栓9与腰孔10可拆卸安装，便于根据需要调整位置。

所述纵向支架5上设置有若干便于投影仪6、第一摄像机7和第二摄像机8安装和调节位置的腰孔10，投影仪6、第一摄像机7和第二摄像机8均通过调节螺栓9与腰孔10配合安装在横向支架4上。纵向支架5设置有1个时，第一摄像机7和第二摄像机8分别安装在投影仪6两侧的纵向支架5上；纵向支架5设置有2个时，投影仪6安装在其中一个纵向支架5上，第一摄像机7和第二摄像机8安装在另一个纵向支架5上；其次，投影仪6、第一摄像机7和第二摄像机8均通过调节螺栓9与腰孔10可拆卸安装，便于根据需要调整位置。

所述上位机为便于人机交互的PC机，PC机内安装有MATLAB软件，***的运行过程中，采用的结构光编码算法，图像解码算法，三维重构算法，以及瑕疵检测算法，都是采用现有技术中已有的算法，对于本领域技术人员都是可以实现的。

编码结构光被认为是恢复物体表面的最可靠的技术之一，它是在多线结构光的基础上发展起来的，该方法是先对投影图案进行编码，然后将这些图案投射到被测物体上并利用相机进行拍摄，由于图案经过了编码，所以很容易找到图像上的点和编码图案上的对应点，经过解码以后可以得到被测物体的三维信息。

本项目提出了一种基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测方案，实现对现有电路板焊点瑕疵检测的三方面优化：

1、通过格雷码与相移结合的编码结构光对待检测的印刷电路板进行高精度的点云获取并进行三维重构，准确提取电路板及焊点等目标的三维信息，有利于焊点瑕疵检测；

2、设计基于三维重构模型的电路板焊点瑕疵检测算法，针对现有算法进行改进，显著减少多种情况下的误报、漏报，提高电路板焊点瑕疵检测***的准确性、可靠性；

3、设计实现人机交互模块，通过计算机软件实时提供可视化的焊点瑕疵信息，包括瑕疵类型、位置等，以方便工人对焊接器件进行有针对的调整，从而减少废品率，降低生产成本。

本申请***的工作过程：

1、结构光的投射

考虑到光学衍射定理及连续划分精度所造成的影响，本项目依时间序列控制投影仪向被测物体的表面依次投射6幅格雷码图案和4幅相差四分之一周期的相移图案，投射6幅格雷码图案可将图像划分64个宽度为20像素的区域，实验结构效果较佳。

2、图像采集

图像的采集与步骤1的投射时序相对应，用摄像头依次对10个投射场景采集10幅对应的图案。

3、图像预处理

由于光照环境等因素的影响，采集的图像上有许多噪声，这些噪声将使实验结构有许多离散的点，因此对采集图像平滑滤波处理，选择使用高斯滤波平滑处理来去除噪声。

因为在格雷码编码解码的过程中要求图案只含有黑（灰度值0）白（灰度值255）条纹，但实际采集的图像上像素的点灰度在1-255之间变化，所以在多次实验的基础上选择合适的灰度值作为图像二值化的阈值，使大于这个阈值的所有像素点的灰度值全部为255；小于阈值的点的灰度值为0。

4、Gray码解码+相移解码

向检测电路板投射周期性及周期内相位变化的编码图案，通过两摄像机的经过处理后的图像，使待测物体表面获得编码，利用格雷码和二进制编码具有的离散、容错率高特征，将两种方法相结合，以克服相位模糊的缺点，提高测量精度的同时尽量减少编码图案的数量，从而测得高精度的三维信息，此外，相移方法，消除了边缘扩散对条纹边缘定位的影响，提高边缘定位精度和解码的正确率。

5、三维重构

通过代码分析，找到两幅图像中的对应点，然后通过三角测量的方法来得到点的深度，从而得到该点的三维空间坐标，接着将采集的离散点云集用OPENGL显示出来，再将这些点云数据进行三角片化处理显示出整体面模型。

6、瑕疵检测

6.1检测目标区域选取

在得到三维点云图像后，根据电路板上不同器件z轴坐标的差异，通过对三维图像高度的判断，可以在高度有明显变化的边缘区域判断为器件焊接区域，通过对这些区域的选取方便下一步的焊点瑕疵检测。

6.2算法的选取

在瑕疵检测方面，运用了基于连通分量分析的PCB瑕疵检测与分类算法。由于它有同时检测出瑕疵并完成瑕疵分类的优点，被广泛运用于PCB焊点瑕疵检测，此外，该算法不需要对PCB进行很严格的对准，并允许PCB图像有一定的变形，有着很高的鲁棒性。

6.3焊点瑕疵的分类

在判断焊点瑕疵类型时，首先通过二值图像的面积、连通区域数和欧拉数将缺陷图像面积较小的缺陷类型进行分类，见表1。

表1 焊点瑕疵分类

缺陷种类	二值图像面积	连通区域数	欧拉数
				断路	减少	增加	增加
短路	增加	减少	减少
				凸起	增加	不变	不变
凹陷	减少	不变	不变
				空洞	减少	不变	减少
焊盘堵塞	增加	不变	增加

除此之外，将缺陷图像面积远大于其他类别的多线和少线缺陷进行分类，由此，通过标准图像与待测图像异或，就能得到缺陷点图像并能判断焊点瑕疵类型。

6.4检测步骤

通过基于连通分量分析的PCB瑕疵检测与分类算法分三步进行瑕疵检测：

a.参考图像的特征提取；

b.被测图像的特征萃取；

c.基于特征的比对。

其中，根据上文所述的焊点瑕疵分类，第三部分按照以下流程进行特征比对。

6.5人机交互

在Microsoft VB6.0编程平台下利用 MSComm 通信控件实现计算机串口与嵌入式***的数据通讯，并设计一套软件，该软件可以实现的功能有：

a.将待检测参数种类传输给嵌入式***；

b.显示每一个电路板各参数的检测结果（若有不合格显示不合格部位）；

c.统计并显示电路板不合格品数量与不合格部位，并计算其合格率；

d.可对每批电路板检测结果进行存储，以备日后调阅；

e.可对在一定批次的产品中不合格产品部位进行汇总并在超出阈值后反馈错误信息及可能成因。

对于当PCB板大小超出原***识别范围，不能覆盖的全板时，本项目选择将整版分区域进行焊点瑕疵检测。

方法一：采用分块进行多次局部重构并将局部重构图像拼接获得完整的可以真实的再现板上元件的位置和形状信息的PCB板概略图，具体流程如下：

a.选定起始拼接位置,

b.依次移动***到下一个相邻拼接位进行结构光三维重构

c.在预设坐标处连接成一幅完整的图像

获得整版的点云图像后其他操作与普通PCB板的焊点瑕疵检测一致。

该方法难度较大，算法选取和精确度上要求较高。

方法二：分区域流水检测，1个区域1个***，独立完成瑕疵检测再交通过人机交互模块综合整版的焊点瑕疵情况。

该方法优点是快速、可靠；缺点是视觉***多。

说明：本项目将根据实际操作情况选择最优方法优化项目。

与现有技术相比，本申请的区别在于：

(1)国内电路板焊点瑕疵检测大多依靠人工目测，易受到主观因素的影响而发生误查或漏查。随着PCB向高密度、微型化的发展，人工目测已很难满足工业检测的可靠性要求。本项目拟采用编码结构光技术对电路板焊点进行瑕疵检测。先对投影图案进行编码，采用的格雷码编码方法抗噪能力强、可靠性高，然后利用投影仪将编码图案投射到待测电路板上，利用两个摄像机进行拍摄，对采集的图像进行预处理，包括对图像进行平滑滤波处理和设定一个阈值等操作，再通过解码得到电路板的三维信息，最终形成电路板的三维点云图，通过特定的算法对焊点进行分析并作出判断，以此来替代人工目测，改变现阶段电路板焊点瑕疵检测主要依赖人工目测且可靠性低的不良现状。

(2)目前市场上的电路板焊点瑕疵检测***主要为进口产品，价格高昂且不适合国内操作人员的习惯，在使用过程中不能充分利用其功能，造成了资源的严重浪费，所以普及程度不高。拟用相移编码法结合格雷码编码法，保证了精度，又不减少测量数据，达到高效率、高精度的目标，以满足PCB板在线检测速度与质量的要求。

(3)现行人工目测方式仅能查出部分错误，而且并没有适当的反馈机制对生产进行调节。本项目拟在该检测***中添加一个人机交互部分，用于对产品的错误类型和数目进行统计和整合，并及时反馈给监管人员，从而对生产流程进行反馈调节，方便工人对产品的焊接器件进行针对性调整，从而实现减少废品率，降低成本的目的。

本申请的优点：

(1)采用编码结构光视觉获取三维图像

目前国内自主研发的AOI检测算法复杂、运行费用高且调整实践长，前期图像处理算法不够成熟，容易造成误判漏判等问题，采用格雷码与相移结合的编码结构光技术进行三维重构速度快，精度高，能够适应工业生产线的检测需求；

格雷码编码方法抗噪能力强、可靠性高，本项目通过格雷码编码的方法对投影图像进行编码，在双目视觉技术下对采集的图像进行平滑滤波处理和设定阈值等图像预处理操作后，再通过解码得到电路板的三维信息，最终形成电路板的三维点云图，通过基于连通分量分析的PCB瑕疵检测与分类算法对焊点进行分析并作出判断，可更加有效地完成瑕疵检测和识别。

(2)及时反馈重复出现的焊点瑕疵类型与数量以降低生产成本

人机交互部分将运用连通分量分析的PCB瑕疵检测与分类算法，可同时检测出瑕疵并完成瑕疵分类的优点，可在工业生产线中，通过对已检测电路板错误类型与数目的统计整合，预设程序反馈焊点瑕疵信息，能够及时的反映生产流程中出现的重复性焊点瑕疵并反馈其类型与数量，方便工人对焊接器件进行有针对的调整，从而减少废品率，降低生产成本。

Claims (7)

1.基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，其特征在于：该***包括上位机、投影仪、第一摄像机和第二摄像机，投影仪与上位机的输出端口连接，用于将上位机生成的结构光编码投射到待测电路板上，第一摄像机和第二摄像机均与上位机的输入端口连接，用于接收待测电路板反射的结构光及相移图像；该***还包括检测架，检测架上横向设置有用于待测电路板放置的检测平台，投影仪安装在检测平台正上方的检测架上，第一摄像机和第二摄像机分别安装在投影仪两侧的检测架上。

2.根据权利要求1所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，其特征在于：所述上位机与电路板生产线的控制器通讯连接，用于将瑕疵检测结果反馈给电路板生产线的控制器。

3.根据权利要求1所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，其特征在于：该***还包括防干扰箱，检测架设置在防干扰箱内，防干扰箱的一侧开设有便于取拿待测电路板的开口，开口通过密封门密封。

4.根据权利要求3所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，其特征在于：所述防干扰箱的顶部还安装有若干用于提供光亮的照明灯。

5.根据权利要求1所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，其特征在于：所述检测架上设置有横向支架和安装在横向支架上的纵向支架，横向支架上设置有若干便于纵向支架安装和调节位置的腰孔，纵向支架通过调节螺栓与腰孔配合安装在横向支架上。

6.根据权利要求5所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，其特征在于：所述纵向支架上设置有若干便于投影仪、第一摄像机和第二摄像机安装和调节位置的腰孔，投影仪、第一摄像机和第二摄像机均通过调节螺栓与腰孔配合安装在横向支架上。

7.根据权利要求1所述的基于编码结构光视觉的电路板焊点瑕疵检测***，其特征在于：所述上位机为便于人机交互的PC机。