JP4651466B2 - 部品認識方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、部品認識方法及び装置、更に詳細には、吸着ヘッドに吸着された部品を撮像し、その画像を処理して部品認識する部品認識方法及び装置に関するものである。

電子部品を回路基板上に実装する部品実装機では、部品供給装置から供給される電子部品を吸着ヘッドの吸着ノズルで吸着した後、吸着ヘッドを部品認識カメラ上に移動させて電子部品を撮像し、その画像を処理して電子部品の中心と傾きを検出し、吸着ずれを算出している。このように部品画像を処理して部品中心と傾きを検出する処理あるいは吸着ずれを検出する処理を部品認識と呼んでいる（部品位置検出あるいは部品位置決めともいう）。部品実装機は、この部品認識により検出された吸着ずれを補正して、電子部品を基板の所定位置に搭載する。

ところで、電子部品を部品認識カメラで撮像するときに、吸着ヘッドをカメラ上で移動させながら撮像すると、撮像した電子部品の画像がずれてしまう。例えば、図９に示したように、吸着ヘッドの吸着ノズル１ａに吸着された円形の電子部品３が、部品認識カメラ７上で矢印で示す一方向に一定速度で移動して撮像された場合、撮像画面９１において部品３の画像９２の形状は、本来の円形ではなく、２つの半円どうしを２本の直線でつないだ小判形状になってしまう。この部品画像９２に基づいて部品認識を行うと、本来の形状と異なるので、認識エラーとなって部品３の基板上での搭載ができない、或いは誤認識して正確な位置に搭載できなくなる、という問題がある。

従来では、この問題を回避するために、図８に示すように、部品認識カメラ７上で部品３を停止させる（吸着ヘッドを停止させる）か、或いは吸着ヘッドの移動速度を充分に遅くして撮像することにより、部品画像８２にズレが生じないようにしていた。しかし、この方法では、撮像のために時間がかかってしまい、部品の搭載タクトを上げることができない、という問題がある。

これに対して、部品認識カメラ上で吸着ヘッドを移動させながら、電子部品を撮像し、その際に露光時間を短くすることにより、撮像した電子部品の画像のズレを防ぐ方法が下記の特許文献１などに記載されている。この特許文献に記載された方法では、電子部品と共に、吸着ヘッドに設けた基準マークを露光時間を短くして撮像し、撮像された基準マークの画像から部品の吸着位置を検出し、予め定められた基準マークと吸着ノズルとの相対位置と、前記検出した吸着位置とからずれ量を計算し、このずれ量を補正して電子部品を搭載している。
特開平５−６３３９８号公報

しかしながら、電子部品の撮像時の露光時間を短くする方法では、電子部品の照明光量を大きくして電子部品が明瞭に写るようにする必要がある。このため、照明光源に照明光量の大きな高価なものを用いる必要があると共に、その消費電力も大きくなってしまうという問題がある。

そこで本発明の課題は、吸着ヘッドを撮像装置に対して相対的に移動させて部品を撮像し、部品画像にズレが生じても、部品認識を正確に行えることができる部品認識方法及び装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、
本発明（請求項１、３）は、
吸着ヘッドに吸着された部品を撮像装置で撮像しその部品画像を処理して部品認識を行う部品認識方法及び装置であって、
吸着ヘッドを撮像装置に対して相対的に移動させて部品を撮像すること、
吸着ヘッドの撮像装置に対する相対速度又は加速度を測定すること、
測定された相対速度又は加速度に基づいて部品認識に使用される部品データを変更すること、
変更された部品データを用いて部品認識を行うことを特徴とする。

また、本発明（請求項２、４）は、
吸着ヘッドに吸着された部品を撮像装置で撮像しその部品画像を処理して部品認識を行う部品認識方法及び装置であって、
吸着ヘッドにはスポット光源が設けられていること、
吸着ヘッドを撮像装置に対して相対的に移動させて部品および前記スポット光源を撮像すること、
吸着ヘッドの撮像装置に対する相対速度又は加速度を撮像された前記スポット光源の標識光跡に基づき測定すること、
測定された相対速度又は加速度に基づいて撮像された部品の画像を補正すること、
補正された部品画像に基づいて部品認識を行うことを特徴とする。

本発明によれば、吸着ヘッドの撮像装置に対する相対速度又は加速度に基づいて、部品データを変更して、ないしは撮像された部品の画像を補正して部品認識しているので、吸着ヘッドを撮像装置上を移動させて部品を撮像しても、部品を停止して撮像したときと同様な部品認識結果を得ることができる。従って、部品を移動させながら、部品認識することができるので、部品の認識速度を向上させることができる。

以下、添付した図を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に利用される部品実装機の要部の構成を示している。吸着ヘッド１は、フィーダー９から供給される電子部品（以下、部品と略す）３を吸着ノズル１ａで吸着して基板４上に移送し、そこの所定位置に搭載する。吸着ヘッド１には、吸着ノズル１ａと共に、マーク認識ユニット２とスポット光源８が設けられている。マーク認識ユニット２は、基板４の基板マーク４ａ，４ｂ，４ｃを画像認識するためのもので、これらのマークを撮像するＣＣＤカメラなどの撮像装置からなる。基板４は、搬送ベルト６の駆動により基板搬送ガイド５に沿って搬送され、部品３を搭載する所定の基準位置に位置決めされる。スポット光源８は、吸着ヘッド１の移動速度を測定するための標識となるものである。また、７は、部品認識のために部品３を撮像するＣＣＤカメラなどからなる部品認識カメラ（撮像装置）であり、部品実装機の本体上の所定位置に固定されている。

図２は、部品実装機の制御系と部品認識を行う画像処理装置の構成を示している。

メイン制御装置１２のＣＰＵ１２１は、実装機全体の制御を行うもので、吸着ヘッド１をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向に移動させるＸ軸モータ１３，Ｙ軸モータ１４，Ｚ軸モータ１５の駆動を制御する。また、吸着ノズル１ａをθ軸を中心に回転させるθ軸モータ１６の駆動を制御する。照明コントローラ１２２は、スポット光源８及び部品照明装置１０の点灯／消灯を制御する。

また、画像処理装置１１では、部品認識カメラ７から入力されるアナログの画像信号がＡ／Ｄ変換器１１１によりデジタル画像データに変換され、画像メモリ１１２に格納される。画像処理装置１１には、部品３の形状や、部品寸法、リード幅、リードピッチ、リード長さなど位置決めのためのデータや、吸着位置、搭載位置などのデータを部品ごとに記憶する部品データ記憶部１１５が設けられている。

画像処理装置１１のＣＰＵ１１６は、メモリに記憶された部品認識プログラム１１４を読み出して実行し、画像メモリ１１２に格納された部品画像を処理し、部品中心と部品傾きを算出する。その場合、ＣＰＵ１１６は、後述するように、吸着ヘッドの移動速度又は加速度を測定し（測定手段）、測定された移動速度又は加速度に基づいて部品認識に使用される部品データを変更し（変更手段）、また測定された移動速度又は加速度に基づいて部品の画像を補正する（補正手段）機能を有する。作業用メモリ１１３は、この画像処理時の作業用のメモリとして用いられる。

画像処理装置１１は、算出した中心位置と傾きから吸着ずれ量を求め、そのずれ量をインターフェース１１７を介してメイン制御装置１２に送信する。メイン制御装置１１は、このずれ量をＸ軸モータ１３、Ｙ軸モータ１４、θ軸モータ１６の駆動時に反映させ、吸着ずれを補正して部品３を基板４上に搭載する。

また、画像処理装置１１は、マーク認識ユニット２のカメラから入力される基板マーク４ａ〜４ｃの画像認識処理を行って基板４の基準位置からの位置ずれ量を求め、基板４の位置ずれを算出し、その情報をメイン制御装置１２に送信する。メイン制御装置１１は、このずれ量をＸ軸モータ１３、Ｙ軸モータ１４の駆動時に反映させ、基板の位置ずれを補償する。

本発明では、部品の搭載タクトを向上させるために、吸着ヘッド１を部品認識カメラ７の位置で停止させて部品を撮像するのではなく、部品認識カメラ７上を一定速度で相対移動させ、部品３を撮像する。その際に、図３に示すタイミングで部品認識カメラ７のシャッターの開閉と、照明装置１０による部品３の照明と、スポット光源８のオン／オフ（点灯／消灯）を制御する。すなわち、シャッターを所定時間だけ開き、その間に、より短い時間で、部品照明とスポット光源８を同時に点灯させて、部品３と共にスポット光源８を撮像する。なお、ここでは説明を簡単にするために、吸着ヘッド１の移動方向はＸ軸方向とするが、Ｙ軸方向あるいはＸ軸ないしＹ軸方向に対して傾斜した方向でもよい。

図４には、上記のような条件で円形の部品３が撮像されたときの画面２１が図示されている。画面２１において横方向がＸ軸方向であり、部品３の画像２２は移動速度に応じて直線部が発生し両側が半円となった長方形（図４に示した部品画像２２の形状）の画像となる。

また、画面２１中で上端部の領域２３には、スポット光源８の光跡（以下、標識光跡という）２４が線分として撮像される。標識光跡２４はヘッド移動方向に沿って伸びており、その長さがヘッド移動速度に対応する。画像処理装置１１のＣＰＵ１１６は、領域２３の画像信号を適当なしきい値で２値化して標識光跡２４の線分の両端を検出し、その長さと、スポット光源８の点灯時間（露光時間）から、ヘッド１の認識カメラ７に対する移動速度を測定する。例えば、長さが１００画素の長さで点灯時間が１０ｍｓｅｃだった場合、ヘッド移動速度は１０画素／ｍｓｅｃとなる。

部品３が部品データにその形状が円形として定義されていると、図４の部品３の画像２２に基づいて部品認識すると、円形とは判定されず、認識アルゴリズムによっては、認識エラーとなって認識できないか、或いは誤認識してしまう。しかし、ヘッド移動速度が分かれば部品３がどのような形状に変化するかが分かる。例えば、部品撮像中のヘッド移動速度が、上記のように１０画素／ｍｓｅｃであった場合、部品３は１０ｍｓｅｃの照明点灯中に１００画素の距離移動することになる。したがって、撮像される部品画像は、停止画像に比べて、中心位置を同じとして、両端のエッジがＸ軸方向の両方向に５０画素ずつずれることになり、部品画像の形状は直線部の長さが１００画素の長方形でその両側が半円となった形状（図４に示した部品画像２２の形状）となる。そこで、部品データ記憶部１１５に格納されている部品３の部品データにおいて、部品の形状を、ヘッド移動速度に応じて変化する形状に設定（変更）する。そして、公知のアルゴリズムにより部品画像２２の最外周エッジを取得して部品認識を行い、部品中心と傾きを取得する。このように、部品形状が、ヘッドの移動速度に応じて変化する形状に変更されるので、形状が部品データに記憶されているものと異なるという理由では認識エラーとならず、ヘッドを移動させながら部品を撮像して部品認識を行うことができる。

また、リード部品などで、リード幅やリード長さが部品位置決めに使用される場合、部品データのリード幅やリード長さをヘッド移動速度に応じて変更することで、ヘッドを移動させながら部品を撮像して部品認識を行っても、ヘッドを停止させて部品を撮像し部品認識を行った場合と同じ結果を得ることができる。

なお、ヘッド移動方向がＸ軸ないしＹ軸方向に対して傾斜した方向である場合には、ヘッド移動速度のＸ軸方向への成分とＹ軸方向への成分に基づいて、部品認識処理に用いる部品形状データを変更する。

実施例１では、部品３の撮像時のヘッド移動速度に基づいて、部品認識に用いる部品３の部品形状データを変更したが、ヘッド移動速度に基づいて、撮像された部品３の画像を補正し、補正された画像に基づいて部品認識するようにしてもよい。以下に、その例を説明する。

図５は、実施例１の図１及び図２と同じ構成で、実施例１と同様に、吸着ヘッド１を部品認識カメラ７上でＸ軸方向に沿った一方向に一定速度で移動させながら円形の部品３とスポット光源８を撮像した結果を示している。

撮像画面２１において、部品３の画像２２は、撮影時の露光条件により、Ｘ軸方向の両端（左右両端）のエッジ部分が暗くなっている。この部品画像２２を、標識光跡２４の長さで測定されるヘッド移動速度に基づいて補正する。

そのため、まず部品画像２２の最外周において白の×印で示す左右両端の各エッジ点を求める。エッジ点の求め方は、画面２１の各ラインの濃度勾配を求め、勾配の立ち上がり開始点を部品画像２２の左エッジ、立下り終了点を右エッジとして、左右の各エッジ点を求める。

ここで、部品画像２２の左右両端のエッジは、停止画像に比べて、画像の中心位置を同じとして、左右の外側に同じ長さずつずれている。そのずれ量は、撮像中の部品移動量／２（部品移動量＝ヘッド移動速度×部品照明の点灯時間）となる。このずれ量だけ、白の×印で示す左右両端の各エッジ点を黒の×印で示すように内側へオフセットする。例えば、実施例１と同様に、撮像中に部品３が１００画素移動するものとすると、ずれ量は５０画素ずつとなり、５０画素ずつ内側へオフセットさせる。

これにより、停止撮像時の部品画像の各エッジ点に対応するように補正された各エッジ点が得られ、この補正エッジ点に基づいて部品認識処理を行うことにより、正確に部品認識を行うことができる。すなわち、画像処理装置１１のＣＰＵ１１６が部品認識プログラム１１４に従って上記の処理を行い、標識光跡２４の長さにより測定されるヘッド移動速度に基づいて部品３の画像を上記のように補正し、補正された画像に基づいて部品認識することにより、ヘッドを停止して部品を撮像し部品認識を行ったのと同様な結果を得ることができる。

なお、予め治具などを使用した実験によって、ヘッド移動速度と上記オフセットすべきずれ量との関係を求めて、そのデータをテーブルとしてメモリに格納しておいてもよい。こうすれば、このデータテーブルを用いてヘッド移動速度に応じたオフセット量を簡単に求めることができる。この方法は、特にヘッド移動方向をＸ軸ないしＹ軸方向に対して傾斜した方向とした場合に有効である。その場合、ヘッド移動速度に応じたずれ量は、ヘッド移動速度のＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれの成分に応じたＸ軸方向とＹ軸方向のずれ量成分を合成したものとなり、これを演算で求めると処理が複雑になるからである。

実施例１及び２では、部品３の撮像中のヘッド移動速度を一定とした。しかし撮像中に吸着ヘッドが加速ないし減速される場合がある。図７は、撮像中に吸着ヘッドが図中の右方向に加速されていた場合の部品画像を示している。部品画像２２は、左右のエッジの鈍り具合（ずれ具合）が異なっており、左右のエッジのずれ量が異なっている。このヘッドの移動速度が変化する場合の画像の補正を以下に説明する。

まず、図６に示すようなタイミングで、部品認識カメラ７のシャッターの開閉と、部品照明及びスポット光源８のオン／オフ（点灯／消灯）を制御する。すなわち、シャッターを所定時間だけ開き、その間に、スポット光源８を短い所定時間ずつ所定時間間隔で複数回（図６では５回）点灯させ、部品照明を前記複数回の点灯の途中の所定タイミング（図６では３回目の消灯の間から５回目の点灯の間にかけて）で点灯する。

これにより、図７に示すような部品画像２５が撮像されると共に、ヘッド移動速度の測定領域２３にスポット光源８の標識光跡２６が一直線上で断続した５本の線分として撮像される。５本の線分のそれぞれのヘッド移動方向への長さは、５本の線分のそれぞれが撮像されたスポット光源８の点灯中のヘッド移動速度（平均値）に対応している。また、隣り合う線分どうしの長さの差は、ヘッド移動速度の差、すなわち加速度に対応している。従って、５本の線分のそれぞれの長さを測定し、測定されたそれぞれの長さと、スポット光源８の１回の点灯時間の関係から、ヘッド移動速度及び加速度を算出することができる。

そこで、ヘッド移動速度が変化する場合には、図６に示したように、部品３が照明されて部品の撮像が開始される時点ｔ１と照明が消え撮像が終了する時点ｔ２のヘッド移動速度を求める。例えば、撮像開始時点ｔ１のヘッド移動速度は、標識光跡２６ａ及び／又は２６ｂに基づく速度ないし加速度、あるいはその平均値により求め、撮像終了時点ｔ２のヘッド移動速度は、標識光跡２６ｂ及び／又は２６ｃに基づく速度ないし加速度、あるいはその平均値より求める。そして、部品画像２５の左側エッジを部品撮像開始時点ｔ１のヘッド移動速度に応じた量だけ、また、右側エッジを部品撮像終了時点ｔ２のヘッド移動速度に応じた量だけそれぞれ内側にオフセットすることにより、停止撮影時の部品画像のエッジに対応したエッジを得ることができ、部品を停止して撮像したときと同様な部品認識結果を得ることができる。

なお、以上では、部品撮像中のヘッド移動速度あるいは加速度に基づいて、部品画像を補正しているが、実施例１のように、部品認識に用いる部品形状データを変更し、変更された部品形状データを用いて部品認識するようにしてもよい。

また、以上説明した実施例１〜３では、ヘッド移動速度測定用の標識としてスポット光源８を吸着ヘッド１の下側に設けるようにしているが、標識としてマークを吸着ヘッド１の下側に設け、これを部品照明装置１０で照明するようにしてもよい。或いは下方からマークだけ照明する専用のスポット照明などを設けてもよい。ヘッド移動速度のみならず加速度も測定する場合は、専用の照明が必要である。なお、マークは紫外線を反射するものとして、下方からの照明は紫外線照明にし、撮像装置としての部品認識カメラ７は紫外領域も撮像可能なものにしても良い。

また、実施例１〜３と異なる手段によってヘッド移動速度ないし加速度を検出するようにしてもよい。例えば、Ｘ軸モータ１３とＹ軸モータ１４のそれぞれの回転速度を検出するロータリーエンコーダを設け、それぞれの回転速度によりヘッド移動速度ないし加速度を検出するようにしてもよい。

また、以上の実施例１〜３では、撮像装置としての部品認識カメラ７が実装機に固定されており、部品が認識カメラ７上を通過するときに部品を撮像しているが、逆に撮像装置を移動させて停止している部品を撮像したり、あるいは撮像装置と部品（吸着ヘッド）の両方を相対的に移動させて部品を撮像するときにも、同様に適用できることは勿論である。

本発明が用いられる部品実装機の機械的構成を示す斜視図である。 同部品実装機の部品認識に関わる制御系の構成を示すブロック図である。 実施例１における部品撮像時のシャッターの開閉と部品照明及びスポット光源の点灯／消灯のタイミングを示すタイミング図である。 実施例１における部品撮像画面を示す説明図である。 実施例２における部品撮像画面を示す説明図である。 実施例２における部品撮像時のシャッターの開閉と部品照明及びスポット光源の点灯／消灯のタイミングを示すタイミング図である。 実施例３における部品撮像画面を示す説明図である。 部品を停止させて撮像する様子と部品撮像画面を示す説明図である。 部品を移動させながら撮像する様子とその部品撮像画面を示す説明図である。

符号の説明

１ 吸着ヘッド
１ａ 吸着ノズル
２ マーク認識ユニット
３ 電子部品
４ 回路基板
７ 部品認識カメラ
８ スポット光源（標識）
１０ 部品照明装置
１１ 画像処理装置
１２ メイン制御装置
１３ Ｘ軸モータ
１４ Ｙ軸モータ
１５ Ｚ軸モータ
１６ θ軸モータ
２１ 撮像結果の画面
２２ 部品画像
２３ ヘッド移動速度測定領域
２４ 標識光跡
１１４ 部品認識プログラム
１１５ 部品データ記憶部
１１６ 画像処理装置のＣＰＵ
１２１ メイン制御装置のＣＰＵ
１２２ 照明コントローラ

Claims (4)

1. 吸着ヘッドに吸着された部品を撮像装置で撮像しその部品画像を処理して部品認識を行う部品認識方法であって、
   吸着ヘッドを撮像装置に対して相対的に移動させて部品を撮像し、
   吸着ヘッドの撮像装置に対する相対速度又は加速度を測定し、
   測定された相対速度又は加速度に基づいて部品認識に使用される部品データを変更し、
   変更された部品データを用いて部品認識を行うことを特徴とする部品認識方法。
2. 吸着ヘッドに吸着された部品を撮像装置で撮像しその部品画像を処理して部品認識を行う部品認識方法であって、
   吸着ヘッドにはスポット光源が設けられており、
   吸着ヘッドを撮像装置に対して相対的に移動させて部品および前記スポット光源を撮像し、
   吸着ヘッドの撮像装置に対する相対速度又は加速度を撮像された前記スポット光源の標識光跡に基づき測定し、
   測定された相対速度又は加速度に基づいて撮像された部品の画像を補正し、
   補正された部品画像に基づいて部品認識を行うことを特徴とする部品認識方法。
3. 吸着ヘッドに吸着された部品を撮像装置で撮像しその部品画像を処理して部品認識を行う部品認識装置であって、
   吸着ヘッドを撮像装置に対して相対的に移動させる移動手段と、
   吸着ヘッドの撮像装置に対する相対速度又は加速度を測定する測定手段と、
   測定された相対速度又は加速度に基づいて部品認識に使用される部品データを変更する変更手段とを有し、
   吸着ヘッドを撮像装置に対して相対的に移動させて部品を撮像し、測定された相対速度又は加速度に基づいて部品データを変更して部品認識を行うことを特徴とする部品認識装置。
4. 吸着ヘッドに吸着された部品を撮像装置で撮像しその部品画像を処理して部品認識を行う部品認識装置であって、
   吸着ヘッドにはスポット光源が設けられており、該スポット光源は吸着ヘッドに吸着された部品とともに撮像され、
   吸着ヘッドを撮像装置に対して相対的に移動させる移動手段と、
   吸着ヘッドの撮像装置に対する相対速度又は加速度を撮像された前記スポット光源の標識光跡に基づき測定する測定手段と、
   測定された相対速度又は加速度に基づいて撮像された部品の画像を補正する補正手段とを有し、
   吸着ヘッドを撮像装置に対して相対的に移動させて部品および前記スポット光源を撮像し、補正された部品画像に基づいて部品認識を行うことを特徴とする部品認識装置。

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