JP5318334B2 - 対象物の位置検出方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物の位置検出方法及び装置、更に詳細には、プリント基板などの対象物の特徴部をテンプレートとして登録し、パターンマッチングにより対象物の位置を検出する対象物の位置検出方法及び装置に関する。

従来、電子部品実装機では、電子部品を精度良く基板に搭載するためにプリント基板が装置内に搬入され、搭載を行う前準備として搭載位置にプリント基板を固定し、基板にプリントされている基準マークを認識し、プリント基板の位置ずれ、印刷ずれを補正し電子部品を精度よく搭載していた。また、プリント基板に基準マークが無い場合は、特徴あるマーク、パターンなどをテンプレートとして登録し、この画像を用い順次搬入されるプリント基板とのパターンマッチングを行うことにより基板の位置を検出し精度よく電子部品を搭載していた（特許文献１、２）。

また、電子部品実装機以外のスクリーン印刷機や接着剤塗布装置などプリント基板を位置決めし作業を行う機械も、同様の位置検出方法を用いていた。
特開平１１−３３７３１１号公報 特開２００１−１２４５１８号公報

しかしながら、プリント基板の特徴あるマークやパターンなどをテンプレートとして登録する場合、カメラの取り付け誤差により生じる視野倍率の誤差、撮像装置の傾きなどにより、登録したテンプレートを別の撮像装置を用いる装置、ステーションではテンプレート画像のサイズ、傾きが異なり精度良いパターンマッチングができないという問題があった。

また、装置またはカメラユニット毎に特徴部位のテンプレートを登録すると、オペレーターの手間がかかり、また、画像処理装置もテンプレートデータを各々登録しなければならず、コスト、作業時間のロスが大きいという問題があった。また、特許文献２では、異なる機械の画像処理装置の光学倍率を読み込み登録パターンを変換しているが、個々の撮像装置の傾き情報が考慮されないため、認識精度に問題が生じるという問題点があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、パターンマッチングの精度を向上させ、対象物の位置を正確に検出することが可能な対象物の位置検出方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明は、
パターンマッチングにより対象物の位置を検出する対象物の位置検出方法であって、
撮像装置により対象物を撮像して、該撮像された画像の一部をテンプレート画像として登録し、
対象物を撮像して前記テンプレート画像に基づいてパターンマッチングを行うとき、テンプレート画像を取得したときの撮像装置の取り付け角度とパターンマッチングのために対象物を撮像するときの撮像装置の取り付け角度に差があるときには、該取り付け角度の差に応じて前記登録したテンプレート画像を補正し、該補正したテンプレート画像とのパターンマッチングにより対象物の位置検出を行うことを特徴とする。

また、本発明は、
パターンマッチングにより対象物の位置を検出する対象物の位置検出装置であって、
撮像装置により撮像された対象物の画像の一部をテンプレート画像として記憶する記憶手段と、
撮像装置の取り付け角度を記憶する記憶手段とを設け、
対象物を撮像して前記テンプレート画像に基づいてパターンマッチングを行うとき、テンプレート画像を取得したときの撮像装置の取り付け角度とパターンマッチングのために対象物を撮像するときの撮像装置の取り付け角度に差があるときには、該取り付け角度の差に応じて前記記憶したテンプレート画像を補正し、該補正したテンプレート画像とのパターンマッチングにより対象物の位置検出を行うことを特徴とする。

本発明によれば、テンプレート画像を取得したときの撮像装置の取り付け角度とパターンマッチングのために対象物を撮像するときの撮像装置の取り付け角度に差があるときには、その差に応じたテンプレート画像の補正を行ってパターンマッチングを行うようにしているので、撮像装置の取り付け角度誤差があっても、良好なパターンマッチングができ、対象物の位置を高精度で検出することができる。

また、テンプレート画像を、種々の装置で共有することができるため、テンプレート画像の管理が容易になるという効果が得られる。

以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は、電子部品（以下、部品という）をプリント基板に搭載する部品実装機（マウンタ）１を概略示す図である。同図に示すように、吸着ノズル１３ａを備えた吸着ヘッド１３がＸ軸方向に移動できるようにＸ軸移動機構１１に取り付けられており、また、Ｘ軸移動機構１１はＹ軸方向に移動できるようにＹ軸移動機構１２に取り付けられ、それにより吸着ヘッド１３は、Ｘ、Ｙ軸方向に移動可能となる。

部品供給装置１４から供給される部品２は、吸着ヘッド１３により吸着され、搬送路１５に沿って搬送される基板１０の所定位置に搭載される。基板の位置ずれを認識するために、吸着ヘッド１３には、基板認識カメラ１７が搭載されており、また部品の吸着姿勢を認識するために部品認識カメラ１６が部品実装機１の底部に取り付けられている。

また、部品実装機１の前面上部には、装置の動作状態などを表示するオペレーションモニター１８が設けられており、装置全体の制御と、画像処理などを行う制御部１９が本体内に設けられている。制御部１９は、基板認識カメラ１７で撮影されたプリント基板１０の画像を処理して基板の位置ずれを算出し、また部品認識カメラ１６で撮像された部品画像に基づき部品吸着ずれを算出し、これらのずれを補正して部品２をプリント基板１０の所定位置に正しい姿勢で搭載する。

図２は部品実装機１の制御系の構成を示している。図１中の制御部１９は、図２のコントローラ２０、画像処理装置２７及び記憶装置３０などから構成される。

コントローラ２０は、装置全体を制御するマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、並びにＲＡＭ、ＲＯＭなどからなり、Ｘ軸移動機構１１の駆動源であるＸ軸モータ２１、Ｙ軸移動機構１２の駆動源であるＹ軸モータ２２、吸着ノズル１３ａをＺ軸方向（高さ方向）に昇降させるＺ軸モータ２３、吸着ノズル１３ａをそのノズル中心軸（吸着軸）を中心にして回転させるθ軸モータ２４を制御する。

また、コントローラ２０は、プリント基板１０を基板認識カメラ１７で撮像するとき、基板照明光源２５を点灯して基板１０を照明し、また吸着ノズル１３ａに吸着された部品２を撮像するときには、部品照明光源２６を点灯して部品２を照明する。

画像処理装置２７は、Ａ／Ｄ変換器２７ａ、ＣＰＵ２７ｂ、それに画像メモリ２７ｃ、テンプレートメモリ２７ｄ、データメモリ２７ｅなどの記憶手段から構成され、撮像装置としての基板認識カメラ１７で撮像された基板１０のアナログの画像信号は、Ａ／Ｄ変換器２７ａによりデジタル信号に変換されて画像メモリ２７ｃに格納される。ＣＰＵ２７ｂは、基板１０上に形成された基板マークの位置を検出して基板１０の位置を検出する。また、基板１０に基板マークが印刷されていない場合には、後述するように、テンプレートメモリ２７ｄに格納されたテンプレート画像とのパターンマッチングにより基板１０の位置を認識する。

また、部品認識カメラ１６で撮像された部品２のアナログの画像信号は、Ａ／Ｄ変換器２７ａによりデジタル信号に変換されて画像メモリ２７ｃに格納され、ＣＰＵ２７ｂが部品画像データに基づいて吸着された部品２の吸着中心に対する部品中心の位置ずれと吸着角度のずれを認識する。

なお、機種によっては、高精度な認識を要求されない部品を認識するために、レーザー発光部３５とレーザー受光部３６からなるレーザーユニットが吸着ノズル１３に搭載される。レーザー発光部３５からの発生するレーザー光で照射された部品２の影がレーザー受光部３６で受光され、部品中心と部品吸着角度が検出される。

コントローラ２０は、認識された基板の位置ずれ、部品の吸着ずれに基づき部品２の搭載位置を補正し、その補正された搭載位置に吸着ヘッド１３を移動させて部品２を搭載する。

キーボード２８とマウス２９は、部品データなどのデータを入力するために用いられる。記憶装置３０は、フラッシュメモリなどで構成され、キーボード２８とマウス２９により入力された部品データ、及び不図示のホストコンピュータから供給される部品データなどを格納するのに用いられる。

表示装置３１は、図１のモニタ１８に対応し、部品データ、演算データ、及び基板認識カメラ１７で撮像された基板１０の画像、部品認識カメラ１６で撮像した部品２の画像などを画面３１ａに表示する。

なお、煩雑さを避けるために、図２に示した基板照明光源２５、部品照明光源２６、レーザー発光部３５、レーザー受光部３６、キーボード２８やマウス２９などは、図１では図示が省略されている。

搬送路１５に沿って搬送されてくる基板１０は、所定の部品搭載位置に搬送されると、その位置で停止して固定される。このとき、基板１０は必ずしも正規の位置で固定されるわけではないので、吸着ヘッド１３を基板位置に移動させて、基板認識カメラ１７により基板１０が撮像され、その画像を処理することにより基板１０の位置決め（基板の位置検出）が行われ、基板に位置ずれがある場合には、この位置ずれが補正される。

本発明では、この基板の位置決めは、パターンマッチングにより行われる。そのために、位置決め用のパターンをテンプレート画像として画像処理装置２７のテンプレートメモリ２７ｄに予め登録する。基板に特定の位置決めマークが形成されている場合は、その位置決めマークの画像をテンプレート画像としてメモリ２７ｄに登録し、一方、特定の位置決めマークがない場合には、図３（Ａ）に示したように、基板１０内の任意の領域１０ａに含まれる基板上の回路パターンや特徴ある回路マークを位置決め用のテンプレートとする。そのため、基板１０を基板認識カメラ１７で撮像し、回路パターンや特徴ある回路マークが存在する領域１０ａを設定し、領域１０ａ内の画像を切り出して、それを、図３（Ｂ）に示したように、テンプレート画像Ａとしテンプレートメモリ２７ｄに登録する。そのとき、テンプレート画像Ａを取得した領域１０ａの位置データ（座標値）、テンプレート画像Ａを撮像した基板認識カメラ１７の光学的、機械的な諸元、光学倍率（スケーリング）などの撮像条件、それに基板認識カメラ１７の吸着ヘッド１３への取り付け角度などのデータを、テンプレート画像Ａと関連付けてデータメモリ２７ｅに登録する。なお、これらのデータは、記憶装置３０に格納して、データメモリ２７ｅにロードするようにしてもよい。

このような構成において、基板の位置検出を行う流れを図５、図６の流れに沿って説明する。

まず、部品実装機１において、基板１０を部品搭載位置に固定し（ステップＳ１）、吸着ヘッド１３を移動させて、基板認識カメラ１７で基板１０を撮像する。このときの基板１０の表示装置３１上の画像が図３（Ａ）に示されている。作業者は、この画像を見て特徴部位あるいは特徴的なパターンのある領域１０ａを設定し（ステップＳ２）、図３（Ｂ）に示したように、この領域１０ａ内の画像をテンプレート画像Ａとして取り込み（ステップＳ３）、それをテンプレートメモリ２７ｄに格納する（ステップＳ４）。このとき、基板１０を撮像した基板認識カメラ１７の光学倍率（スケーリング）、基板認識カメラ１７の取り付け角度をテンプレート画像Ａと関連付けてデータメモリ２７ｅに格納する。

ここで、基板認識カメラ１７の取り付け角度は、矩形の撮像面を水平にして（撮像光軸を垂直にして）、基板認識カメラ１７を吸着ヘッド１３に取り付けるものとして、撮像面の一辺がＸ軸あるいはＹ軸に対してなす角度であり、たとえば、Ｘ軸又はＹ軸を移動させて、Ｘ軸又はＹ軸に平行な直線上の同一部を撮像し、画像処理して直線の傾きを検出することにより、基板認識カメラ１７の取り付け角度を求めることができる。また、Ｘ軸又はＹ軸を移動させ、円形のマークなどを撮像し、基板認識カメラ１７の取り付け角度を求めるようにしてもよい。

次に、たとえば、異なるあるいは同一の基板認識カメラを吸着ヘッドに取り付けた他の部品実装機で、同一の基板の位置検出を行う際には、位置決めのためのテンプレートを新たに登録するのではなく、ステップＳ４で保存したテンプレート画像Ａ、その画像撮像時のカメラの光学倍率情報、カメラの取り付け角度を読み込み（図６のステップＳ１１）、他の部品実装機での基板認識カメラの倍率、取り付け角度に基づいてテンプレート画像Ａを変換して、新たなテンプレート画像を作成する。

具体的には、例えば、図３（Ｂ）で示すテンプレート画像Ａが、視野が６平方ｍｍ、取り付け角度が−０．１度の基板認識カメラを備えた部品実装機機械での基板の位置検出に使用されるテンプレートである場合、視野が６．６平方ｍｍ、取り付け角度が０．３度の基板認識カメラを備えた他の部品実装機でテンプレートマッチングを行うときには、テンプレート画像Ａを６．６／６倍に拡大し、（０．３−（−０．１））度の傾き補正をアフィン変換等の変換方式で行って、図４（Ｂ）に示したような拡大、回転したテンプレート画像Ｂを作成する（ステップＳ１２）。

このようにして作成されたテンプレート画像Ｂは、上記他の部品実装機の基板撮影カメラで撮像した図４（Ａ）に示す基板１０の画像の領域１０ａから作成したテンプレート画像に相当するので、基板の生産を開始し（ステップＳ１３）、このテンプレート画像Ｂを用いて、図４（Ａ）に示す基板画像と、テンプレート画像Ｂとのパターンマッチングにより、他の部品実装機での基板の位置検出（位置決め）を行う（ステップＳ１４）。

このように、新たに位置決めを行うカメラの光学倍率情報とカメラの取り付け角度情報を考慮してテンプレート画像を補正することにより、異なるカメラで撮像した画像と、補正されたテンプレート画像とのパターンマッチングをすることが可能となるので、他の部品実装機でのパターンマッチングによる位置検出精度を維持することができ、また、テンプレートを種々の機械ないし装置で共有することができるので、テンプレート作成過程が簡略化されるとともに、テンプレート画像の管理が容易になる。

なお、上述した実施例では、カメラの光学倍率情報とカメラの取り付け角度情報を考慮してテンプレート画像を補正ないし変換しているが、光学倍率が同じに設定されている場合には、カメラの取り付け角度情報のみを考慮してテンプレート画像を補正ないし変換するようにしてもよい。

また、上述した実施例では、対象物として、部品が搭載されるプリント基板を例示したが、これに限定されることなく、対象物を部品実装機で搭載する部品とすることもでき、部品画像に基づく部品認識（部品の位置検出）にも適用することができる。この場合には、カメラは部品認識カメラであるので、部品実装機での部品認識カメラ１６の光学倍率及び／取り付け角度に基づいて、すでに他の部品実施機において作成されているテンプレート画像の変換を行い、この変換されたテンプレート画像を用いてパターンマッチングを行うようにする。

部品実装機の外観を概略示した斜視図である。 部品実装機の制御系を示したブロック図である。 部品実装機で撮像された基板画像からテンプレート画像を取り込む状態を説明する説明図である。 他の部品実装機で撮像された基板の画像を示す説明図である。 テンプレート画像の取り込みの流れを説明するフローチャートである。 テンプレート画像の補正並びに補正されたテンプレート画像によるパターンマッチングの流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ プリント基板
１３ 吸着ノズル
１６ 部品認識カメラ
１７ 基板認識カメラ
２７ 画像処理装置

Claims (4)

1. パターンマッチングにより対象物の位置を検出する対象物の位置検出方法であって、
   撮像装置により対象物を撮像して、該撮像された画像の一部をテンプレート画像として登録し、
   一方向に平行な直線部を撮像し前記撮像装置に対する前記直線部の傾きを検出することにより前記撮像装置の取り付け角度を求め、
   対象物を撮像して前記テンプレート画像に基づいてパターンマッチングを行うとき、前記テンプレート画像を取得したときの前記撮像装置の取り付け角度とパターンマッチングのために前記対象物を撮像するときの撮像装置の取り付け角度に差があるときには、該取り付け角度の差に応じて前記登録したテンプレート画像を補正し、該補正したテンプレート画像とのパターンマッチングにより前記対象物の位置検出を行うことを特徴とする対象物の位置検出方法。
2. 前記テンプレート画像を取得したときの前記撮像装置の光学倍率とパターンマッチングのために対象物を撮像するときの前記撮像装置の光学倍率に差があるときには、更に、該光学倍率の差に応じた前記テンプレート画像の補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の対象物の位置検出方法。
3. パターンマッチングにより対象物の位置を検出する対象物の位置検出装置であって、
   撮像装置により撮像された対象物の画像の一部をテンプレート画像として記憶する記憶手段と、
   前記撮像装置の取り付け角度を記憶する記憶手段とを設け、
   一方向に平行な直線部を撮像し前記撮像装置に対する前記直線部の傾きを検出することにより前記撮像装置の取り付け角度を求めるように構成し、
   対象物を撮像して前記テンプレート画像に基づいてパターンマッチングを行うとき、前記テンプレート画像を取得したときの前記撮像装置の取り付け角度とパターンマッチングのために前記対象物を撮像するときの撮像装置の取り付け角度に差があるときには、該取り付け角度の差に応じて前記記憶したテンプレート画像を補正し、該補正したテンプレート画像とのパターンマッチングにより前記対象物の位置検出を行うことを特徴とする対象物の位置検出装置。
4. 前記テンプレート画像を取得したときの前記撮像装置の光学倍率とパターンマッチングのために対象物を撮像するときの前記撮像装置の光学倍率に差があるときには、更に、該光学倍率の差に応じた前記テンプレート画像の補正を行うことを特徴とする請求項３に記載の対象物の位置検出装置。

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