Thông tin PCB - Thiết kế hệ thống phát hiện tự động bảng mạch PCB dựa trên xử lý hình ảnh

Một hệ thống phát hiện quang học tự động lỗi PCB có độ chính xác cao, quy mô lớn, nhanh chóng và thời gian thực đã được nghiên cứu và cấu trúc phần cứng và hệ thống phần mềm được thiết kế tương ứng. Hệ thống này chủ yếu bao gồm nền tảng chuyển động hai chiều, mô-đun điều khiển động cơ, mô-đun thu thập hình ảnh, mô-đun xử lý hình ảnh và mô-đun phân tích kết quả. Các chế độ lái động cơ bước được cải thiện, ổ đĩa phân đoạn và thuật toán nhận dạng hình ảnh được cải thiện đảm bảo độ chính xác của hệ thống và thiết kế phát hiện tự động bằng một cú nhấp chuột giúp tăng tốc độ phát hiện. Kết quả thí nghiệm cho thấy hệ thống có thể phát hiện các khuyết tật trên bảng mạch PCB một cách nhanh chóng và chính xác, có giá trị thực tế và giá trị phát triển nhất định.

Bảng mạch in của các sản phẩm điện tử là phương tiện truyền tải thông tin tích hợp các thành phần điện tử khác nhau. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau và là một phần không thể thiếu của thiết bị điện tử. Chất lượng của bảng mạch PCB đã trở thành yếu tố quyết định cho công việc lâu dài, bình thường và đáng tin cậy của các sản phẩm điện tử. Với sự phát triển của khoa học và công nghệ, xu hướng phát triển mật độ cao, độ phức tạp cao và hiệu suất cao của các sản phẩm bảng mạch PCB liên tục thách thức việc kiểm tra chất lượng của bảng mạch PCB.

Do hạn chế truy cập, chi phí cao và hiệu quả thấp, các phương pháp phát hiện lỗi PCB truyền thống đã dần không đáp ứng được nhu cầu phát hiện hiện đại. Do đó, nghiên cứu và thực hiện hệ thống phát hiện tự động khiếm khuyết PCB có giá trị học thuật và kinh tế quan trọng. Trong nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ phát hiện khuyết tật PCB board, công nghệ AOI (Automatic Optical Inspection, Automatic Optical Inspection) ngày càng được chú ý, phương pháp phát hiện dựa trên xử lý hình ảnh cũng trở thành dòng chính của phát hiện quang học tự động. Thông qua công nghệ xử lý hình ảnh, bài viết này nghiên cứu một trường nhìn lớn, độ chính xác cao, thời gian thực nhanh chóng của hệ thống tự động phát hiện lỗi PCB board và thiết kế cấu trúc phần cứng và quy trình thuật toán phần mềm. Cải thiện đáng kể tốc độ phát hiện của hệ thống và cải thiện thuật toán nhận dạng lỗi của mô-đun phân tích kết quả bằng cách cải thiện chế độ lái xe động cơ và thiết kế phần mềm phát hiện tự động một chạm.

1. Cấu trúc hệ thống Hệ thống phát hiện khuyết tật bảng PCB tự động chủ yếu bao gồm mô-đun điều khiển chuyển động, mô-đun thu thập hình ảnh, mô-đun xử lý hình ảnh và mô-đun phân tích kết quả. Quá trình làm việc của hệ thống này như sau: máy phía trên điều khiển chuyển động của động cơ bước, động cơ bước điều khiển chuyển động của nền tảng hai chiều, truyền camera CCD lên đỉnh PCB được phát hiện và thu thập hình ảnh của cảnh lớn trên PCB, hình ảnh thu thập được gửi đến thẻ thu thập hình ảnh. Phần mềm máy chủ thực hiện ghép nối và tiền xử lý hình ảnh thu được, định vị chính xác và hiệu chuẩn hình ảnh sau khi xử lý, khớp mẫu và nhận dạng hình ảnh thông qua phân vùng hình ảnh, xử lý hình thái hình ảnh, v.v., để có được kết quả phát hiện khiếm khuyết. Thiết kế hệ thống bao gồm thiết kế phần cứng và thiết kế phần mềm. Hệ thống phần mềm và phần cứng phối hợp làm việc, hình thành một tổng thể. Thiết kế phần cứng hệ thống Thiết kế phần cứng của hệ thống phát hiện tự động khuyết tật bảng mạch PCB chủ yếu bao gồm nền tảng chuyển động hai chiều, bảng điều khiển chuyển động động cơ, bảng điều khiển động cơ, máy ảnh CCD, thẻ thu thập hình ảnh và máy PC.

2.1 Máy ảnh CCD và bộ thu khung Các thông số tính năng chính của máy ảnh CCD bao gồm định dạng máy ảnh, kích thước bề mặt nhạy sáng, kích thước pixel, độ phân giải, tốc độ màn trập điện tử, phương pháp hệ thống đồng bộ, độ sáng, độ nhạy, tỷ lệ tín hiệu nhiễu, v.v. Định dạng máy ảnh và phát hiện trực tuyến xác định tần số lấy mẫu của thẻ thu thập hình ảnh. Sự cân bằng của kích thước bề mặt nhạy sáng, kích thước pixel, độ phân giải và độ phóng đại của hệ thống ống kính hình ảnh phụ thuộc vào phạm vi đo và độ chính xác của phép đo. Xem xét các yếu tố trên và các yêu cầu hệ thống, bộ thu khung, còn được gọi là thẻ quay video, là một loại thẻ video. Chức năng chính của thẻ thu thập khung hình là chuyển đổi tín hiệu video analog liên tục của máy ảnh thành một lượng kỹ thuật số rời rạc. Nguyên tắc cơ bản của nó là: tín hiệu đầu ra video ở các định dạng khác nhau của đầu ra máy ảnh được xử lý bằng mô-đun lựa chọn đầu vào để tạo thành tín hiệu video mà thẻ thu thập hình ảnh có thể nhận ra. Sau khi tín hiệu video analog được chuyển đổi, được lưu trữ trong bộ nhớ đệm khung trên thẻ, việc truyền hình ảnh cụ thể được điều khiển bởi CPU máy tính thông qua bus máy tính và cuối cùng được lưu trữ trong bộ nhớ hoặc ổ cứng của máy tính để xử lý hình ảnh. Mô hình thẻ thu thập hình ảnh được sử dụng trong thiết kế này là NV7004-N, nó chuyển đổi tín hiệu analog của máy ảnh CCD thành tín hiệu kỹ thuật số và truyền đến máy chủ để hiển thị thời gian thực, có thể hoàn thành chức năng thu thập hình ảnh.

2.2 Bộ điều khiển chuyển động động cơ và nền tảng chuyển động hai chiều chính xác Hệ thống phát hiện tự động khuyết tật bảng PCB là bảng điều khiển MCU được thiết kế riêng. Chip là chip đơn AT89S52 do công ty ATMEL sản xuất. Bảng điều khiển giao tiếp với máy chủ phía trên thông qua giao diện truyền thông nối tiếp RS-232. Bằng cách vận hành giới hạn người-máy để gửi lệnh cho bảng điều khiển, bảng điều khiển xuất tín hiệu điều khiển và tín hiệu sóng vuông ở các tần số khác nhau đến bảng điều khiển động cơ bước, điều khiển tốc độ, hướng và khoảng cách di chuyển của động cơ bước. Nền tảng chuyển động hai chiều được xây dựng bởi hai hướng dẫn chuyển động chính xác được sản xuất bởi công ty SUS của Nhật Bản. Hướng dẫn chuyển động là loại vít bi, độ chính xác cao và lỗi nhỏ. Động cơ bước được kết nối với đường ray chuyển động để điều khiển chuyển động của đường ray. Stepper Motor là một động cơ bước hỗn hợp hai pha bốn dây được sản xuất bởi công ty Tamagawa của Nhật Bản. Loại động cơ bước này hoạt động ổn định và tiếng ồn thấp.

2.3 Ổ đĩa động cơ Trên thực tế, ổ đĩa của động cơ bước là điều khiển dòng điện của cuộn dây kích thích mỗi pha của động cơ bước, làm cho hướng tổng hợp của từ trường bên trong động cơ bước thay đổi, do đó làm cho động cơ bước quay. Kích thước của vectơ từ trường tổng hợp được tạo ra bởi dòng điện của cuộn dây kích thích từng pha xác định mô-men xoắn quay của động cơ bước và góc kẹp giữa hai vectơ từ trường tổng hợp liền kề xác định góc bước. Hai khái niệm quan trọng của động cơ bước đã được giới thiệu: góc cao độ và góc bước. Góc của động cơ bước đề cập đến góc giữa hai từ trường ổn định liền kề trong khi động cơ bước đang hoạt động. Góc bước đề cập đến rôto của động cơ bước tương ứng với sự dịch chuyển góc của vòng quay tín hiệu xung.

Góc bước không chỉ liên quan đến số răng của động cơ mà còn liên quan đến số lần đập của động cơ. Góc nghiêng mái chèo z và góc bước n của động cơ bước có thể được biểu thị như sau: Sự phân chia động cơ bước là một vòng quay dương nghiêm ngặt dựa trên tính đối xứng lý tưởng của từng pha cuộn dây của động cơ bước và đặc tính góc nghiêng mái chèo. Kích thước và tỷ lệ của dòng điện trong cuộn dây làm giảm góc bước xuống một vài phần trăm ban đầu, do đó cải thiện độ phân giải của động cơ bước. Lấy động cơ bước hai pha làm ví dụ, nếu số răng của động cơ là 50 và số nhịp chạy là chế độ bốn nhịp đơn, thì góc bước là 360 độ (50 * 4)=1,8 độ (thường được gọi là bước đầy đủ), 8 khi chụp, góc bước là 360 độ/(50 * 8)=0,9 độ (thường được gọi là nửa bước 0). Góc bước n tăng gấp đôi so với chế độ bốn nhịp, đạt được sự phân chia thứ cấp của góc bước. Trong trường hợp một số nhịp nhất định, số răng càng nhiều, góc bước càng nhỏ, nhưng do hạn chế của quy trình sản xuất, số răng không thể làm nhiều, vì vậy góc bước của động cơ bước không thể lớn. Rất nhỏ.

Góc bước cũng có thể được thay đổi bằng cách thay đổi số lần đập của động cơ bước. Số nhịp đập là số xung hoặc trạng thái dẫn điện cần thiết để hoàn thành sự thay đổi định kỳ của từ trường, hoặc số xung cần thiết để động cơ quay qua các góc của mái chèo. Khi số pha của động cơ điện được xác định, số nhịp đập cũng được xác định. Giảm góc bước bằng cách tăng số răng và pha của động cơ bước, mức độ giảm rất hạn chế và rất khó để đáp ứng các yêu cầu sản xuất. Phương pháp thường được sử dụng để lái xe phân chia động cơ là phương pháp quay đồng đều vector hiện tại. Phương pháp quay đồng đều vectơ hiện tại có thể làm cho góc bước đồng đều sau khi phân chia và mô-men xoắn đầu ra không đổi.

Phương pháp cụ thể là làm cho các cuộn dây pha của chúng đi qua sự khác biệt pha một cách riêng biệt. Nếu dòng sin là 2Ím và biên độ bằng nhau, vectơ kết hợp hiện tại hoặc vectơ từ trường sẽ quay trong không gian và biên độ của vectơ kết hợp sẽ không thay đổi. Ví dụ, đối với động cơ bước hỗn hợp bốn pha, cuộn dây pha được cung cấp với dòng sóng sin với sự khác biệt pha là Í/2 và biên độ bằng nhau. Để có được càng nhiều từ trường tổng hợp tròn càng tốt và thay đổi đồng đều góc bước, lý tưởng nhất là sử dụng dạng sóng sin bước làm tín hiệu tham chiếu hiện tại cho mỗi cuộn dây pha.

Lấy 8 phân đoạn của động cơ bước bốn pha làm ví dụ, chèn 7 trạng thái trung gian ổn định vào mỗi pha. Sau khi chia nhỏ, dòng điện ở mỗi pha tăng hoặc giảm ở 1/4 bước. Góc này sẽ được thực hiện trong 8 bước và có thể đạt được 8 phân đoạn của góc bậc thang. Sự phân chia càng nhiều, sự thay đổi dòng điện càng nhỏ, điều này làm giảm đáng kể độ rung và tiếng ồn của động cơ. Khi sử dụng sóng sin bước để phân chia dòng điện, bước càng nhiều (nghĩa là càng phân chia), dạng sóng càng gần với sóng sin, dòng điện bước càng nhỏ và góc bước càng nhỏ. Điều này làm giảm đáng kể tỷ lệ tổn thất bước khi chạy động cơ bước. Nó làm giảm tiếng ồn và độ rung khi chạy động cơ bước và cũng làm cho động cơ bước hoạt động ổn định hơn và dễ dàng điều khiển bảng PCB hơn.