基于雙目視覺的插件元件針腳視覺定位裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了基于雙目視覺的插件元件針腳視覺定位裝置。該定位裝置配合直線運動裝置和旋轉運動裝置，通過兩個相機分別獲取元件其中兩個針腳的圖像，把兩個相機采集的針腳投影圖像傳到計算機分析，然后通過坐標轉換計算確定針腳在垂直于針腳平面的位置，即水平平面中針腳的位置。本實用新型所涉及的基于雙目視覺的插件元件針腳視覺定位裝置，其中包括兩個方向不同的相機、一個光源、氣缸夾持裝置、運動裝置。通過兩個方向的相機和一個光源組成的圖像采集裝置，配合直線運動裝置，采集元件針腳的圖像，通過兩個相機采集的針腳圖像對針腳進行定位，以及確定針腳姿態。
【專利說明】
基于雙目視覺的插件元件針腳視覺定位裝置
技術領域
[0001 ]本實用新型設及利用雙目視覺的非接觸方法對插件元件的針腳進行定位，從而對 插件元件進行定位，具體是一種基于雙目視覺的插件元件針腳視覺定位裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著電子產品的市場不斷發展，電子產品的生產效率需要不斷提高，生產的自動 化程度需要不斷提高。目前市場上的一部分電子產品，因為對體積的要求沒那么嚴格，為了 控制成本，廣泛應用插件元件。隨著電子產品需求量的不斷提高，人工插件的效率和質量已 經無法滿足目前的生產需要，需要通過自動化插件設備代替人工插件的過程，自動化插件 設備的核屯、技術是一種準確和快速的元件定位方法。
[0003] 目前利用機器視覺定位插件電子元件，有通過側面激光給針腳打光，利用底部相 機100采集針腳端部對光線的折射來定位針腳，如圖1所示。運種方法機械手101夾持待檢測 元件102,激光線光源103從待檢測元件的側面打光，線光源的光照到針腳底端部，經過針腳 底端部倒角反射光線進入鏡頭，在底部相機中成像。但是如果待檢測元件本體是白色，本體 反光和透光嚴重干擾針腳的定位，受本體顏色W及環境光線的限制較大；除此之外由于針 腳端部倒角工藝的不一致性，運些倒角的質量差異會影響定位的準確性。
[0004] 目前利用機器視覺定位電子元件，還有通過側面平行光103打光利用另一側的相 機100采集元件本體各方向的投影來確定元件的位置和姿態，如圖2、3所示。運種方法是用 吸盤101吸住電子元件102,經過元件側面平行光103打光，待檢測元件本體遮擋住一部分光 線，其他部位的光線進入在待檢測元件的另一側的鏡頭，在相機形成元件本體的投影圖像。 但是該方法只能通過吸盤吸取元件，因為需要通過元件本體的投影確定元件的位置和姿 態，所W不能通過機械手夾持待定位元件，所W無法應用于一些上表面不光滑的電子元件； 而且需要配合旋轉運動采集元件本體多個方向的投影圖像，不但計算量大，而且該定位方 法需要待檢測元件在檢測位停頓一定的時間配合旋轉運動采集多個方向的投影圖像，如果 使用到自動化插件設備，運種定位方法會使插件效率大大降低。對于一部分本體形狀不規 則或其針腳相對本體位置精度不高的插件元件，運種通過本體的定位方法，針腳定位的誤 差比較大，可能造成針腳無法插入電路板。

【發明內容】

[0005] 本實用新型的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供基于雙目視覺的插件元件 針腳視覺定位裝置，通過采集元件針腳的投影圖像，可W有效穩定地檢測所有針腳，不受待 檢測元件本體顏色和針腳端部倒角質量的影響；而通過對針腳直接進行定位，克服了本體 投影定位的精度缺點，W及需要通過旋轉元件采集不同方向圖像的效率低的缺點。
[0006] 為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：
[0007] 基于雙目視覺的插件元件針腳視覺定位裝置，該裝置包括兩個相機，一個光源，一 個直線運動裝置，一個夾持待定位元件的氣缸夾持機構;其中：
[0008] 兩個相機位于待定位元件的針腳的一側，光源位于待定位元件的另一側，光線通 過待定位元件的針腳區域，目標針腳的輪廓投影在相機成像，兩個相機采集的針腳投影圖 像可W確定針腳在兩個相機光軸所在平面的位置；
[0009] 氣缸夾持機構夾持待定位元件，由直線運動裝置控制待定位元件通過兩個相機和 光源之間的區域，通過控制直線運動裝置的速度使兩個相機都可W采集到目標針腳投影圖 像，由直線運動裝置的位移傳感器確定待定位元件的位置，返回信號給控制電腦控制相機 拍照和光源開關。
[0010] 上述方案進一步是:所述氣缸夾持機構與直線運動裝置通過旋轉運動機構橋接。
[0011] 上述方案進一步是:所述直線運動裝置為電機-絲桿直線運動機構，包括有伺服電 機、絲桿、絲桿螺母，絲桿螺母套裝在絲桿上，伺服電機驅動絲桿旋轉，絲桿螺母沿絲桿軸向 往復移動，絲桿螺母連接旋轉運動機構，旋轉運動機構再連接氣缸夾持機構。
[0012] 上述方案進一步是:所述電腦通過總線進行通信連接運動控制器、圖像采集卡、攝 像控制器、光源控制器，電腦設有圖像處理模塊、CPU、存儲器、人機接口，
[0013] 所述的運動控制器與所述直線運動裝置相連接;所述兩個相機與所述攝像控制器 連接，光源與光源控制器連接，所述攝像控制器用于實現所述兩個相機的圖像采集，所述光 源控制器用于實現所述光源的開關控制，用于配合相機采集圖像;所述兩個相機的信號輸 出端與所述圖像采集卡分別連接，所述圖像采集卡用于將相機采集的數字圖像信號送給所 述CPU處理或到所述存儲器保存;所述直線運動裝置的位移傳感器與I/O 口連接，反饋待檢 測元件的位置給CPU,用于控制相機和光源工作。
[0014] 本實用新型與現有技術相比，具有W下優點和有益效果：
[0015] (1)本視覺定位方法通過兩個光軸與針腳垂直的相機可W檢測出待檢測元件針腳 在水平面中的位置W及元件的姿態。
[0016] (2)本視覺定位方法結合直線運動機構，使得相機可W在機械手抓取電子元件運 動的過程中采集元件針腳的投影圖像，不需要通過旋轉獲得各個角度的圖像信息，可W大 大節省插件元件的定位檢測時間。
[0017] (3)本視覺定位方法通過背光打光的方式，利用針腳的投影圖像對待檢測元件的 針腳進行定位，避免了待檢測元件本體透光和反光W及針腳端部倒角質量對針腳定位效果 的影響。
[0018] (4)本視覺定位方法通過直接采集元件針腳的圖像來定位元件，有效消除了通過 元件本體的圖像來定位元件位置的誤差，大大提高了元件定位的精準度。
[0019] 巧)本實用新型可用于插件技術行業的高速高精度自動光學檢測。
【附圖說明】 [0020] ：
[0021] 下面結合附圖及實施案例對本實用新型作進一步描述：
[0022] 圖1為現有側面激光打光針腳定位裝置簡圖；
[0023] 圖2為現有電子元件本體定位裝置簡圖；
[0024] 圖3為圖2的仰視簡圖；
[0025] 圖4為本實用新型元件定位裝置正視圖；
[0026] 圖5為本實用新型元件定位裝置上視圖；
[0027] 圖6為普通鏡頭針孔成像模型；
[00%]圖7為雙普通鏡頭相機坐標系；
[00巧]圖8為雙相機坐標系W及垂直坐標系；
[0030]圖9為垂直坐標系W及世界坐標系；
[0031 ]圖10為兩個針腳定位示意圖；
[0032] 圖11為雙遠屯、鏡頭相機坐標系；
[0033] 圖12本實用新型檢測系統構框圖。
【具體實施方式】 [0034] ：
[0035] 下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施 方式不限于此。
[0036] 參閱圖4~12所示，本實用新型針對上述方法提供的基于雙目視覺的插件元件針腳 視覺定位裝置包括兩個相機6、7，一個光源8，一個直線運動裝置，一個夾持待定位元件的氣 缸夾持機構4;其中：
[0037] 兩個相機6、7位于待定位元件5的針腳的一側，光源8位于待定位元件5的另一側， 光線通過待定位元件的針腳區域，目標針腳51的輪廓投影在相機成像，兩個相機采集的針 腳投影圖像可W確定針腳在兩個相機光軸所在平面的位置；
[0038] 氣缸夾持機構4夾持待定位元件，由直線運動裝置控制待定位元件通過兩個相機 和光源之間的區域，通過控制直線運動裝置的速度使兩個相機都可W采集到目標針腳51投 影圖像，由直線運動裝置的位移傳感器確定待定位元件的位置，返回信號給控制電腦控制 相機拍照和光源開關。
[0039] 實施例1:
[0040] 如圖4、5所示，本裝置包括相機6、相機7,光源8,氣缸夾持機構4及直線運動裝置。 氣缸夾持機構4與直線運動裝置通過旋轉運動機構3橋接。所述直線運動裝置為電機-絲桿 直線運動機構，包括有伺服電機11、絲桿9、絲桿螺母2,絲桿9通過滾動軸承10安裝在支架1 上，絲桿螺母2套裝在絲桿9上，伺服電機U驅動絲桿9旋轉，絲桿螺母2沿絲桿軸向往復移 動，絲桿螺母2連接旋轉運動機構3,旋轉運動機構3再連接氣缸夾持機構4。如圖12所示，所 述電腦通過總線進行通信連接運動控制器、圖像采集卡、攝像控制器、光源控制器，電腦設 有圖像處理模塊、CPU、存儲器、人機接口，所述的運動控制器與所述直線運動裝置相連接； 所述兩個相機與所述攝像控制器連接，光源與光源控制器連接，所述攝像控制器用于實現 所述兩個方向相機的圖像采集，所述光源控制器用于實現所述光源的開關控制，用于配合 相機采集圖像;所述兩個方向相機的信號輸出端與所述圖像采集卡分別連接，所述圖像采 集卡用于將相機采集的數字圖像信號送給所述CPU處理或到所述存儲器保存;所述直線運 動裝置上的伺服電機11的位移傳感器與I/O口連接，反饋待檢測元件的位置給CPU,用于控 制相機和光源工作。
[0041] 相機和光源分別位于待定位元件的兩側，光線垂直于待檢測元件的運動方向，相 機6和相機7成一定角度分布。相機6和相機7的鏡頭的光軸都垂直于待定位元件針腳的方 向，且相機6和相機7的鏡頭的光軸位于同一水平面，如圖7所示的s-0-t平面。
[0042] 氣缸夾持機構4夾持待檢測元件，先控制旋轉運動機構3旋轉一定角度，使得相機6 和相機7采集的目標針腳無其他針腳的重疊。然后由電機-絲桿直線運動機構驅動待檢測元 件直線通過相機和光源之間的區域。由伺服電機的位移傳感器獲取直線運動機構的位置， 將該位置信號反饋給工控電腦，用該位置信號控制相機6和相機巧白照，W及作為光源8開關 的信號源，即當待定位原件運動到指定位置時，光源8打開，相機6和相機7拍照，然后電機- 絲桿直線運動機構繼續向前運動，運動一定距離后，待定位元件的第二個目標針腳到達兩 個相機的拍照區域后，由伺服電機的位移傳感器的信號反饋給工控電腦控制相機6和相機7 拍照，然后關閉光源8。
[0043] 本圖像采集裝置采集圖像的原理:光線從待檢測元件的一側穿過針腳區域，針腳 遮擋住一部分光線，在相機上成黑色投影區域，其余透光部位在相機上成白色區域，結合相 機6和相機7中針腳的投影圖像可W對元件針腳進行定位。
[0044] 如圖12所示，采用上述基于雙目視覺的插件元件針腳視覺定位裝置。電腦通過總 線進行通信連接運動控制器、圖像采集卡、攝像控制器、光源控制器，其中：攝像控制器分別 與相機6和相機7連接，控制相機6和相機7圖像采集;光源控制器與光源8連接，控制光源8。 圖像采集卡與相機6和相機7的信號輸出連接，將相機采集的數字圖像信號送給CPU處理或 保存到存儲器。運動控制器與所述直線運動裝置相連接，用于控制直線運動。直線運動裝置 的伺服電機位移傳感器與I/O 口連接，反饋待檢測元件的位置給CPU,相機6、相機7和光源8 根據傳感器的信號采集圖像，圖像采集過程由程序自動控制完成，采集的圖像和處理結果 保存在存儲器內，用于確定兩個針腳的位置關系。
[0045] 電腦對采集的圖像進行二值化，然后對二值圖像進行分析，找出需要定位的針腳， 然后對坐標系進行轉換，最終得到元件針腳在世界坐標系中的位置W及元件的姿態。
[0046] 實施例2:
[0047] 基于實施例1，本雙目視覺元件定位系統還包括針腳定位和坐標轉換方法，W及元 件姿態的確定方法：
[0048] 因為每個相機和鏡頭的參數都不一樣，所W在定位針腳前需要標定相機的內和外 參數，本實用新型的元件針腳定位方法需要標定的內參數包括鏡頭相機焦距W及相機的忍 片單位像素的尺寸。除了相機內參數的標定，還需要標定相機的外參數，確定兩個相機光軸 的夾角，W及通過標定確定鏡頭光學中屯、在世界坐標系中的位置，然后再確定兩個相機的 光學中屯、距離雙相機坐標系s-0-t的原點0的距離。
[0049] 如圖6所示，普通鏡頭是小孔成像模型，結合相機6的鏡頭和相機7的鏡頭兩個小孔 成像模型，確定針腳的投影在圖像中的位置，即針腳投影圖像在圖像坐標系中的位置。通過 小孔成像模型可W換算出待定位針腳在兩個相機構成的相機坐標系中的位置坐標P(s，t)。
[0050] 然后將針腳位置轉換到如圖8所示坐標軸相互垂直的坐標系x-0-y中，假設該坐標 系的X軸與相機坐標系的S軸平行，原點與s-0-t坐標系重合。由相機坐標系（s，t)轉換到X- 0-y坐標系的公式為：
[0化1 ]
[0052]假設世界坐標系k-O'-w的k軸與元件運動方向平行，然后將P點在x-0-y坐標系轉 換到的坐標系k-O'-w中，如圖9所示，轉換后得到針腳P在k-O'-w坐標系中的表示P(k，w)，轉 換公式天
[0053]目前為止，只確定了一個針腳在世界坐標系中的位置，記第一個定位的針腳在世 界坐標系下的位置坐標為化l，wl)，下一步要通過兩個針腳的位置確定元件幾何中屯、的位 置和元件的姿態。機械手繼續夾持待定位元件運動，記錄該距離為d，第一個針腳運動到位 置P'化l-d，wl)，如圖10所示，然后再對第二個針腳進行拍照，然后再通過前面的方法確定 第二個針腳的位置Q化2，w2)。然后通過運兩個針腳的位置計算出元件幾何中屯、的位置W及 元件的姿態。
[0化4] 實施例3:
[0055] 圖11所示基于實施例1的遠屯、鏡頭雙目視覺插件元件定位方法：
[0056] 普通鏡頭成像原理是基于圖6的小孔成像模型，需要通過相機的內外參數用小孔 成像模型經過較復雜的計算才可W得到針腳在雙相機坐標s-0-t中的坐標。如果在該雙目 視覺插件元件定位系統中使用兩個遠屯、鏡頭，遠屯、鏡頭是一種平行光的成像模型，通過遠 屯、鏡頭獲得針腳的投影圖像，遠屯、鏡頭成像模型的計算更加簡單，可W進一步簡化圖像坐 標系轉換到雙相機坐標系s-0-t的過程。而且遠屯、鏡頭可W有效減少鏡頭成像的崎變，可W 進一步簡化計算過程W及提高雙目視覺插件元件定位系統的定位精度。
[0化7] 實施例4:
[005引基于實施例1，本圖像采集裝置需要保證兩個針腳都可W檢測到：
[0059] 在機械手抓取待定位元件后需要旋轉一定的角度，使得兩個相機獲取的元件兩個 目標針腳的投影圖像沒有其他針腳重疊，具體角度需要根據待定位元件的針腳分布和針腳 寬度確定。旋轉運動機構就是為了保證兩個目標針腳沒有其他針腳重疊，從而保證定位精 度。
[0060] 氣缸夾持機構夾持元件旋轉一定角度后，接著做直線運動，目標針腳運動至可檢 測區域，即兩個相機都可W拍到的區域，如圖5中的綠色陰影區域所示，然后光源打開，兩個 相機給第一個目標針腳拍照。接著電機-絲桿直線運動機構控制機械手繼續做直線運動，直 到待定位元件的第二個目標針腳到達可檢測區域，兩個相機分別給第二個目標針腳拍照， 保證兩個目標針腳都可W檢測得到。
【主權項】
1. 基于雙目視覺的插件元件針腳視覺定位裝置，其特征在于:該裝置包括兩個相機，一 個光源，一個直線運動裝置，一個夾持待定位元件的氣缸夾持機構;其中： 兩個相機位于待定位元件的針腳的一側，光源位于待定位元件的另一側，光線通過待 定位元件的針腳區域，目標針腳的輪廓投影在相機成像，兩個相機采集的針腳投影圖像可 以確定針腳在兩個相機光軸所在平面的位置； 氣缸夾持機構夾持待定位元件，由直線運動裝置控制待定位元件通過兩個相機和光源 之間的區域，通過控制直線運動裝置的速度使兩個相機都可以采集到目標針腳投影圖像， 由直線運動裝置的位移傳感器確定待定位元件的位置，返回信號給控制電腦控制相機拍照 和光源開關。2. 根據權利要求1所述的基于雙目視覺的插件元件針腳視覺定位裝置，其特征在于:所 述氣缸夾持機構與直線運動裝置通過旋轉運動機構橋接。3. 根據權利要求2所述的基于雙目視覺的插件元件針腳視覺定位裝置，其特征在于:所 述直線運動裝置為電機-絲桿直線運動機構，包括有伺服電機、絲桿、絲桿螺母，絲桿螺母套 裝在絲桿上，伺服電機驅動絲桿旋轉，絲桿螺母沿絲桿軸向往復移動，絲桿螺母連接旋轉運 動機構，旋轉運動機構再連接氣缸夾持機構。4. 根據權利要求1所述的基于雙目視覺的插件元件針腳視覺定位裝置，其特征在于:所 述電腦分別通過總線進行通信連接運動控制器、圖像采集卡、攝像控制器、光源控制器，電 腦設有圖像處理模塊、CPU、存儲器、人機接口； 所述的運動控制器與所述直線運動裝置相連接;所述兩個相機與所述攝像控制器連 接，光源與光源控制器連接，所述攝像控制器用于實現所述兩個相機的圖像采集，所述光源 控制器用于實現所述光源的開關控制，用于配合相機采集圖像;所述兩個相機的信號輸出 端與所述圖像采集卡連接，所述圖像采集卡用于將相機采集的數字圖像信號送給所述CPU 處理或到所述存儲器保存;所述直線運動裝置的位移傳感器與I/O 口連接，反饋待檢測元件 的位置給CPU，用于控制相機和光源工作。
【文檔編號】G01B11/00GK205482791SQ201620048726
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月19日
【發明人】屠國權, 鄺泳聰, 歐陽高飛, 梁經倫, 李家裕
【申請人】東莞市德速達精密設備有限公司, 華南理工大學, 東莞理工學院