光学对准系统的维护与保养

2.3　光学对准系统的维护与保养

锡膏印刷机装有光学视觉系统（或者说光学对准系统），通过摄像头（camera）对PCB基板和网板上的对准标志（mark／fiducial）进行识别，实现钢板开孔与PCB焊盘的自动对准，CCD摄像头的X、Y方向均采用高精度伺服电机，配合高精度的滚珠丝杆（ball screw），共同保证抓取图像的精确性，从而保证机器的精度。印刷机重复精度高，在配有PCB自动装载系统后，能实现全自动运行。

如果印刷机未配备视觉系统，将难以找到网板与PCB的平行面，人工识别标志有助于网板的水平设置。识别标志可以是任何形状，一般来说用2．54mm（0．100in）的方块就够了，在网板的对角上与PCB一样，有两个识别标志。使用时，将PCB置于印刷机内并将PCB及钢板的识别标志对齐即可，此识别标志亦可作为一个过程控制的工具。例如，将锡膏或粘胶涂在识别标志上可进行平整性、厚度及边界的检查，胜过做整块板的全检。

本任务要求熟悉锡膏印刷机光学对准系统的构成和原理，并会对印刷机光学对准系统进行设置和维护。

任务要点

☆熟悉光学视觉系统的组成结构

☆熟悉光学视觉系统的常见故障及诊断方法

☆掌握光学视觉系统的设置

1．光学视觉系统的组成结构

印刷机视觉系统主要用于识别PCB基板标志点（mark／fiducial）和网板上的标志点（mark／fiducial），它通过在X轴和Y轴方向的移动来定位摄像头，可以实现如下功能。

（1）基板停止移动。

（2）mark点的捕获（用于网板和基板对准）。

（3）位置的捕获（用于印刷锡膏之前及印刷锡膏之后，作二维图形检测）。

摄像头的定位是在X轴和Y轴驱动机构共同作用下执行的，驱动机构有两种：线性伺服电机系统和旋转伺服电机系统。如图2－23所示的是旋转伺服电机系统，其摄像头旋转伺服电机系统结构说明如表2－15所示；如图2－24所示的是线性伺服电机系统，摄像头线性伺服电机系统结构的说明如表2－16所示。摄像头装置由以下三部分构成。

图2－23　旋转伺服电机系统结构

表2－15　摄像头旋转伺服电机系统结构说明

图2－24　线性伺服电机系统结构图

表2－16　摄像头线性伺服电机系统结构说明

（1）摄像头悬挂式基板停止（camera mounted board stop）。

（2）基板停止传感器（board at stop sensor）。

（3）基板停止扩展传感器（board stop extended sensor）。

摄像头悬挂式基板停止（camera mounted board stop）：为一个气路驱动单元，当基板运动到预定的位置时，气缸下降使基板停止运动，夹板器夹紧基板并开始进行视觉校准。

基板停止传感器（board at stop sensor）：基板停止挡住光源，基板停止传感器感因背景受抑而形成光电子，从而检测基板何时到达基板停止（board stop）处。当检测到基板位于预定位置时，就启动定时器从而控制何时使输送带停止运转，并用夹板器夹住基板。

基板停止扩展传感器（board stop extended sensor）：配置基板停止扩展传感器是为了确保当需要摄像头载体移动时，camera mounted board stop一定是抬起状态。

摄像头位置是相对摄像头原点位置（camera home position）而言的，摄像头每个主轴仅仅只在初始化时才设置基准位置，以便断开电源或退出系统时用来诊断故障。

摄像头位置的调节与设置方法如下。

（1）摄像头原点位置X：由于传感器和叶片的位置是固定的，所以摄像头原点位置X不需调节。

（2）摄像头原点位置Y：由于传感器和叶片的位置是固定的，所以摄像头原点位置Y不需调节。

（3）X轴平行：X轴平行是由生产厂商设置好的，通常是不需要调节的。

（4）Y轴平行：用于旋转与线性电机驱动的Y轴平行也是由生产厂商设置好的，通常也不需要调节。

CCD摄像头（charge coupled device，电荷耦合摄像头）通过拍摄基板或网板mark点图像，将其转化为数字信号，再采用计算机硬件与软件技术对图像的数字信号进行处理，从而得到所需要的各种目标图像特征值，并在此基础上实现模式识别、坐标计算、数据转换、数据输出四大部分。图像采集由CCD摄像头、光源、视频图像采集卡和计算机组成；图像处理主要通过软件编程完成图像的噪声去除、几何变换和定位；数据转换是把采集到的数字图像数据转换为mark点特征值；数据输出主要是将转换后的数据计算得到的数据输出，并进行mark点的显示。摄像头在伺服电机的驱动下，沿X、Y轴滚珠丝杆做相应的运动。图2－23中的board at stop sensor是一只带有止挡器的气缸，当摄像头照射到基板时，气缸止挡器下降，挡住基板，完成基板定位。

摄像头载体同时也为网板下的清洗器提供驱动机制。

PCB沿输送带被送入锡膏印刷机，机器自动寻找PCB的主要边，并且进行定位。Z形架向上移动至真空板的位置，加入真空，牢固地固定PCB在预定的位置。摄像头慢慢移动至PCB的第一个目标mark（基准点）后，机器可移动网板使其对准PCB，并且机器可使网板在X、Y轴方向移动和在θ轴方向转动，如图2－14所示。一旦网板和PCB对准，Z形架将向上移动，带动PCB接触网板的下面，为锡膏印刷做好前期准备工作。

2．常见故障、诊断及处理方法

光学对准系统的常见故障、诊断及处理方法见表2－17。

表2－17　常见故障的分析与处理

3．光学视觉系统的设置

开机操作主界面如图2－25所示。

图2－25　开机操作主界面

主界面中各项的功能简单介绍如下。

●Mode（印刷模式）：有Auto（自动），No Print（过板），Single（只刷一块板），Step（手动）等共四种。

●Product（程式名）：23C012A，代表PCB料号为K023C012，版本为A。

●Temperature（温度）。

●Humidity（相对湿度）。

●Cycle Time：14．49s：18．04s，其中14．49s为印刷上一块PCB所花的时间（不包括等板时间）。

●Front Print Speed（前印刷速度）。

●Rear Print Speed（后印刷速度）。

●Front Pressure（前刮刀压力）。

●Rear Pressure（后刮刀压力）。

●Separation Speed（分离速度）。

●Clean 1Count Rate：4／10，擦拭频率为每刷10块PCB板，擦拭1次网板，现在已经擦拭了4块PCB板。

●Print Direction（印刷方向）：Reverse为向后印刷，Forward为向前印刷。

（1）在主界面中，单击【Setup】按钮，如下所示。

其中各项的功能简介如下。

●Run：运行程式。

●Open Cover：打开安全盖。

●Paste load：添加锡膏。

●Clean Screen：擦拭网板。

●Adjust：校正PCB与网板。

●Setup：设置。

●Monitor：监视器。

●Maint：维护。

（2）单击【Mode】按钮，使主界面左上角的Mode项在Auto，No Print，Single，Step四个选项中轮换选择。

其中各项的功能简介如下。

●Auto：自动印刷模式。

●No Print：不印刷。

●Single：印刷一次。

●Step：单步印刷模式（选Step模式）。

（3）选择完成后，单击【Exit】按钮，返回主菜单。

（4）在主菜单中单击【Run】按钮，打开如下菜单，选择【Auto Board】命令，如下所示。

（5）打开如图2－26所示的窗口，选择【Step】命令。

图2－26　开机操作主界面2

即在下面的菜单中选择【Step】命令。

●如果mark点位置偏移较多，可单击【Adjust】按钮调整mark点坐标，使mark点的设定位置和实际位置重合，并给出正确的mark点尺寸。

●如果界面上找不到mark点，可通过【Search Step】手动寻找mark点，直至找到为止。如果错过mark点，可单击【Search Reset】按钮对搜寻位置进行复位。

（6）如标示点位置尚可，则单击【Fiducial Setup】按钮，进入如图2－27所示的界面。

●将mark点类型Fiducial Type调成相应的形状，Circle（圆形），或者Rectangle（方形）。

●将mark点背景Background调成相应的Dark（黑色），或者Light（白色）。

●将视觉范围（Accept Score）调成500（当机器识别mark点的分数小于该视觉范围时将报警，不能印刷）。该视觉范围可根据实际情况进行更改。

下面介绍一下圆形mark点光学视觉系统的设置过程，本设置操作规程可应用于各种形状的mark点设置。

①电脑终端显示器显示的界面如图2－28所示。

②使用键盘中的上、下、左、右键选择图2－28（a）中的选项，然后设置每项参数，确保Fiducial所有的部分都处于监视器所示的box中。各选项的功能分别介绍如下。

●Fiducial Type：Fiducial形状。

●Background：背景颜色。

●Accept Score：视觉范围。

图2－27　开机操作主界面3

图2－28　圆形mark点的参数设置

●Fiducial处于监视器中心位置时所对应的X坐标值。

●Fiducial处于监视器中心位置时所对应的Y坐标值。

③选择【Set Light】选项，弹出如图2－29所示的Fiducial亮度参数设置窗口。

图2－29　Fiducial亮度参数设置

Fiducial Lighting Parameters（Fiducial亮度的设置）中各参数的意义介绍如下。

●SCREEN VERTICAL：网板垂直光强度，调整它将影响Screen／Board的整体光强度。●SCREEN INNER LR：网板内圈光强度LR（Left ＆Right）。

●SCREEN INNER FR：网板内圈光强度FR（Front ＆Rear）。

●SCREEN OUTER LR：网板外圈光强度LR（Left ＆Right）。

●SCREEN OUTER FR：网板外圈光强度FR（Front ＆Rear）。

●BOARD VERTICAL：基板垂直光强度。

●BOARD INNER LR：基板内圈光强度LR（Left ＆Right）。

●BOARD INNER FR：基板内圈光强度FR（Front ＆Rear）。

●BOARD OUTER LR：基板外圈光强度LR（Left ＆Right）。

●BOARD OUTER FR：基板外圈光强度FR（Front ＆Rear）。

在调节过程中可以看到显示屏幕上的柱状图不断地变化。

④使用键盘中的上、下、左、右键选中上图中各选项，对每项设置合适的参数（各项参数默认值是8）使Fiducial呈白色，并且白色清晰不模糊。

⑤选择【Exit】命令或单击F8键退出。

（7）选择【Learn Fiducial】命令，在监视器的右边将出现一个圆形的各项参数选择项，通过设置其参数来调节圆的大小与形状，使设置的圆与Fiducial相吻合。如标志点为圆形，则尺寸为Diameter（直径）；如标志点为方形，则尺寸为Fiducial Width（宽），Fiducial Height（高）。菜单下调整mark点坐标，以形、实重合为标准。

选择项对话框如图2－30所示。

图2－30　圆形各项参数设置对话框

前后【learn fiducial－please waits．．】信息将显示在消息快捷栏里。

（8）选择【Exit】命令或单击F8键退出。

（9）选择【Location Fiducial】弹出如图2－31所示的对话框，Fiducial的相关值将会出现在监视器中，从中可以查看调整后的分值，其中【Score】指的是摄像头设定Fiducial值与实际Fiducial值之间的匹配值，两者匹配越好，分值越高。

图2－31　Fiducial位置参数设置

（10）如果【Score】的值符合要求，则选择【Exit】命令或单击F8键退出，否则需重新设置参数。

（11）选择【Exit】命令或按F8键退出后，至此第一个基板的Fiducial应该出现在监视器里。

（12）选择【Step】命令，按同样的方式重复（1）～（12）的操作步骤，将两个PCB的mark点及其对应网板的mark点核对确认后，单击【Step】。第一个网板的Fiducial也应出现在监视器里。

（13）选择【Fiducial Setup】命令，将显示【Adjust the X and Y values to bring it into view．Enclose it within the ROI（the Region Of Interest box）and then select Auto Learn．】，意即“调节X和Y的值使Fiducial可见。将其放入ROI内，然后选择【Auto Learn】。”当Fiducial自动设置正常运行时，监视器将显示如图2－32所示的界面和图2－33所示的对话框。

图2－32　Fiducial自动设置的图形界面

图2－33　Fiducial的参数设置

用键盘中的上、下、左、右键选中上面各项，调整其值，使Fiducial可见。

（14）使用鼠标左键拖动ROI，使Fiducial处于ROI中。如图2－34所示。

（15）选择【Auto Learn】命令，此时光学视觉系统就开始检测ROI，选择与光学视觉系统搜索到的与Fiducial形状相匹配的形状后，创建一个模型并定位。监视器里可看到一个彩色的Fiducial轮廓覆盖在原Fiducial上，如图2－35所示。

图2－34　拖动ROI

图2－35　搜索与Fiducial相匹配的形状

光学视觉系统会根据其在视觉范围内搜到的所有特征来匹配Fiducial的形状，而不是ROI的形状，所以监视器上可能会出现多个彩色的Fiducial轮廓。完成自动搜索后，监视器里将会显示定位后的Fiducial信息，如图2－36所示。

图2－36　定位后的Fiducial的各项信息

（16）选择【Exit】命令。

（17）选择【Exit】命令。

（18）选择【Step】命令，此时监视器将会显示已经设置好的基板第一个Fiducial。

（19）重复（13）～（18）的操作步骤，可以完成网板Fiducial的自动设置操作。每次完成Fiducial自动设置操作后，选择【Step】即可进行其他Fiducial的设置操作。

（20）选择【Exit】命令。

拓展阅读

1．本节内容中常用参数注释

●Board 1Fiducial Type：PCB板1的Fiducial点的类型，包括Circle，Rectangle，Diamond，Triangle，Double Square，Cross，Video model等类型。

●Screen 1Fiducial Type：网板1的Fiducial点的类型，包括Circle，Rectangle，Diamond，Triangle，Double Square，Cross，Video model等类型。

●Fiducial 1Xcoordinate：Fiducial 1的X坐标值，范围为0～508mm，增量为0．1mm。

●Fiducial 1Ycoordinate：Fiducial 1的Y坐标值，范围为0～508mm，增量为0．1mm。

●Forward X offset：刮刀从后往前刮时，在PCB板上的印刷偏移量，当偏移量为＋时，印刷位置相对PCB板右移。范围为－1．0～＋1．0mm，增量为0．004mm。

●Forward Y offset：刮刀从后往前刮时，在PCB板上的印刷偏移量，当偏移量为＋时，印刷位置相对PCB板后移。范围为－1．0～＋1．0mm，增量为0．004mm。

●Forwardθoffset：刮刀从后往前刮时，在PCB板上的印刷偏移量，当偏移量为＋时，印刷位置相对PCB板顺时针移动。范围为－1000～＋1000arc seconds，增量为2arc seconds。

●Revers X offset：刮刀从前往后刮时，在PCB板上的印刷偏移量，当偏移量为＋时，印刷位置相对PCB板右移。范围为－1．0～＋1．0mm，增量为0．004mm。

●Revers Y offset：刮刀从前往后刮时，在PCB板上的印刷偏移量，当偏移量为＋时，印刷位置相对PCB板后移。范围为－1．0～＋1．0mm，增量为0．004mm。

●Reversθoffset：刮刀从前往后刮时，在PCB板上的印刷偏移量，当偏移量为＋时，印刷位置相对PCB板顺时针移动。范围为－1000～＋1000arc seconds，增量为2arc seconds。

●Screen X Forward：通过调整电机（XF）的调整使一般位置的网上和PCB板上的Fiducial点能够通过一个摄像头看到。范围为－20～＋20mm，增量为0．004mm。

●Screen X Rear：通过调整电机（XR）的调整使一般位置的网上和PCB板上的Fiducial点能够通过一个摄像头看到。范围为－20～＋20mm，增量为0．004mm。

●Screen Y Axis：通过调整电机（Y）的调整使一般位置的网上和PCB板上的Fiducial点能够通过一个摄像头看到。范围为－20～＋20mm，增量为0．004mm。

●Alignment Weighting：用于两个FID点的模式。它是一种权重值，用于设定FID 2能够接受的偏差的程度（对2个点来说），设置范围为0～100%。

●X Alignment：3个FID点模式时的X的权重。

●Y Alignment：3个FID点模式时的Y的权重。

●Alignment Mode：FID点的选择模式。

●Tooling Type：程序设定的PCB板的支撑模式。包括AUTOFLEX，VACUUM，MAGNETIC，PILLARS（盒式）等4种模式。

●Board Stop X：从机器中心线到PCB板停板位置的距离。范围为50～254mm。

●Board Stop Y：从机器定轨到PCB板停板位置的距离。范围为25（板宽－20）mm。

●Right Feed Delay：当不规则板从右边进板时，Board Stop允许的延长时间。

2．根据mark点质量调相关参数

1）mark点的形状（类型选择）

印刷机可以接受的mark点类型可以是Circle（圆），Rectangle（矩形），Diamond（菱形），Triangle（三角形），Double Square（双正方形），Cross（十字形），Video Model等。

根据PCB板和网板上mark点的形状选择相应的mark点类型，并给出相应的识别点种类参数。当PCB板上识别点的质量差或无识别点而用焊盘作为识别点时，需要选用Video Model模式，但是采用这种模式时容易出现印刷偏位，如图2－37所示。

图2－37　mark点的形状

2）光度（light）的调节

（1）背景选择和目标分数的设定。根据mark点本身及周围背景进行选择Dark／Light。

●Acceptance Score：机器设定的对每一类型的mark点能够接受的最低分值（设定与实际光学识别的质量对比），实际值与设定值匹配的好则分值越高。Acceptance Score分值由操作者给出，光学识别系统接受所有高于此分值的mark点。

●Target Score：设置Target Score是告诉光学识别系统，机器将接受它搜索到的第一个高于此分值的点。当找不到高于此分值的点时，机器会记住所有分值超过Acceptance Score的点，并在其中选取最优秀者。

在一般情况下，Acceptance Score分值设置为500，Target Score分值设置为700。如果分值设置不合适，如目标分值太小，在搜索识别点时如果机器首先找到满足得分要求的其他点时就会将该点误判为识别点，这样就会出现一些偶然偏位。

（2）圆形mark点的相应参数，如图2－38所示。

图三个圆圈中，中间圆圈表示识别点的外形，外圈表示进行识别点图像分析时考虑的背景范围，内圈和识别点之间是对识别点图像分析的范围，对于以上分析范围以外的部分如果出现干扰点，机器就不会考虑。但是如果内圈太大，外圈太小，则会比较容易出现印刷偏位。

（3）光度的调节，如图2－39所示。

调节原理：在柱状图中有两个尖峰值，分别代表了Dark和Light两种区域的图形质量，通过改变照射光的等级可以改变尖峰之间的差值。调整结果是上图的两个尖峰越高，间距越大照相质量越好，反之照相质量就差，出现偏位的可能性就比较大。按照目前使用设备的经验，得分超过700分一般是不会出现印刷偏位的，但是当识别点附近如果有另外一个类似点时也有可能出现偏位的问题。

图2－38　圆形mark点的相应参数

图2－39　光度调节柱状图