一种电路板故障自动检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电路板故障自动检测系统，包括机电一体化平台、电路板图像检测算法和平台控制软件；机电一体化平台可通过定点图像采集，将图像结果与PCB电路设计图进行比对，控制三轴运动机构精准将探针移动到待测电路板孔位从而采集相关电信号数据；图像检测算法提供了一种可行的电路板待测孔位坐标检测方法，从而实现机电一体化平台的自动化控制；平台控制软件通过可视化操作根据不同类电路板设置电路板检测流程；该系统实现了根据PCB电路图自动化且高精度地检测电路板电信号并进行故障诊断与反馈。

A circuit board fault automatic detection system

【技术实现步骤摘要】
一种电路板故障自动检测系统
本专利技术属于自动化
，具体涉及一种电路板故障自动检测系统。
技术介绍
电路板是电子产品中的集成单元，其安全性与可靠性决定整个电子产品的性能，因此电路板的故障检测技术是电子行业最热门的技术之一。传统的电路板故障检测需要工人用测试探头对被测点进行一一检测，并根据工人经验和检测结果判断电路板的安全性，因此传统的电路板故障检测流程繁琐，耗费的人力资源与时间资源极大，此外随着待测电路测点数量的增加，工人们的疲劳程度也会因此增加，从而降低测试效率和测试准确率。对于传统电路板测试的缺陷，电子行业开始研究可实现电路板检测的半自动化和全自动化的技术方案，该类项目对工程技术的要求较广泛，集计算机科学、机械学、电子科学与控制科学于一体。在该类技术的发展中，产生了一大批自动化检测平台，如探针测试台、三坐标测量机和精密数控平台等等，但其应用范围相对有限，且对工作环境有严格的要求，难以运用在电路板的测试过程中。结合目前自动化检测技术的发展特点，本专利技术针对电路板的检测问题设计了全自动化的检测平台及其控制技术方案，应用范围广且检测精度高。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种电路板故障自动检测系统，自动化程度高，应用范围广且检测精度高。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种电路板故障自动检测系统，包括机电一体化平台、电路板图像检测算法和平台控制软件。所述机电一体化平台安装在电路板传送带上，计算机通过平台控制软件向该平台上电机控制系统发送移动指令，该平台上的图像信号与电信号通过传感器传输至工业控制计算机并完成故障诊断与反馈，传送带传送PCB电路板至该平台操作范围。所述机电一体化平台包括三轴机械结构、运动控制系统、图像采集单元和电信号采集单元。运动控制系统安装在三轴机械结构中，控制机械结构在X、Y、Z三个方向的运动，图像采集单元为CDC相机搭配光学镜头，电信号采集单元为探针及压力传感器。所述三轴机械结构是桥式结构，导轨传动装置的选材上，优选的，X轴和Y轴采用钢丝PU带，可实现在保障水平方向高精度的同时实现垂直方向的稳定性，Z轴的垂直运动受到重力的干扰，因此采用丝杠机械结构。三轴机械结构用于带动电路板测试探针在X、Y、Z三个方向的运动，使之到达电路板指定测试点；电路板放置在传送带上，通过传送带传送至操作范围内。其中，每个轴都由特殊结构的导轨组成。导轨的两侧设有凹槽，用于安装其他导轨，导轨两端可安装电机，电机通过皮带来带动导轨的运动。Y轴导轨安装在X轴导轨上，Z轴导轨安装在Y轴导轨上，X轴的左右两个导轨由固定杆和联轴器连接起来，X、Y两轴的导轨的运动可实现探头在水平面上的位置调整。探头固定在Z轴底端，通过Z轴的电机传动实现探针的上下移动。三轴机械结构的X轴和Y轴导轨组成的矩形面积即为平台操作范围，因此X，Y轴的导轨长度和行程要符合常规待测电路板的尺寸大小。所述运动控制系统包括电机、驱动以及运动控制算法。电机作为平台动力的来源，执行组件能否实现高精度与高速度的组合，很大程度上依赖电机的选型。本专利技术中的电路板自动检测系统中平台的三个轴分别使用一个电机。其中X轴和Y轴实现水平面坐标的定位，且对位置精度要求较高，因此本专利技术中选择使用带编码器的伺服交流电机。Z轴仅需克服重力控制探针，探针的位置可通过压力传感器来反馈，无需精确的位置坐标信息，因此为降低平台成本，选择步进电机。其中电机控制方式采用计算机加运动控制卡的模式，运动控制卡的作为连接PC机与电机的重要桥梁。在与电机驱动连接后，步进驱动器选择单输出方式，而伺服驱动器选择差分输出方式。运动控制卡的I/O口采用光电耦合隔离器，控制信号通过双绞线传递，其信号电磁抗干扰能力较强。平台的运动控制系统除电机外，还设置了两处安全保护装置，其中为保障X轴与Y轴上探针运动不超过探测平台设定的最大范围，在X轴与Y轴平台机械框架上安装了限位开关。由于探针的运动将会与平台框架发生磨损，这不仅造成电机的损坏，也缩短了机械结构的使用寿命。为避免电机与框架的磨损，本专利技术中采用的限位开关为非接触式的接近开关，在平台作业期间，如果某个轴达到接近开关相应范围，接近开关将向运动控制卡发送信号，运动控制卡响应信号并向响应的驱动器发出停止运动的指令。此外，探针作为电路板焊点数据的采集原件，其控制的准确性不仅影响最终焊点检测的结果，而且影响探针的使用寿命。Z轴的运动直接决定探针与待测电路板的相对位置关系，若Z轴方向位移量小，探针无法检测到准确电信号，若位移量大，探针则直接损坏。因此本专利技术在Z轴方向设置了探针运动反馈系统，采用探针压力作为反馈信号，选择悬臂梁式传感器作为压力传感器采集压力信号，其中压力传感器安装在探针尾端。所述图像采集单元选取CCD相机搭配光学镜头，图像采集过程中的辅助照明光源采用环绕型LED灯照明，结合图像采集单元可将高清的PCB实时图像传输至计算机。所述电信号采集单元采用探针，探针的负极与待测电路板共地，正极安装在Z轴导轨上用于采集电路板孔位电信号。电信号采集单元将电信号传至示波器，可通过示波器观看其波形，同时示波器将电信号传至工业控制计算机，由计算机分析电路故障。所述电路板图像检测算法具体的步骤包括PCB板的MARK点检测、PCB板坐标系建立、焊点坐标数据库建立和探针最优路径规划等流程。以上方法综合可实现电路板的焊点识别与探针的控制，具体流程如下：(1)本专利技术中PCB电路板MARK点检测所用方法为模板匹配算法，只需用像素灰度值作为相似度的评判标准，算法简单，复杂度低，运行速度较快。其具体的思想为归一化相关，通过比较设定模板与待匹配对象之间的相关性来确定MARK点位置。算法定义式为：式中mt表示模板灰度平均值，表示模板灰度方差，其定义如下：mf表示算法当前与模板图像对应的待匹配区域的灰度平均值，表示该区域灰度方差。其定义如下：当ncc(r，c)＝±1时，模板与待匹配区域的关系可简化为线性关系，即：f(r+u，c+v)＝a·t(u，v)+b当ncc(r，c)＝1时,模板和当前待匹配区域的极性相同，当ncc(r，c)＝-1时，模板和当前待匹配区域的极性相反，其值越大表示匹配程度越高。通过以上算法得到的MARK点坐标误差可控制在0.5像素以内，该误差对焊点定位不产生干扰。(2)依据(1)中的MARK点在放置台的实际位置和PCB设计图的位置建立PCB电路设计图与实际电路板间的坐标变换关系。假设PCB电路板实物图所在坐标系中MARK点坐标矩阵为：X1＝[x11x12…x1n]Y1＝[y11y12…y1n]PCB设计图所在坐标系中MARK点的坐标矩阵为：X2＝[x22x22...x2n]Y2＝[y21y22...y2n]两个坐标系的转换关系为：假设k为尺度因子，α为旋转量，Δx为X方向上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电路板故障自动检测系统，包括：机电一体化平台、电路板图像检测算法和平台控制软件；其特征在于：通过平台控制软件制定机电一体化平台工作流程，机电一体化平台通过图像检测结果按照设置流程精准完成电路板对应孔位的电信号采集，并通过电路板图像检测算法进一步完成故障诊断与反馈。/n

【技术特征摘要】
1.一种电路板故障自动检测系统，包括：机电一体化平台、电路板图像检测算法和平台控制软件；其特征在于：通过平台控制软件制定机电一体化平台工作流程，机电一体化平台通过图像检测结果按照设置流程精准完成电路板对应孔位的电信号采集，并通过电路板图像检测算法进一步完成故障诊断与反馈。


2.如权利要求1所述的一种电路板故障自动检测系统，其特征在于：所述机电一体化平台包括：三轴机械结构、运动控制系统、图像采集单元（9）和电信号采集单元（8），可通过定点图像采集，将图像结果与PCB电路设计图进行比对，控制三轴运动机构精准将探针移动到待测电路板孔位，所述运动控制系统安装在三轴机械结构中，图像采集单元为CDC相机搭配光学镜头，电信号采集单元为探针（13）及压力传感器（18）。


3.如权利要求2所述的一种电路板故障自动检测系统，其特征在于：所述三轴机械结构包括：X轴双导轨（4、5），导轨间通过固定杆和联轴器（12）相连，所述X轴双导轨（4、5）两侧设有凹槽，Y轴导轨（6）通过凹槽安装在所述X轴双导轨（4、5）上，所述Y轴导轨（6）两侧设有凹槽，Z轴导轨通过凹槽安装在所述Y轴导轨（6）上，所述Z轴导轨（7）两侧设有凹槽，所述探针（13）安装在Z轴凹槽内。


4.如权利要求2所述的一种电路板故障自动检测系统，其特征在于：所述运动控制系统，安装在X轴的伺服交流电机（1），通过联轴器带动Y轴导轨（6）在X轴方向运动，Y轴的伺服交流电机（2）带动Z轴导轨在Y轴方向上的运动，Z轴的步进电机（3）控制探针在Z轴方向做垂直运动。

【专利技术属性】
技术研发人员：张侃健，华璧辰，魏海坤，方仕雄，葛健，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32