精密视觉对准系统的精度分析与误差补偿

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Research on Accuracy Analysis and Error Compensation of Vision SystemCHEN Jia-zhao，MO Jing-hui，KUANG Yong-cong，LIANG Jing～lun，ZHANG Xian-min(Key Laboratory of Precision Equipment and Manufacturing Technology of Guangdong Province，South China University ofTechnology，Guangdong Guangzhou 5 10640，China)Abstract：For decreasing the eror ofvision system in auto-vision solder paste printer and improving the printing accuracy，the structure andfunction ofvion system is introduced，then conducting the accuracy analysis，calculating the table terminalposture and deducing the error transferfunction between terminal posture and position error of vision motion system.Positianerror is analyzed and tested.Based on test data，one kind oferror compensation scheme is established.The experiment resuhsdemonstrate that the compensation scheme for the vision motion system is efective and improves the printing accuracy ofvision system，which has the guiding siguifcance to error analyze ofthe kinematic system。

Key W ords：Vision System；Accuracy Analyze；Position Error；Compensation Schemel I后全自动视觉锡膏印刷机是表面贴装技术(Surface MountTec-hnology，SMT)生产线的关键设备之-，其印刷效率与精度直接影响SMT生产线的组装效率和质量1。据统计，电路板存在缺陷的成品中约有 60%是由锡膏印刷质量不良造成的口。随着电路板朝着微型化，高密度，零缺陷的方向发展，对锡膏印刷机提出更严格的要求[31。

锡膏印刷机由视觉对准系统，印刷系统和纠偏算法拈等组成。由于运动系统的定位误差、机构制造和装配误差以及视觉对准系统的纠偏误差等因素，大大制约了印刷精度的提高 。因此，为了能够进-步提高视觉对准系统运动机构的定位精度和减小系统纠偏误差，有必要研究产生锡膏印刷机视觉对准系统误差的原因以及相应的补偿方法。

2视觉对准系统视觉对准系统由视觉运动系统，纠偏平台运动系统和 CCD工业相机等组成，如图 1所示。视觉运动系统 XY方向的运动机构均由精密滚珠丝杆螺母机构 ，联轴器和伺服电机等组成，其中l，方向丝杆装配在印刷机支架上， 方向丝杆装配在 Y方向丝杆螺母上。纠偏系统由伺服电机，精密滚珠丝杆，铰链连杆机构和导轨滑块机构等组成，纠偏平台 电机驱动平台在左右(横向)方向平动，平台 Y 、Y 电机同时以相同位移量在同-方向运动，可以驱动平台在前后(纵向)方向平动，以不同位移量或相同位移量不同方向运动，则可以实现平台的旋转运动。

2与达1.模板 2.基准点 3.电路板 4纠偏平台运动系统5.CCD工业相机 6，视觉运动系统图1视觉对准系统Fig.1 Vision System视觉对准系统的纠偏过程为：视觉运动系统驱动 CCD工业相机运动到指定位置，同时拍摄模板和电路板的图像。对采集到来稿日期：2012-04-17基金项目：国家杰出青年科学基金(50825504)；粤港关键领域重点突破招标项目(东莞专项200816822)作者简介：陈家钊，(1987-)，男，广东佛山，硕士研究生，主要研究方向：精密制造装备及现代控制技术方面的研究48 陈家钊等：精密视觉对准系统的精度分析与误差补偿 第 2期的图片进行滤波、图像增强和基准点识别，获取模板与电路板基准点到图像中心的距离，再转换成模板与电路板的基准点坐标，然后通过纠偏算法计算得到电路板纠偏所需要的平移和旋转运动量，再驱动纠偏机构完成纠偏。

3视觉对准系统误差分析与补偿- 般而言，影响视觉对准系统精度的因素包括：视觉定位系统的定位误差，由CCD相机镜头几何畸变和图像噪声等引起的图像采集和基准点识别误差，纠偏平台运动系统的定位误差，运动机构的装配和制造误差，像素当量误差和纠偏算法误差等。其中视觉定位系统的定位误差直接影响基准点坐标的获取，对视觉对准系统影响较大，下文主要针对视觉定位系统进行误差分析与测量，然后制定相应的补偿方案。

3.1定位误差分析对纠偏平台运动系统进行简化，得到其分析模型，如图2所示 。

图2纠偏平台分析模型Fig.2 Correcting Table Model图 2中，建立纠偏平台坐标系 0-XY，A、B、C点分别是纠偏马达 X、y 、y 在零位时铰链中心的位置，x轴通过 BC两点 ，y轴通过A点并与 轴垂直。s ( l， 。)、s ( ，Y )是模板基准点，P ( ，Y )、 ( ，Y )是电路板基准点。实现纠偏时通过平台旋转角度 ，X方向平移 a位移和 l，方向平移 b位移后 ，使电路板在平台纠偏后的基准点 P。( ，Y )、 ( ，Y )与模板的基准点S，、S 重合。通过几何分析可得尸：与 的坐标变换关系为：R cosO-Y sinOOAsinOcosOODsin Oa-btanO (1)YH sinOY cosO-ODsinOcosOOA sin ObatanO (2)式中： 1，2；ODOCBCxO.5。

由式(1)(2)可得四个方程，可用最小二乘法求解终端姿态atb和0。由基准点 S 和 P 构造平台的纠偏误差 ，记纠偏误差的平方和为：6 [( -X ) Ysi-Y ) ] (3)南最小二乘原理呵 得：Oa 0 0 OF 0 (4)由式(1)～(4)解得纠偏平台终端姿态。，b和0为：)cosO( ， )cos0l/.4-(1陆SI[UCOS(5) l L J/l l l，sIl， 2)sin0cos0 6：(ys ys )os0(y y )c。s -/2ODsinOcosOOSU(6) Dl 1 0，lX X ，)sin0cos0 j～ 爱 昔 ㈩设在纠偏过程中相机运动到指定位置的坐标为( ，Y)，模板与电路板基准点到图像中心的距离分别为(△ ，△y )和(△Ay )，可得模板和电路板基准点坐标分别为(XAX ，YAY )和( 十△ ，yAY )。当视觉运动系统存在定位误差( ，△'， )时，可得模板与电路板基准点坐标为 (x △ ，l，△l，斗△ )和( △‰ ，YAYAYH)，i1，2。在存在定位误差的情况下，可得到视觉运动系统定位误差对平台终端姿态的误差传递公式为：Aa∑，SJ(icoszO-∑AXcos0∑AYi sin0cos0 (Ab∑AY；cos20-∑Ay cos ∑AX；sin0cos0 (9)对于角度误差，当两基准点定位误差相同时，则产生的角度误差为 0；当误差值为相反值时，产生的最大角度误差为∑(A 5y )0.5/l z。：为两基准点的距离。锡膏印刷机设备的涮整角度范围 ±l。，若定位误差 △X、AY-0.5mm，/12200mm时，可得姿态误差Aa(±1O) m，Ab(±10) m，△ ：(±0.oo8)。，且姿态误差随调整角度和定位误差变大而增大，严重影响视觉对准系统的纠偏精度，必须加以控制。

视觉运动系统的定位误差主要由驱动机构伺服电机的运动误差、驱动机构连接间隙和机构制造与装配误差等造成 。对视觉运动系统进行简化，并进行误差分析，如图 3所示。

图3视觉运动系统分析模型Fig.3 Vision Motion System Model图3中，建立视觉运动系统坐标系 O-XY，坐标原点 0建立在 l，轴伺服电机原点处。实线表示理论模型，坐标( ，，)为无误差的运动坐标。虚线表示存在误差的实际模型，角 为X轴偏离水平 0。的误差角，角卢为 ，轴偏离垂直 90。的误差角，角 表示误差XY轴之间的夹角，理想状态下y-90。，( ，Ay)代表系统的定位误差。由于丝杆在实际加工和装配时，总是存在误差，使运动轴与理论方向产生误差角 和 ，若 ≠卢，可知'，≠90。，XY轴不完全垂直，会使视觉运动系统在 XY方向的运动产生交叉影响。

当视觉运动系统在 方向上运动位移 ，J时，由于角 OL存在 ，使系统在 方向的实际位移为Lcosa，在 l，方向产生的位移为Lsina；同样系统在 l，方向运动位移 D时，在 l，方向的实际位移为Dcos/3，在 方向产生的位移为-Dsin。当视觉运动系统进行No.2Feb.2013 机 械 设计 与 制造 49方向运动( ，0)和 Y方向运动(0，D)的位移时 ，分别会产生定位误差 △ ( )和 △l，(。 ，如式(10)(11)所示：AX(.0)(，J-Lcosa，-Lsina) (10)Ay(0.D)(Dsin/3，D-Dcosf1) (11)3.2定位误差测量为补偿视觉运动系统的定位误差，设计如下测量方案：(1)制造-覆盖纠偏平台区域的玻璃标定板 ，表面制造有等距分布的标定点，如图4所示。标定板采用光刻工艺，材料为有机玻璃 ，平面度不大于 O.05mm，图形位置精度为(±1.0) m，图形尺寸精度为(±3.O)/xm。

(3)首先进行 方向的测量。驱动相机运动到的序号为 1的标定点位置 ，如图4所示。

(4)驱动相机以标定点间距为步距 ，向x轴增加的方向运动到最后标定点处，再驱动相机以相同步距反向运动到起始标定点处，来回测试多次(不少于 3次)，同时记录标定点的坐标( ，y) ，1，2，3，完成第-标定行的测量。

(5)驱动相机回零点，以同样的方法进行其它标定行测量。

4 8 1216 20 24 3 7 1115 19 23 2 6 10 14 18 22 1 5 9 13 17 2l0图4定位误差测量标定板Fig.4 Calibration Board for Position Error以测量时标定点实际坐标与制造标定点的 CAD坐标相减，可获得相机运动时XY方向的运动误差。取测量标定行的数据进行分析，如图5所示。相机在 方向运动时标定点 坐标的误差，如图 5(a)所示∩知 方向单向运动误差为 1501xm，由于像素当量与传动比的累积误差，使单向误差随位移变大而增大；且由于视觉运动系统由丝杆螺母副、联轴器与丝杆和伺服电机等连接，在系统反向运动时，存在反向间隙值 AMx180p，m；相机在方向运动时标定点 l，坐标的误差，如图 5(b)所示∩知 方向运动在 y方向产生的误差为 2501xm，而且有随 方向位移变大而增大的趋势；对标定行的数据进行线性拟合，可得到拟合后的方向运动误差角为aO.048。。同样获取 Y方向单向运动误差为130t.Lm，反向间隙值 AMy17Opm，误差角-o.039。，由于在标定板固定时，标定板边与相机 XY轴会存在夹角，但在 XY方向测量时均包含这个夹角误差，因此不影响测量精度；由o -o.009。，可知XY运动轴不完全垂直。

(315，l。ll30o500(Ixm)制需l0 5O 1oo 150 200 250 3oo目标位置 (mil1)(a)X走位中 方向误差U 5U 1O0 l50 200 250 jUU目标位置 (mm)(b 走位中l，方向误差图 5定位误差测量数据Fig.5 Position Eror Test Data3.3定位误差补偿对系统进行误差补偿，方法可分为硬件补偿和软件补偿。在硬件补偿中，对运动机构进行精度设计，提高机构制造和装配精度，但仍会存在误差，而且要继续提高精度会使成本迅速加大，因而该系统在通过硬件补偿保证-定精度的前提下，再采用软件补偿的方法 。

对于单向运动误差，可在相机测量单向运动时，外部同时采用激光干涉仪进行标定，通过调节像素当量和传动比值来减小两种测量方式的差值 ，以降低单向运动误差。

对于反向间隙误差，当相机运动时，先驱动电机回零点，此时连接机构接合处紧靠间隙的靠零点-侧，向前运动时，此时肯定为向坐标变大的方向运动，则先驱动相机往该方向运动距离d ，AM为该方向的反向间隙值，然后再往反方向运动距离AM，以保证连接机构接合处继续紧靠间隙的靠零点-侧。然后相机往坐标变大的方向运动时均以上述方式运动，往坐标变小方向运动时，则直接运动距离 d。方法使连接机构保持-固定的姿态，来补偿反向间隙值。

对于 XY运动轴的垂直度角度误差，由于两个运动轴存在交叉影响，因此-运动轴的运动误差必须依靠两运动轴的协调运动才能消除[81。当相机在XY方向实际需要运动值为dx。，aYo时，驱动相机 XY轴实际走位值为 ，dv，对应关系如式(12)(13)所刁 。

dx (dy o-d xot ana )si nfl (12) cosD sln/Jtan(4实验与分析(13)采用前面的测量方案进行实验，可得到补偿后的误差值。同样取测量标定行的数据进行分析，如图6所示。

50 机械 设 计 与制造No.2Feb.20l 360 --(Ixm)2015慧lo，5O0 5O 1O0 150 200 250 300目标位置 (111)(a)X走位中 方向误差1o0 15O 20o 250 300目标位置 (1nm)(b)Y走位中 y方向误差图6补偿后实验测试结果Fig.6 Test Result after Compensation运动系统在单向运动精度在 40txm以内，如图6(a)所示。反向运动时m现 201xm左右的反向间隙值 ，表明通过误差补偿后，视觉定位系统往复运动的单向运动误差已大大降低，反向间隙值也得到有效补偿。

系统进行 方向运动在 y方向产生的运动误差已减小在201xm以内，如网 6(b)所示。拟合后的X方向运动误差角为 ot0.003。。同样，对标定列的数据进行分析，可知 ，方向单向精度控制在 351xm内，反向间隙值为20vm，运动误差角口0.004。。由o/-/30.001。，可知表明相机 XY轴的垂直度误差角已得到补偿。由姿态误差传递公式可知，补偿后姿态误差控制在 Aa2m，△6±21xm，A0 ±0.0008。以内，表明视觉运动系统的定位误差对视觉对准系统的姿态误差已得到有效控制。

5结论全自动视觉锡膏印刷机是表面贴装技术生产线的关键设备之-，其视觉对准系统是影响印刷精度的重要因素。分析了锡膏印刷机视觉对准系统的组成和功能，对其进行精度分析和计算出纠偏平台终端姿态，推导出视觉运动系统定位误差对终端姿态的误差传递公式，并对视觉运动系统定位误差进行全面分析和测量，并制定误差补偿方案。通过实验表明，补偿方法能有效消除视觉运动系统中的定位误差，提高了锡膏印刷机视觉对准系统的纠偏精度，为生产线的高质量运行提供了可靠保障。