一种基于机器视觉的微焊球形状参数检测装置及方法

技术领域

本发明涉及微焊球视觉检测领域，特别是涉及一种基于机器视觉的微焊球形状参数检测装置及方法。

背景技术

随着微电子电路的微型化和集成化发展，IC集成电路封装技术与时俱进，焊球作为电子封装技术中电路板和元器件的连接材料，其质量直接关系到电子产品的质量和可靠性，封装过程中要避免桥联等问题，同时要求在熔化过程中具有良好的“自对准效应”，因此制备的焊球尺寸和形状需要有很高的精度要求。对于微焊球的检测，人工目视的方法检测效率低，精度差，且对于粒径较小的焊球检测难以实现，而采用扫描电镜或激光粒径仪检测精度较高，但检测范围小、效率低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于机器视觉的微焊球形状参数检测装置及方法，本发明针对焊球的形状参数检测，提高了焊球参数检测的速度和精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于机器视觉的微焊球形状参数检测装置，包括：

计算机系统、视觉装置和工作箱；

所述视觉装置放置于所述工作箱内部；所述视觉装置和所述计算机系统通过网口连接；

所述工作箱用于为所述微焊球形状参数检测装置提供密闭、不透光的环境；

所述视觉装置用于采集放置好的焊球的图像信息，并将所述图像信息上传到所述计算机系统；

所述计算机系统用于根据所述图像信息进行计算，得到焊球的圆度和粒径。

优选地，所述计算机系统包括：图像预处理模块、图像分割模块、形态学处理模块和焊球参数检测统计模块；

所述图像预处理模块用于对所述图像信息平滑去噪处理，得到预处理图像信息；

所述图像分割模块对所述预处理图像信息进行二值化处理，得到分割图像信息；

所述形态学处理模块用于对所述分割图像信息依次进行腐蚀处理、开运算处理和膨胀运算处理，得到平滑图像信息；

所述焊球参数检测统计模块用于对所述平滑图像信息进行处理，得到焊球的粒径和圆度。

优选地，视觉装置包括：

焊球视觉检测机构和焊球固定放置机构；

所述焊球视觉检测机构和焊球固定放置机构均设置在所述工作箱内部，所述焊球固定放置机构设置在所述焊球视觉检测机构的下侧；

所述焊球固定放置机构用于水平放置不同尺寸的焊球；

所述焊球视觉检测机构用于采集焊球图像信息，并将所述图像信息传送给所述计算机系统。

优选地，所述工作箱包括：箱体、支架和开关门；

所述支架设置在所述箱体内部的中间部分，用于固定所述焊球视觉检测机构；

所述开关门为上下结构，设置在所述箱体的正面，用于使所述箱体内部与外界连通或封闭。

优选地，所述焊球视觉检测机构包括：

工业相机、镜头、电源适配器、光源、光源控制器、相机安装板、左右向微调滑台、前后向微调滑台、上下向微调滑台、滑台连接件、光源固定件、电源适配器固定件和光源控制器固定件；

所述镜头设置在所述工业相机上；所述工业相机设置在所述相机安装板上，并与所述计算机系统无线连接；所述相机安装板固定在所述第一上下向微调滑台上，所述第一上下向微调滑台通过所述滑台连接件与所述前后向微调滑台连接，所述前后向微调滑台与所述左右向微调滑台连接，所述左右向微调滑台与所述工作箱内部的支架固定连接；所述光源通过所述光源固定件固定在所述工作箱底部，并连接所述光源控制器；所述光源控制器通过所述光源控制器固定件固定在所述工作箱底部内测；所述光源控制器面板内嵌于所述工作箱侧面，所述光源控制器面板的旋钮和开关设置在所述工作箱的外壳外，所述光源控制器与所述工业相机相连的所述电源适配器通过所述电源适配器固定件固定在所述光源控制器下方。

优选地，所述焊球固定放置机构包括：

第二上下向微调滑台、滑台固定件、焊球放置架和焊球放置容器；

所述第二上下向微调滑台通过所述滑台固定件固定在所述工作箱底部；所述焊球放置架固定在所述上第二下向微调滑台上；焊球放置在所述焊球放置容器中并置于所述焊球放置架上；其中，所述工业相机、所述镜头、所述焊球放置容器和所述光源保持在同一直线上。

优选地，所述镜头为远心镜头；所述工业相机为黑白相机。

一种基于机器视觉的微焊球形状参数检测方法，包括：

采集放置好的焊球的图像信息；

上传图像信息到计算机系统；

根据所述图像信息，计算焊球的圆度和粒径。

优选地，所述计算焊球的圆度和粒径包括：

对所述图像信息平滑去噪处理，得到预处理图像信息；

对所述预处理图像信息进行二值化处理，得到分割图像信息；

对所述分割图像信息进行腐蚀处理、开运算处理和膨胀运算处理，得到平滑图像信息；

对所述平滑图像信息进行处理，得到焊球的粒径和圆度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于机器视觉的微焊球形状参数检测装置及方法，本发明通过视觉装置采集放置好的焊球的图像信息，通过计算机系统计算出焊球的圆度和粒径，可以批量的对焊球的圆度和粒径进行检测，提升了焊球圆度和粒径检测的速度与精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的微焊球形状参数检测装置示意图；

图2为本发明实施例提供的焊球视觉检测机构示意图；

图3为本发明实施例提供的焊球固定放置机构示意图；

图4为本发明实施例提供的微焊球形状参数检测方法流程图。

附图标记说明：

1-工作箱，2-焊球视觉检测机构，3-焊球固定放置机构，2-1-工业相机，2-2-镜头，2-3-电源适配器，2-4-光源，2-5-光源控制器，2-6-相机安装板，2-7-左右向微调滑台，2-8-前后向微调滑台，2-9-第一上下向微调滑台，2-10-滑台连接件，2-11-光源固定件，2-12-电源适配器固定件，2-13-光源控制器固定件，3-1-第二上下向微调滑台，3-2-滑台固定件，3-3-焊球放置架，3-4-焊球放置容器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。

本发明的目的是提供一种基于机器视觉的微焊球形状参数检测装置及方法，本发明通过视觉装置采集放置好的焊球的图像信息，通过计算机系统计算出焊球的圆度和粒径，可以批量的对焊球的圆度和粒径进行检测，提升了焊球圆度和粒径检测的速度与精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于机器视觉的微焊球形状参数检测装置，其特征在于，包括：

计算机系统、视觉装置和工作箱1；

所述视觉装置放置于所述工作箱1内部；所述视觉装置和所述计算机系统通过网口连接；

所述工作箱1用于为所述微焊球形状参数检测装置提供密闭、不透光的环境；

所述视觉装置用于采集放置好的焊球的图像信息，并将所述图像信息上传到所述计算机系统；

所述计算机系统用于根据所述图像信息进行计算，得到焊球的圆度和粒径。

进一步的，所述计算机系统包括：图像预处理模块、图像分割模块、形态学处理模块和焊球参数检测统计模块；

所述图像预处理模块用于对所述图像信息平滑去噪处理，焊球视觉检测机构2中的工业相机2-1所采集的图片传入计算机系统中，采用中值滤波的方法平滑去噪处理，达到图像增强的目的，得到预处理图像信息；在此步骤中，对采集到的图像进行中值滤波处理，目的是为了将图像中需要的焊球特征增强，削弱无用的特征，去除图像由于获取途径、传输等造成的噪声。

所述图像分割模块对所述预处理图像信息进行二值化处理，得到分割图像信息；图像分割模块主要为阈值分割。在此步骤中，由于检测环境处于密闭的空间中，无外界光的干扰且图像获取设备固定，为了达到预想的检测结果，采取手动设置阈值的方法进行图像分割，分割完成后的焊球图像为二值图像，极大的减少了数据量，方便后续焊球参数计算。

所述形态学处理模块用于对所述分割图像信息依次进行腐蚀处理、开运算处理和膨胀运算处理，得到平滑图像信息；对所述分割图像信息进行腐蚀处理以分离粘连在一起的焊球图像，运用开运算去除焊球图像中的毛刺效果，通过膨胀运算将焊球图像恢复到原来尺寸。在此步骤中，腐蚀操作的目的是将粘连的焊球图像分离，且能达到去除图像中污点的效果，开运算可以适度地减少焊球图像边缘的毛刺效果，膨胀运算是为了将腐蚀后的尺寸减小的焊球图像恢复到原来的尺寸。

所述焊球参数检测统计模块用于对所述平滑图像信息进行处理，得到焊球的粒径和圆度。形状参数检测模块包括焊球粒径检测和焊球圆度检测；计算机系统将所述平滑图像信息进行图像标记，利用面积法测量焊球粒径，通过圆度计算公式计算焊球圆度，然后绘制焊球粒径直方图和焊球圆度直方图；在此步骤中，系统标记好每个焊球后，计算出焊球的面积、极大轴长、极小轴长，利用圆的面积计算公式导出焊球粒径，利用圆度计算公式计算出焊球圆度，数据计算完成后，绘制焊球粒径直方图和圆度直方图查看尺寸分布。

进一步的，视觉装置包括：

焊球视觉检测机构2和焊球固定放置机构3；

所述焊球视觉检测机构2和焊球固定放置机构3均设置在所述工作箱1内部，所述焊球固定放置机构3设置在所述焊球视觉检测机构2的下侧；

所述焊球固定放置机构3用于水平放置不同尺寸的焊球；

所述焊球视觉检测机构2用于采集焊球图像信息，并将所述图像信息传送给所述计算机系统。

进一步的，所述工作箱1包括：箱体、支架和开关门；

所述支架设置在所述箱体内部的中间部分，用于固定所述焊球视觉检测机构2；

所述开关门为上下结构，设置在所述箱体的正面，用于使所述箱体内部与外界连通或封闭。开关门方便安装调节焊球视觉检测机构2和焊球固定放置机构3。

如图2所示，具体的，所述焊球视觉检测机构2包括：

工业相机2-1、镜头2-2、电源适配器2-3、光源2-4、光源控制器2-5、相机安装板2-6、左右向微调滑台2-7、前后向微调滑台2-8、第一上下向微调滑台2-9、滑台连接件2-10、光源固定件2-11、电源适配器固定件2-12和光源控制器固定件2-13；

所述镜头2-2设置在所述工业相机2-1上；所述工业相机2-1设置在所述相机安装板2-6上，并与所述计算机系统通过网口连接；所述相机安装板2-6固定在所述第一上下向微调滑台2-9上，所述第一上下向微调滑台2-9通过所述滑台连接件2-10与所述前后向微调滑台2-8连接，所述前后向微调滑台2-8与所述左右向微调滑台2-7连接，所述左右向微调滑台2-7与所述工作箱1内部的支架固定连接；所述光源2-4通过所述光源固定件2-11固定在所述工作箱1底部，并连接所述光源控制器2-5；所述光源控制器2-5通过所述光源控制器固定件2-13固定在所述工作箱1底部内测；所述光源控制器2-5面板内嵌于所述工作箱1侧面，所述光源控制器2-5面板的旋钮和开关设置在所述工作箱1的外壳外，所述光源控制器2-5与所述工业相机2-1相连的所述电源适配器2-3通过所述电源适配器固定件2-12固定在所述光源控制器2-5下方。通过调节左右向微调滑台2-7和前后向微调滑台2-8来控制工业相机2-1和镜头2-2的位置，以抵消安装误差，保证焊球在工业相机2-1成像的中心，通过调节第一上下向微调滑台2-9改变工业相机2-1位置，以微调成像焦距，使工业相机2-1成像清晰。

如图3所示，具体的，所述焊球固定放置机构3包括：

第二上下向微调滑台3-1、滑台固定件3-2、焊球放置架3-3和焊球放置容器3-4；

所述第二上下向微调滑台3-1通过所述滑台固定件3-2固定在所述工作箱1底部；所述焊球放置架3-3固定在所述第二上下向微调滑台3-1上；焊球放置在所述焊球放置容器3-4中并置于所述焊球放置架3-3上；其中，所述工业相机2-1、所述镜头2-2、所述焊球放置容器3-4和所述光源2-4保持在同一直线上。

焊球固定放置机构3用于水平放置不同尺寸的焊球；其中第二上下向微调滑台3-1、滑台固定件3-2和焊球放置架3-3固定在一起，焊球放置容器3-4单独为一个装置，焊球放置容器3-4为一个阶梯状的圆柱形凹台，底部粘接一个透光的石英片，检测时，焊球放于焊球放置容器3-4中，再将焊球放置容器3-4置于焊球放置架3-3上，焊球放置架3-3位于镜头2-2和光源2-4之间，调节第二上下向微调滑台3-1可控制焊球的高度，通过协调配合工业相机2-1、镜头2-2、光源2-4、焊球的之间的距离和光照强度，使焊球图像位于视野中心且成像清晰，工业相机2-1拍摄获取到的数字图像通过计算机系统进行处理和焊球粒径、圆度检测。

具体的，所述镜头2-2为远心镜头，以减少图像畸变；所述工业相机2-1为黑白相机；光源2-4使用同轴白色光源；通过调节光源控制器2-5面板上的无极旋钮来改变光照强度。

如图4所示，本实施例还提供了一种基于机器视觉的微焊球形状参数检测方法，包括：

采集放置好的焊球的图像信息；

上传图像信息到计算机系统；

根据所述图像信息，计算焊球的圆度和粒径。

具体的，所述计算焊球的圆度和粒径包括：

对所述图像信息平滑去噪处理，得到预处理图像信息；协调配合工业相机2-1、镜头2-2、光源2-4、焊球的之间的距离和光照强度，使焊球图像位于视野中心且成像清晰，工业相机2-1拍摄获取到的数字图像传输到计算机系统，随后在软件系统中进行中值滤波操作，公式为：g(i,j)＝Median[f(i±k,j±l)]，(k,l)∈ω；其中，f(i,j)为处理前原始图像的一个像素点灰度值，坐标为(i,j),g(i,j)为处理后的图像的对应像素点灰度值，ω为二维模板,k、l为不大于模板大小的随机正整数，Median[*]表示取数列的中间值。

对所述图像分割模块对所述预处理图像信息进行二值化处理，得到分割图像信息；对中值滤波后的图像进行图像分割处理，采用手动设置阈值的方法进行焊球图像二值化，其公式为：

对所述形态学处理模块用于对所述分割图像信息进行腐蚀处理、开运算处理和膨胀运算处理，得到平滑图像信息；经腐蚀处理，分离相连焊球，公式为：

其中，y是一个表示集合平移的位移量；S

焊球图像经过腐蚀和开运算操作之后，尺寸发生明显变化，为了尽量恢复焊球原来尺寸，提高检测精度，进行膨胀操作，公式为：

对所述焊球参数检测统计模块用于对所述平滑图像信息进行处理，得到焊球的粒径和圆度；焊球图像处理完成之后，系统对焊球进行标记，采用面积法测量焊球图像中的每一个焊球粒径，计算公式为：

本发明的有益效果如下：

(1)本发明方法对装置所拍摄的焊球图像进行了图像预处理，对图像中产生的噪点和杂质进行滤除，提升了焊球图像质量；对图像进行了手动阈值分割处理，将焊球灰度图像转化为二值图像，大大的减少了数据量并将焊球图像分割出来，方便了后续数据计算；形态学处理中的腐蚀、开运算、膨胀操作解决了粘连焊球图像分离的问题，将焊球边缘细化，毛刺得到消除，提高了焊球的粒径和圆度检测精度。

(2)本发明装置采用密闭不透光的检测环境进行焊球检测，解决了由于外界光对焊球图片效果的影响导致的系统检测精度下降的问题，密闭环境下，只需保证光源2-4的强度保持不变，对于检测时间点没有时间限制。

(3)本发明装置针对视野的大小和焊球粒径的尺寸，可一次测量50～300粒焊球，极大的提高了检测效率，检测得到的焊球粒径和圆度参数还可以通过计算机软件系统统计出来，清楚的查看尺寸分布。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。