Разработка и исследование гистограммного метода определения углового положения технологических объектов при визуальном контроле микрокомпонентов РЭА

Актуальность работы. На современном уровне производства микрокомпонентов радиоэлектронной аппаратуры (МК РЭА) контроль изделий по их изображению благодаря высокой информативности составляет 50−80% от общего объема контрольных операций, которые в основном выполняются человеком. В результате этого велики трудозатраты на их осуществление, снижается объективность и ценность контроля.

Повышение эффективности производства МК РЭА требует применения более современных и быстродействующих методов контроля изделий по их изображению. При этом предпочтение отдается оптико-телевизионным методам контроля с помощью систем технического зрения (СТЗ) на базе универсальных или специализированных ЭВМ.

Вопросам автоматизации технологического визуального контроля посвящены работы коллектива ученых под руководством академика Д. Е. Охоцимского, а также научные труды В. М. Валькова, В. А. Лопухина, А. П. Петрова и ряда других авторов. Теоретические основы и практика применения СТЗ в робототехнике для визуального контроля изложены в работах И. Л. Ероша, А. Н. Писаревского, А. Ф. Чернявского, Ю. Г. Якушенкова и многих других ученых. Практике создания средств автоматизации визуального контроля посвящены работы С. А. Кузьмина, Ю. Д. Жаботинского, В. С. Титова, Д. К. Шелеста, В. И. Сырямкина.

Контроль углового положения технологических объектов (ТО) является функциональной задачей, которую, как правило, всегда приходится решать при автоматизации визуального контроля на основе СТЗ. Под угловым положением (ориентацией) объекта, расположенного на рабочей плоскости, понимается угол его поворота, измеренный относительно некоторого эталонного положения. Информация об ориентации необходима при контроле качества для приведения изображений контролируемых изделий к «стандартному» виду, так как достоверность принятия решения по результатам контроля у большинства алгоритмов в значительной степени зависит от угла поворотаконтроле линейных размеров, площади, периметра изображений для устранения систематических погрешностейавтоматической сборке узлов для обеспечения качества и повышения производительности процессовзагрузке деталей в обрабатывающее оборудованиеупаковке в технологическую тарусортировке изделий по различным признакамопределении пространственного положения манипуляторов роботов для обеспечения возможности захвата изделий.

Подсистема определения углового положения является одним из звеньев, за счет которого в значительной степени удовлетворяются требования к производительности, точностным характеристикам, стоимости, а также гибкости СТЗ в условиях перехода к более мелким сериям выпуска изделий расширяющейся и часто меняющейся номенклатуры, когда не всегда выгодно и возможно обеспечивать организацию полностью упорядоченной рабочей среды.

Требования, предъявляемые к СТЗ при изготовлении МК РЭА, становятся особенно жесткими в отношении временных затрат на решение перечисленных технологических задач. Измерение ориентации ТО производства МК РЭА существующими методами в общей постановке в реальном масштабе времени оказывается в связи с этим малоэффективным. Поэтому актуальной является разработка нового более эффективного метода контроля углового положения.

Цель диссертационной работы: повышение эффективности контроля углового положения ТО производства МК РЭА в промышленных СТЗ путем разработки метода на основе гистограмм бинарных изображений объектов.

В соответствии с поставленной целью основными задачами исследования являются:

1) анализ конструктивно-технологических характеристик объектов производства МК РЭА, а также требований, выдвигаемых к системам контроля углового положения- 2) разработка метода и алгоритма контроля углового положения ТО производства МК РЭА на основе гистограммных описаний изображений, анализ и выбор информационных признаков (ИП) гистограмм- 3) разработка математической модели, описывающей информационно — измерительный тракт, и синтез исходных данных алгоритмического обеспечения СТЗ для контроля ориентации ТО производства МК РЭА- 4) разработка методики, алгоритма и программных средств для исследования статистических характеристик гистограмм изображений ТО производства МК РЭА, точности метода, а также моделирования алгоритма определения ориентации;

Методы исследования основаны на использовании положений корреляционного анализа, теории случайных процессов, теории вероятности и математической статистики, теории измерений, булевой алгебры и Фурье-преобразовании.

Научная новизна работы 1. Комплексно рассмотрены вопросы влияния конструкторскотехнологических параметров объектов производства МК РЭА на точностные характеристики метода определения углового положения ТО по их бинарным изображениям.

2. Разработан метод контроля углового положения ТО производства МК РЭА на основе корреляционного анализа кольцевых гистограмм изображений объектов с эталонной и неизвестной ориентацией.

3. Определены и систематизированы ИП кластеров гистограмм, определяющие реализуемость и точность метода.

4. Разработаны математическая модель информационноизмерительного тракта системы определения ориентации ТО производства МК РЭА, включающая процесс сжатия бинарных изображений, предварительной обработки и корреляционного сравнения гистограмм, а также инженерная методика синтеза параметров системы.

5.Разработаны методика, алгоритм и программные средства для исследования статистических характеристик ИП гистограмм изображений и точности метода, моделирования алгоритма контроля углового положения, синтеза изображений ТО производства МК РЭА с заданными макрогеометрическими параметрами и микрогеометрическими свойствами контура.

Практическая ценность работы ¡-.Разработанный метод позволяет повысить эффективность контроля углового положения ТО производства МК РЭА в СТЗ путем повышения скорости вычислительного процесса за счет перехода к обработке сжатой видеоинформации, обеспечивая при этом точность не хуже, чем существующие методы, и составляющую ±1−3° в условиях неидеальности контуров и дискретного растрового представления изображений ТО.

2. Разработанные математическая модель информационно — измерительного тракта и методика синтеза параметров системы контроля ориентации позволяют оценивать возможность реализации и ожидаемую погрешность определения угла разворота объекта предлагаемым методом на основе доступной конструкторско-технологической информации об объектах производства МК РЭА. 3. Программный продукт может быть использован для исследований и разработки методов определения углового положения и контроля качества изделий на основе гистограмм изображений с целью создания эффективных систем контроля в реальном масштабе времени, исследований в области обеспечения контролепригодности ТО на основе проектирования специальных контрастных меток, а также в условиях производства МК РЭА при проведении автоматизированного технологического контроля различных процессов на базе СТЗ.

Реализация и внедрение результатов работы.

Методики, алгоритмы и программа использованы в ОАО «ОМЗ» при предварительном ориентировании листовых заготовок перед штамповкой, а также в АОЗТ «Микросенсор» при производстве газовых микросенсоров. Результаты диссертационной работы используются также в учебном процессе ГУАП.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части обсуждались на НТК «Гагаринские чтения» (г.Москва, 1993, 1994, 1996, 1997) — НТК «Распознавание -95» (г.Курск, 1995) — НТК «Оптико — электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (г.Курск, 1997) — НТК «Медикоэкологические информационные технологии — 98» (г.Курск, 1998) — НТК «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (г.Череповец, 1997) — НТК «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства неразрушающего контроля» (г.Саратов, 1995). В 1997 г. автор стал победителем конкурса грантов для студентов, аспирантов и молодых ученых Санкт-Петербурга в категории «Кандидатский проект» по направлению «Приборостроение» (грант № М97−3.5К-195).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 122 страницы машинописного текста, 42 рисунка, 2 таблицы, список литературы из 84 наименований, общее количество страниц 153.

Выводы.

1. Ширина кластера у КС ТО определяется размерностью электронного сканирующего окна и шероховатостью контура. Расчетное соотношение для у позволяет с учетом поправки оценить ширину кластера с приемлемой для практики точностью.

2. Коэффициент Кс, характеризующий долю контурных признаков, сделавших свой вклад в формирование кластера КС, и осуществляющий переход от длины КС Р (ЬГ)Х к средней мощности соответствующего кластера Р{ЬГ)КЛ в (36) зависит от шероховатости контура, его спектральных свойств и допуска на нелинейность участка контура в электронном сканирующем окне.

3. Контроль ориентации ТО производства МК РЭА на основе корреляционного анализа гистограмм угловых контурных признаков бинарных изображений обеспечивает в большинстве случаев точность не хуже, чем существующие методы, и составляющую ±1−3° в условиях шероховатых контуров и дискретного растрового представления изображений ТО. Увеличение допуска на нелинейность контура в электронном сканирующем окне позволит улучшить точностные характеристики метода еще на 10−30%.

4 43.

Заключение

.

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию гистограммного метода определения углового положения технологических объектов при визуальном контроле микрокомпонентов РЭА с целью повышения эффективности вычислительного процесса за счет сжатия бинарных изображений.

При выполнении данной работы получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ конструктивно-технологических характеристик объектов производства МК РЭА, существующих методов контроля углового положения и требований, выдвигаемых к автоматизации, выявлена перспективность использования гистограммных описаний изображений для повышения эффективности решения задачи определения угла поворота объектов.

2. Разработан метод контроля ориентации ТО производства МК РЭА, позволяющий удовлетворить требования, выдвигаемые к автоматизации контрольных операций на базе СТЗ.

3. Проведен анализ и выбор ИП гистограмм, определяющих реализуемость и точность метода расчета угла поворота ТО производства МК РЭА.

4. Разработаны математическая модель информационно — измерительного тракта системы определения ориентации ТО производства МК РЭА, включающая процесс сжатия бинарных изображений, предварительной обработки и корреляционного сравнения гистограмм, а также инженерная методика синтеза параметров системы.

5. Разработана методика, алгоритм и программные средства, позволяющие исследовать статистические характеристики ИП гисто грамм изображений, точность метода, а также моделировать вычислительные стадии алгоритма контроля углового положения. 6. Исследованы возможности применения гистограммных описаний для решения задач контроля качества поверхностей, сортировки изделий и захвата ТО из навала манипулятором на основе проектирования специальных контрастных меток и изображений.