一种对锡膏印刷机印刷平台的标定及对位方法与流程

本发明属于工业摄影及测量技术领域，更具体地，涉及一种对锡膏印刷机印刷平台的标定及对位方法，其能够实现印刷钢网的孔洞和待印刷PCB敷铜的精确对位。

背景技术：

在PCB贴装生产中，第一道工序是锡膏印刷，印刷平台的对位是指印刷锡膏之前，印刷钢网的孔洞和待印刷PCB敷铜对齐的过程，这一步直接决定了印刷质量的好坏。而印刷质量的好坏，直接影响到后续工艺流程和产品质量。随着电子产品朝着小型化、轻型化和高可靠性方向发展，使得表面贴装电子元器件也不断朝着轻薄微小的高集成方向发展，元器件的尺寸变得越来越小。对锡膏印刷设备印刷精度的要求也越来越高。因此，作为印刷前的一个重要环节，精确的对位是提高全自动锡膏印刷机质量的关键。

传统的锡膏印刷机印刷平台的对位方法，由于没有对机床参数的精确标定，没有对测量误差的补偿措施，所以对印刷平台的对位误差较大。已经不能满足小尺寸PCB高精度对位的要求。

由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种锡膏印刷机印刷平台的标定及对位方法，使其能够克服锡膏印刷机在使用过程中出现的印刷平台对位结果不准确、效率低下等缺点，提高其对位精度，满足使用需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种针对锡膏印刷机印刷平台的标定及对位方法，建立坐标系及转化关系，对锡膏印刷机机械结构中的关键参数进行测定，通过印刷机相机拍摄的待印刷PCB和印刷钢网圆形标记点，使用图像处理软件计算出圆形标记点圆形在图像中坐标，根据不同坐标系的转换关系以及测定的参数，将圆心坐标映射到钢网及PCB所在坐标系中，根据UVW旋转平台的模型计算出实现UVW的X，Y1，Y2三轴所需移动量，采用合适的对位方法进行钢网与PCB的对位。该标定及对位方法可以通过提升锡膏印刷机的对位精度从而提升印刷精度，具有操作简单，精度高等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种针对锡膏印刷机印刷平台的标定及对位方法，其特征在于，所述锡膏印刷机的底部为PCB板，该PCB板设置在UVW旋转平台上，所述PCB板的正上方为一钢网，该PCB板和钢网的中间有一分光镜，在分光镜的前后分别设置有一相机和一个平面反射镜，该标定及对位方法具体包括如下步骤：

S1.针对锡膏印刷机的机械结构，在该锡膏印刷机上建立四个坐标系，分别是：基于相机采集到的平面反射镜中的图像建立的图像坐标系、在相机上建立的相机坐标系、基于相机视野建立的参考坐标系和在锡膏印刷机的电机轴挡片处于零位时建立的世界坐标系；

S2.对步骤S1中建立的四个坐标系进行分析，依次建立各个坐标系之间的坐标转化关系，得到图像坐标系到相机坐标系的转化公式、相机坐标系到参考坐标系的转化公式和参考坐标系到世界坐标系的转化公式，上述转化公式中含有待标定的关键参数；

S3.采用锡膏印刷机中的相机采集图像，移动相机至不同位置采集图像，得到标定点在不同位置采集的图像中所对应的各个坐标，将上述坐标代入步骤S2中的转化公式中求解，完成对坐标系系统中的关键参数的标定，从而得到各个坐标系之间的转化公式；

S4.在UVW旋转平台处于零位时，测量各个电机轴之间的距离，根据测量到的距离参数构建UVW旋转平台运动模型；

S5.先获取钢网与PCB板的模板，获取新进给PCB相对PCB模板的相对位置，和新钢网相对钢网模板的相对位置，通过步骤S4中构建的UVW旋转平台运动模型，计算得到UVW旋转平台各轴的移动量，将UVW旋转平台进行移动调整，实现钢网与PCB板的对位。

进一步优选地，步骤S2中，坐标系之间的转化公式如下：图像坐标系(U,V)到相机坐标系(O_ccd,X_ccd,Y_ccd)坐标转化公式为:

式中，W为图像的宽度，(U,V)为图像坐标系中点的坐标，(X_ccd,Y_ccd)为相机坐标系中点的坐标；

相机坐标系(O_ccd,X_ccd,Y_ccd)到参考坐标系(O_R,X_R,Y_R)的坐标转化公式为：

式中，(X_R,Y_R)是参考坐标系中点的坐标，(X_ccd,Y_ccd)为相机坐标系中点的坐标，l_x和l_y为关键参数；

参考坐标系(O_R,X_R,Y_R)到世界坐标系(O_w,X_w,Y_w)的坐标转化公式为：

式中，(X_R,Y_R)是参考坐标系中点的坐标，(X_w,Y_w)为世界坐标系中点的坐标，θ、a、b为关键参数。

进一步优选地，步骤S3中，对参数γ和β进行标定，其中，参数γ和β分别指相机坐标系与参考坐标系间X轴的夹角以及Y轴夹角，其标定过程及计算方法如下：

a.使用锡膏印刷机上的相机在相机坐标系的基准原点拍摄两副图像，选取图像中的一个点为标记点，记录两幅图像中的标记点的圆心坐标(X₀,Y₀)；

b.将相机分别沿X轴正方向平移和沿Y轴正方向平移一定距离，拍摄该相机分别沿X轴正方向平移和沿Y轴正方向平移后的两副图像，分别记录两幅图像中的标记点对应的圆心坐标(X_cx,Y_cx)，(X_cy,Y_cy)；

c.将相机分别沿X轴负方向平移和沿Y轴负方向平移一定距离，拍摄该相机分别沿X轴负方向平移和沿Y轴负方向平移后的两副图像，分别记录两幅图像中的标记点对应的圆心坐标(X_ux,Y_ux)，(X_uy,Y_uy)，然后回到相机坐标系的基准原点；

d.使用γ和β的标定公式计算得到γ和β值；

其中，

进一步优选地，步骤S3中，对PCB板参数l_x、l_y、θ、a、b进行标定，其中，参数l_x、l_y分别指PCB板的相机坐标系与参考坐标系沿X方向比率以及Y方向比率；θ指两坐标系间夹角；a和b分别指两坐标系间原点间沿X方向及沿Y方向的距离，上述参数的具体标定及计算方法如下：

a.使用锡膏印刷机上的相机拍摄PCB板上的标记点在机床平台未移动、沿X轴正方向平移、沿Y轴正方向平移一定距离的三幅图像，分别记录下标记点对应的圆心坐标A1(X_ccd1,Y_ccd1)，A2(X_ccd2,Y_ccd2)，A3(X_ccd3,Y_ccd3)；

b.使用θ的标定公式计算得到θ的值

θ＝atan 2(y_ccd2-y_ccd1，x_ccd2-x_ccd1)；

c.使用l_x和l_y的标定公式计算得到l_x和l_y的值

d.使用a，b的标定公式计算得到a，b值：

其中：(x_R0，y_R0)为将相机移动到离X轴旋转中心较近的Y轴铰链在图像中处于图像的中心位置，铰链中心对应的图像坐标系坐标转化到参考坐标后的坐标值。

进一步优选地，步骤S3中,对钢网的参数l_xs、l_ys、θ_s的标定，其中，参数l_xs、l_ys分别指钢网的相机坐标系与参考坐标系沿X方向比率，以及Y方向比率；θ_s指两坐标系间夹角，具体标定及计算方法如下：

a.使用锡膏印刷机上的相机拍摄钢网上的标记点在相机未移动、相机沿X轴正方向和Y轴正方向平移一定距离的三幅图像，记录下标记点圆心坐标；

b.使用θ_s的标定公式计算得到θ_s的值，与标定PCB的θ的步骤类似；

c.使用l_x和l_y的标定公式计算得到l_xs和l_ys的值，与标定PCB的θ步骤类似；

d.使用a_s、b_s的标定公式计算得到a_s、b_s值：

进一步优选地，步骤S5中，获取钢网模板和PCB模板时，先将钢网与PCB手动对齐，分别获取钢网与PCB板相同指定位置点的坐标，将其均转换至世界坐标系，获取钢网与PCB板相同指定位置点在世界坐标系下对应的坐标，将世界坐标系下对应的坐标分别作为钢网模板和PCB模板。

进一步优选地，步骤S5中，计算新进给PCB板相对PCB模板的相对位置时，将相机移动到与获取模板时相同的位置，获取指定位置点对应的坐标，并采用转化公式转换至世界坐标系，计算后得到新进给PCB板和PCB模板的指定位置点在世界坐标系中的距离(ΔX_pp,ΔY_pp)。

进一步优选地，步骤S5中，计算新钢网相对钢网模板的相对位置时，对印刷后替换的钢网，将相机移动到与获取模板时相同的位置，获取指定位置点的坐标，并采用转化公式转换至世界坐标系，计算后得到新钢网和钢网模板的指定位置点在世界坐标系中的距离(ΔX_ss,ΔY_ss)。

进一步优选地，步骤S5中，钢网与新进给PCB板的对位过程包括以下步骤：

a.对于新进给的PCB板或者替换后的钢网，根据新进给PCB相对PCB模板的相对位置的计算方法，以及新钢网相对钢网模板的相对位置的计算方法，计算得到UVW旋转的平移量和旋转量，计算公式如下：

b.根据UVW平台的运动模型，通过ΔX_uvw1和ΔY_uvw1计算出平移情况下UVW旋转平台三轴移动量(ΔX_t1,ΔY1_t1,ΔY2_t1)，根据UVW旋转平台的运动模型，通过Δθ_uvw计算出旋转情况下UVW旋转平台三轴移动量(ΔX_r1,ΔY1_r1,ΔY2_r1)，UVW旋转平台总移动量如下：

c.在UVW旋转平台按照以上数值各轴完成移动后，使用锡膏印刷机对PCB板进行下一次图像采集，得到该图像中标记点在图像坐标系的坐标后，根据各坐标系转换关系得到标记点在世界坐标系下的坐标，根据新进给PCB板相对PCB模板的相对位置的计算方法，计算得到UVW平台的平移量和旋转量，如下：

d.根据UVW平台的运动模型，通过△X_uvw2和△Y_uvw2计算出平移情况下UVW平台三轴移动量(ΔX_t2,ΔY1_t2,ΔY2_t2)，根据UVW平台的旋转模型，通过Δθ_uvw计算出旋转情况下UVW平台三轴移动量(ΔX_r2,ΔY1_r2,ΔY2_r2)，UVW平台总移动量如下：

e.根据上一步骤中得到的总移动量对UVW旋转平台的各轴进行移动，即完成整个对位过程。

总的来说，本发明的相机标定方法相对于原有的相机标定方法，具有如下技术效果：

(1)本发明的针对锡膏印刷机印刷平台的标定及对位方法，建立坐标系及转化关系，对锡膏印刷机机械结构中的关键参数进行测定，通过印刷机相机拍摄的待印刷PCB和印刷钢网圆形mark点，使用图像处理软件计算出圆形mark点圆形在图像中坐标，根据不同坐标系的转换关系以及测定的参数，将圆心坐标映射到钢网及PCB所在坐标系中，根据UVW平台的模型计算出实现UVW的X，Y1，Y2三轴所需移动量，采用合适的对位方法进行钢网与PCB的对位。该标定及对位方法可以通过提升锡膏印刷机的对位精度从而提升印刷精度，实现印刷钢网的孔洞和待印刷PCB敷铜的精确对位，从而满足锡膏印刷机在生产微型电子元器件时的精度要求。

(2)本发明的印刷相机的标定及对位方法，在对钢网和PCB板进行对位时，通过设置钢网和PCB板的模板，获取新进给的PCB相对于PCB模板的相对位置，和新钢网相对于钢网模板的相对位置，通过UVW旋转平台模型，得到UVW旋转平台的调整量，实现钢网和PCB板的精确对位，该对位方法步骤简单，计算量小，能够快速实现印刷平台的对位精度。

(3)本发明的方法相比与传统的相机标定及对位方法，在标定及对位精度方面有大幅提升。该方法还具备操作步骤简单，运算复杂度相对较低，对硬件软件要求低，易于编码实现等优点。

附图说明

图1是本发明中锡膏印刷机PCB、相机、钢网的相对位置示意图；

图2是PCB板与钢网对位示意图；

图3是坐标系空间位置示意图；

图4是图像坐标系到相机坐标系坐标的对应关系示意图；

图5是相机坐标系到参考坐标系的对应关系示意图；

图6是参考坐标系到世界坐标系的对应关系示意图；

图7是相机坐标系与参考坐标系间夹角示意图；

图8是标定时A1与A2对应关系示意图；

图9是标定时A1、A2、A3对应关系示意图；

图10是PCB板的a、b几何关系示意图；

图11是钢网参考坐标系与PCB参考坐标系关系示意图；

图12是旋转前后UVW旋转平台铰链示意图；

图13是平移前后UVW旋转平台铰链示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例

本发明提供一种针对锡膏印刷机印刷平台的标定及对位方法，该发明所针对的锡膏印刷机中相关单元的关系如图1所示。图中，相机位于钢网与UVW旋转平台之间，可以沿着X轴与Y轴平移；在对位时，钢网固定，PCB位于UVW旋转平台之上，依靠钢网与PCB的mark点为观测点，通过相机采集钢网以及PCB的mark点的图片，经过图像处理、计算过程以及对位流程，得到UVW旋转平台X轴，Y1轴，Y2轴移动量，UVW旋转平台移动完成后，相机撤开，上升UVW旋转平台，通过评估各个mark点的重合情况确定对位精度是否达到要求，钢网及PCB的mark点位置如图2所示。

本发明提供的一种锡膏印刷机的印刷钢网与待印刷PCB的参数测定及对位方法，具体整体流程步骤如下：

第一步：坐标系的建立及转化关系的确定

1.建立坐标系：

结合锡膏印刷机实际机械结构，在锡膏印刷机上建立4个坐标系，分别是图像坐标系、相机坐标系、参考坐标系、世界坐标系。各坐标系间的空间关系如图3所示。

下面对各个坐标系进行说明：

图像坐标系：相机拍摄的图像中建立的坐标系，坐标单位是pixel，坐标原点位于图像左上角。

相机坐标系：建立在相机上的坐标系，坐标单位是pixel。

参考坐标系：以相机视野建立的坐标系，坐标单位是mm，面对PCB，以相机视野下边缘为坐标系X轴，以相机视野右边缘为坐标系Y轴。当电机挡片回到零位的时候，电机视为归零；

世界坐标系：根据锡膏印刷机的3个电机轴挡片处于零位时建立的坐标系，坐标单位是mm，以UVW旋转平台Y1轴零位和Y2轴零位的连线作为X轴，过Y1轴转动圆形且垂直于X轴的直线作为Y轴，建立世界坐标系。

2.各坐标系之间的转化

锡膏印刷机坐标系系统坐标转化步骤，建立从图像坐标系到相机坐标系到参考坐标系再到世界坐标系的坐标转化公式。其中，

如图4所示：图像坐标系(U,V)到相机坐标系(O_ccd,X_ccd,Y_ccd)的坐标转化：

公式为:

式中，W为图像的宽度，(U,V)为图像坐标系中点的坐标，(X_ccd,Y_ccd)为相机坐标系中点的坐标。

如图5所示：相机坐标系(O_ccd,X_ccd,Y_ccd)到参考坐标系(O_R,X_R,Y_R)的坐标转化：

公式为：

式中，(X_R,Y_R)是参考坐标系中点的坐标，(X_ccd,Y_ccd)为相机坐标系中点的坐标，l_x和l_y为两坐标系X方向以及Y方向比率。

如图6所示：参考坐标系(O_R,X_R,Y_R)到世界坐标系(O_w,X_w,Y_w)的坐标转化

公式为：

式中，(X_R,Y_R)是参考坐标系中点的坐标，(X_w,Y_w)为世界坐标系中点的坐标，θ为两坐标系间夹角、a、b分别指两坐标系间原点间沿X方向及沿Y方向的距离。

第二步：坐标系转化参数的标定

A.对参数γ和β的标定：

参数γ和β分别指相机坐标系与参考坐标系间X轴的夹角，以及Y轴夹角，两坐标系关系如图7所示。

标定及计算方法如下：

1.使用锡膏印刷机上的相机拍摄在相机在基准点的2副图像，记录Mark点圆心坐标(X₀,Y₀)；

2.使用锡膏印刷机上的相机拍摄在相机沿X轴正方向平移1.5cm，沿Y轴正方向平移1cm的2副图像，记录Mark点圆心坐标(X_cx,Y_cx)，(X_cy,Y_cy)；

3.使用锡膏印刷机上的相机拍摄UVW旋转平台沿X轴负方向平移1.5cm，沿Y轴负方向平移1cm的2副图像，记录Mark点圆心坐标(X_ux,Y_ux)，(X_uy,Y_uy)；

4.使用γ和β的标定公式计算得到γ和β值。

由上式得

B.对PCB参数l_x、l_y、θ、a、b的标定

参数l_x、l_y分别指PCB的相机坐标系与参考坐标系沿X方向比率，以及Y方向比率；θ指两坐标系间夹角；a和b分别指两坐标系间原点间沿X方向及沿Y方向的距离。

标定及计算方法如下：

1.使用锡膏印刷机上的相机拍摄PCB上的Mark点在机床UVW旋转平台未移动、UVW旋转平台沿X轴正方向平移1.5cm、UVW旋转平台沿Y轴正方向平移1cm的3幅图像，记录下Mark点圆心坐标A1(X_ccd1,Y_ccd1)，A2(X_ccd2,Y_ccd2)，A3(X_ccd3,Y_ccd3)；

2.根据如图8所示，使用θ的标定公式计算得到θ的值：

θ＝atan 2(y_ccd2-y_ccd1，x_ccd2-x_ccd1)

3.根据如图9所示，使用lx，ly的标定公式计算得到lx，ly的值：

4.根据如图10所示，使用a，b的标定公式计算得到a，b值。

其中:(X_R0,Y_R0)为将相机移动到Y1轴铰链在图像中处于图像的中心位置，铰链中心对应的图像坐标系坐标转化到参考坐标后的坐标值。

C.对钢网参数l_xs、l_ys、θ_s、a_s、b_s的标定：

参数l_xs、l_ys分别指钢网的相机坐标系与参考坐标系沿X方向比率，以及Y方向比率；θ_s指两坐标系间夹角。

标定及计算方法如下：

1.使用锡膏印刷机上的相机拍摄钢网上的Mark点在相机未移动、相机沿X轴正方向平移1.5cm、相机沿Y轴正方向平移1cm的3幅图像，记录下Mark点圆心坐标；

2.使用θ_s的标定公式计算得到θ_s的值，与标定PCB的θ步骤类似；

3.使用l_xs和l_ys的标定公式计算得到l_xs和l_ys的值，与标定PCB的θ步骤类似；

4.如图11所示，使用a_s、b_s的标定公式计算得到a_s、b_s值。

第三步：UVW旋转平台运动模型建立

在UVW旋转平台处于零位时，测量机床X，Y1，Y2各轴旋转中心的相对位置，根据UVW旋转平台运动模型，计算与旋转模型有关的各个参数。

运动模型可分解为平移和旋转两种情况：

平移情况：

如图12所示，可以得到

旋转情况：

如图13所示，

点Q绕点(X_r,Y_r)从(0,0)旋转到点Q’(X',Y')

直线l₁斜率：

直线l₂斜率：k₂＝tanα

得到三轴移动量

第四步：锡膏印刷机与PCB钢网的对位

要实现钢网与PCB的对位，需要先获取钢网与PCB的模板，在工作过程中，相机采集新进给PCB的mark点图像，使用图像处理软件测定出该PCB的mark点圆心，根据第一至三步计算公式，得到UVW平台各轴移动量，通过特定的对位方法，实现钢网与PCB的对位。具体步骤如下：

1.获取模板：

完成标定后，为了实现钢网与PCB的对齐，需要先获取钢网与PCB的模板，钢网与PCB的模板是指PCB正常进给到工作位，UVW旋转平台上升与钢网对齐，手动调节钢网与PCB对齐后，获取到该状态下相机拍摄到钢网与PCB左上，右下mark点的坐标，使用图像处理软件测定出钢网与PCB的mark点的圆心坐标，根据各坐标系间转换关系，将图像坐标系下mark点圆心坐标转化至世界坐标系中，获得mark点圆心在世界坐标系下的坐标，该坐标分别作为钢网模板与PCB模板。

2.计算新进给PCB相对PCB模板的相对位置：

对新进给的PCB，将相机移动到与获取模板时相同的位置，拍摄新进PCB左上，右下mark点图片，使用图像处理软件获取mark点圆心坐标，根据各坐标系间转换关系，将图像坐标系下mark点圆心坐标转化至世界坐标系中，获得mark点圆心在世界坐标系下的坐标，计算新进PCB左上，右下mark点连线与模板左上，右下mark点连线的角度θ_pp，计算新进PCB左上，右下mark点连线中心与模板左上，右下mark点连线中心距离(ΔX_pp,ΔY_pp)。

3.计算新钢网相对钢网模板的相对位置：

对印刷后替换的钢网，将相机移动到与获取模板时相同的位置，拍摄替换后、钢网左上，右下mark点图片，使用图像处理软件获取mark点圆心坐标，根据各坐标系间转换关系，将图像坐标系下mark点圆心坐标转化至世界坐标系中，获得mark点圆心在世界坐标系下的坐标，计算替换钢网左上，右下mark点连线与模板左上，右下mark点连线的角度θ_ss，计算新进PCB左上，右下mark点连线中心与模板左上，右下mark点连线中心距离(ΔX_ss,ΔY_ss)。

4.钢网与新进给PCB的对位过程

在锡膏印刷机生产印刷的过程中，为了实现PCB与钢网的高精度对位，需要采用特定的方法进行对位。

对于新进给的PCB板，或者替换后的钢网，根据新进给PCB相对PCB模板的相对位置的计算方法，以及新钢网相对钢网模板的相对位置的计算方法，计算得到UVW的平移量和旋转量，计算公式如下：

根据UVW平台的运动模型，通过ΔX_uvw1和ΔY_uvw1计算出平移情况下UVW旋转平台三轴移动量(ΔX_t1,ΔY1_t1,ΔY2_t1)，根据UVW旋转平台的运动模型，通过Δθ_uvw计算出旋转情况下UVW旋转平台三轴移动量(ΔX_r1,ΔY1_r1,ΔY2_r1)，UVW旋转平台总移动量如下：

在UVW平台按照以上数值各轴完成移动后，使用锡膏印刷机对PCB的左上，右下mark点进行下一次图像采集，得到mark点图像坐标系的坐标后，根据各坐标系转换关系得到mark点在世界坐标系下的坐标，根据新进给PCB相对PCB模板的相对位置的计算方法，计算得到UVW平台的平移量和旋转量，如下：

根据UVW平台的运动模型，通过△X_uvw2和△Y_uvw2计算出平移情况下UVW平台三轴移动量(ΔX_t2,ΔY1_t2,ΔY2_t2)，根据UVW平台的旋转模型，通过Δθ_uvw计算出旋转情况下UVW平台三轴移动量(ΔX_r2,ΔY1_r2,ΔY2_r2)，UVW平台总移动量如下：

UVW旋转平台按照以上数值各轴完成移动后，即完成了整个对位过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。