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摘要：随着计算机图像检测技术以及图形识别手段不断地发展，在LED显示屏行业中，越来越多地使用到相关的图像识别技术用于LED显示屏的研发和生产的工艺中。在印制电路板（PCB）的生产工艺方面，尤其在对小间距LED的PCB板生产过程中外形尺寸的要求是及其严格的。本文将阐述如何设计一套适用于LED行业中PCB板高精度切割的系统并介绍系统的特点、关键技术。系统使用优化的机器视觉技术可对PCB板上的Mark点进行快速定位，并通过边缘检测等一系列图像识别处理技术精确识别Mark点的坐标，最终针对不同的PCB参数计算出合适的切割路径，并完成印制板铣边。
关键词：印制电路板（PCB）;高精度;Mark点;边缘检测;机器视觉
一、概述
由于LED小间距产品的PCB电路板生产的尺寸精度得不到保证，无法满足当前小间距LED显示屏拼装工艺的要求，即需要设计一套针对印制板切割的系统。基于Mark点检测技术的PCB板切割系统主要是用于解决PCB印制板尺寸精度的问题，解决了这一问题可让PCB印制板和结构件可以完美地契合，让LED显示屏，尤其是小间距的LED显示屏的显示效果更加完美。该系统使用了数学建模、视觉检测、运动控制、图像处理等技术。系统以精雕机台为载体，使用三维模型的立体式运动控制方式，空间上x、Y、z三个方向协同动作，实现精准定位、协调动作，根据规划的路线、运动速度同步控制。
二、系统整体设计
1.系统平台的架构
该系统采用软、硬结合的一体式综合性平台框架，其中硬件平台如下图，由铣边机台、工业摄像机、补光灯、伺服器、运动控制卡、控制计算机等组成。铣边机台为该系统的支撑平台，提供400mm*400mm方形的行程区域，机台理论精度达到0.01mm;工业摄像机支持手动、自动变焦，分辨率最高可达1080p，并且配备了色温在3500K左右暖白光的补光LED灯，能够尽量拍摄出PCB印制板的本色，减小识别Mark点的难度;伺服器驱动着铣边机台x、y、z三轴的动作;运动控制卡与控制计算机相互连接，通过发送脉冲信号使得x、y、z三轴按照计算好的路径运行。
2.软件运行流程
该套系统在硬件平台框架的基础上，开发了一套软件平台，该软件平台可按自动化流程执行铣边程序。软件需要预先配置一些必要的参数，包括工业摄像机参数、识别Mark点所必要的参数、工艺边参数、Mark点位置参数，然后根据相关参数计算出铣边机台x、y、z三轴的运动路径，并可将路径信息转化为G代码文件，最终软件给运动控制模块发送指令，让x、y、z三轴按照计算的路径、速度运行。具体软件运行流程如下图。
3.系统平台特点
3.1精度高
能根据提供的Mark参照点准确定位印制板的边缘，并且可以根据精度要求提供多个参照点提高定位精度，经过验证，数学运算模型计算的结果完全符合印制板尺寸使用的要求。
3.2适应性强
能适用于光线不同的环境，能根据检测结果进行再调整，提高准确度。
3.3可兼容性
由于运动控制方面使用的模块是独立封装的，并且运动轨迹计算的算法也是自主研发的，故本系统中使用的关键技术也可应用在其它系统中，并支持系统的二次开发。
3.4三维模型下的运动控制
以往的系统都是在二维平面下进行运动控制，现采用的是三维模型的运动控制，处理更加灵活，准确度更高。
3.5强大的可扩展性
系统具备强大的可扩展性，由于该套系统的结构是模块化的，具备高耦合、低内聚的特性，可根据项目的实际需求进行增删操作，并且不会影响系统的稳定性和完整性。
三、关键技术介绍
1.视觉检测
采用工业级摄像头，支持手动和自动变焦、动态补光，使得拍照获取的图片更加清晰。并且引入十字架定位功能，辅助定位Mark点中心点。该视觉检测技术拍摄出的PCB印制板图像能够突出区分出各焊盘与Mark点的形状，便于后期处理。
2.图像处理技术（不同形状的Mark点）
根据采集的图像，为了获得Mark点的相对坐标，使用图像的边缘检测技术获取Mark点位置。图像的灰度不同，边界处一般会有明显的边缘，利用此特征可以分割图像。为了增加Mark点检测的成功率，在实际的图像分割中，使用了二阶导数，二阶导数对噪声也比较敏感，解决的方法是先对图像进行平滑滤波，消除部分噪声，再进行边缘检测。二值化处理也会对边缘检测的结果造成一定的影响，阈值的选择可改变边缘处理的结果。
该图像处理技术支持圆形和方形两种Mark点图形，在后期测试处理过程中，发现由于PCB印制板Mark点制作工艺的问题，仅仅识别方形或圆形Mark点已经不能满足实际使用的需要，因为Mark点有可能是异形的，在此方法设计的时候，加入了对异形Mark点的支持，主要使用的方法是通过设定一个二值化的阈值目标及设定一个异形Mark尺寸的区间范围，在这两个参数的基础上可以精确的找出Mark点，并将工业相机的中心位置移动到Mark点的正下方。
3.数学计算模型
为了达到计算的整体性和严谨性，本系统中使用了大量的数学计算，运动轨迹的计算是该系统的核心技术。采用了自定義的数学模型模拟计算x、y、z三维运动模型下可能需要产生的路径，主要内容如下。
本数学计算模型大致分为三个步骤，即参数定义、路径顶点计算、刀具补偿。示意图如下。
由于刀具在执行切割动作后会有不同程度的磨损，而刀具的磨损会影响铣边的精度，故需要加入刀损补偿的计算，计算后能得到最新的四个顶点坐标a（ax2，ay2）、b（bx2，by2）、c（cx2，cy2）、d（dx2，dy2）上的值，刀补x方向补偿为knifeX，刀补y方向补偿为knifeY，在不考虑内收距离和让刀距离的情况下新计算的四个顶点坐标只需在原坐标横向和纵向方向上加上刀补即可。
4.Mark点查找技术
Mark点会出现在印制板板内或突台上，为了能获取系统需要的数据，系统采用双Mark点定位采集机制。首先拍摄机械臂在z轴方向上固定位置，再通过二维平面的x和Y方向上的移动可定位到任意位置的Mark点周围，并实时拍摄每一幅PCB图片，再通过相应的图像采集、图像处理技术获取Mark点的坐标。
四、结束语
本文对高密度PCB印制板外形切割系统的设计做了详细的描述。针对系统中使用到的关键技术进行了介绍。提出了视觉检测、边缘检测图像处理技术、数学技术模型、Mark点查找技术等。本文系统已在高密度LED的PCB印制板切割中测试并使用，理论上可到达0.0hmn的精度，由于刀具误差及工业相机拍照的位移误差可能会导致精度下降，可通过刀具补偿等算法进行纠正。
关键词：印制电路板（PCB）;高精度;Mark点;边缘检测;机器视觉
一、概述
由于LED小间距产品的PCB电路板生产的尺寸精度得不到保证，无法满足当前小间距LED显示屏拼装工艺的要求，即需要设计一套针对印制板切割的系统。基于Mark点检测技术的PCB板切割系统主要是用于解决PCB印制板尺寸精度的问题，解决了这一问题可让PCB印制板和结构件可以完美地契合，让LED显示屏，尤其是小间距的LED显示屏的显示效果更加完美。该系统使用了数学建模、视觉检测、运动控制、图像处理等技术。系统以精雕机台为载体，使用三维模型的立体式运动控制方式，空间上x、Y、z三个方向协同动作，实现精准定位、协调动作，根据规划的路线、运动速度同步控制。
二、系统整体设计
1.系统平台的架构
该系统采用软、硬结合的一体式综合性平台框架，其中硬件平台如下图，由铣边机台、工业摄像机、补光灯、伺服器、运动控制卡、控制计算机等组成。铣边机台为该系统的支撑平台，提供400mm*400mm方形的行程区域，机台理论精度达到0.01mm;工业摄像机支持手动、自动变焦，分辨率最高可达1080p，并且配备了色温在3500K左右暖白光的补光LED灯，能够尽量拍摄出PCB印制板的本色，减小识别Mark点的难度;伺服器驱动着铣边机台x、y、z三轴的动作;运动控制卡与控制计算机相互连接，通过发送脉冲信号使得x、y、z三轴按照计算好的路径运行。
2.软件运行流程
该套系统在硬件平台框架的基础上，开发了一套软件平台，该软件平台可按自动化流程执行铣边程序。软件需要预先配置一些必要的参数，包括工业摄像机参数、识别Mark点所必要的参数、工艺边参数、Mark点位置参数，然后根据相关参数计算出铣边机台x、y、z三轴的运动路径，并可将路径信息转化为G代码文件，最终软件给运动控制模块发送指令，让x、y、z三轴按照计算的路径、速度运行。具体软件运行流程如下图。
3.系统平台特点
3.1精度高
能根据提供的Mark参照点准确定位印制板的边缘，并且可以根据精度要求提供多个参照点提高定位精度，经过验证，数学运算模型计算的结果完全符合印制板尺寸使用的要求。
3.2适应性强
能适用于光线不同的环境，能根据检测结果进行再调整，提高准确度。
3.3可兼容性
由于运动控制方面使用的模块是独立封装的，并且运动轨迹计算的算法也是自主研发的，故本系统中使用的关键技术也可应用在其它系统中，并支持系统的二次开发。
3.4三维模型下的运动控制
以往的系统都是在二维平面下进行运动控制，现采用的是三维模型的运动控制，处理更加灵活，准确度更高。
3.5强大的可扩展性
系统具备强大的可扩展性，由于该套系统的结构是模块化的，具备高耦合、低内聚的特性，可根据项目的实际需求进行增删操作，并且不会影响系统的稳定性和完整性。
三、关键技术介绍
1.视觉检测
采用工业级摄像头，支持手动和自动变焦、动态补光，使得拍照获取的图片更加清晰。并且引入十字架定位功能，辅助定位Mark点中心点。该视觉检测技术拍摄出的PCB印制板图像能够突出区分出各焊盘与Mark点的形状，便于后期处理。
2.图像处理技术（不同形状的Mark点）
根据采集的图像，为了获得Mark点的相对坐标，使用图像的边缘检测技术获取Mark点位置。图像的灰度不同，边界处一般会有明显的边缘，利用此特征可以分割图像。为了增加Mark点检测的成功率，在实际的图像分割中，使用了二阶导数，二阶导数对噪声也比较敏感，解决的方法是先对图像进行平滑滤波，消除部分噪声，再进行边缘检测。二值化处理也会对边缘检测的结果造成一定的影响，阈值的选择可改变边缘处理的结果。
该图像处理技术支持圆形和方形两种Mark点图形，在后期测试处理过程中，发现由于PCB印制板Mark点制作工艺的问题，仅仅识别方形或圆形Mark点已经不能满足实际使用的需要，因为Mark点有可能是异形的，在此方法设计的时候，加入了对异形Mark点的支持，主要使用的方法是通过设定一个二值化的阈值目标及设定一个异形Mark尺寸的区间范围，在这两个参数的基础上可以精确的找出Mark点，并将工业相机的中心位置移动到Mark点的正下方。
3.数学计算模型
为了达到计算的整体性和严谨性，本系统中使用了大量的数学计算，运动轨迹的计算是该系统的核心技术。采用了自定義的数学模型模拟计算x、y、z三维运动模型下可能需要产生的路径，主要内容如下。
本数学计算模型大致分为三个步骤，即参数定义、路径顶点计算、刀具补偿。示意图如下。
由于刀具在执行切割动作后会有不同程度的磨损，而刀具的磨损会影响铣边的精度，故需要加入刀损补偿的计算，计算后能得到最新的四个顶点坐标a（ax2，ay2）、b（bx2，by2）、c（cx2，cy2）、d（dx2，dy2）上的值，刀补x方向补偿为knifeX，刀补y方向补偿为knifeY，在不考虑内收距离和让刀距离的情况下新计算的四个顶点坐标只需在原坐标横向和纵向方向上加上刀补即可。
4.Mark点查找技术
Mark点会出现在印制板板内或突台上，为了能获取系统需要的数据，系统采用双Mark点定位采集机制。首先拍摄机械臂在z轴方向上固定位置，再通过二维平面的x和Y方向上的移动可定位到任意位置的Mark点周围，并实时拍摄每一幅PCB图片，再通过相应的图像采集、图像处理技术获取Mark点的坐标。
四、结束语
本文对高密度PCB印制板外形切割系统的设计做了详细的描述。针对系统中使用到的关键技术进行了介绍。提出了视觉检测、边缘检测图像处理技术、数学技术模型、Mark点查找技术等。本文系统已在高密度LED的PCB印制板切割中测试并使用，理论上可到达0.0hmn的精度，由于刀具误差及工业相机拍照的位移误差可能会导致精度下降，可通过刀具补偿等算法进行纠正。