автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование гистограммного метода определения углового положения технологических объектов при визуальном контроле микрокомпонентов РЭА



УДК 620.179.1: 658.284

На правах рукописи

Максименко Сергей Викторович

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

Специальность 05.12.13 - Системы и устройства радиотехники и связи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург, 1998

Работа выполнена в Санкт - Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения

Научный руководитель: профессор, доктор технических паук Лопухин

Владимир Алексеевич

Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук

кандидат технических наук

Ведущее предприятие: АООТ «Авангард», Санкт - Петербург Защита состоится «_ »__

Явленский Александр Константинович Шадрин Александр Давидович

1998 г. в.

часов на

заседании диссертационного совета Д 063.21.01 при Санкт -Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения.

Адрес: 190000, Санкт - Петербург, ул. Большая Морская, д.67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт -Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Автореферат разослан htûJL^^pji- 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доцент, доктор технических наук ц^.

/

Ларин В.П.

Актуальность работы. На современном уровне производства микрокомпонс.чтов радиоэлектронной аппаратуры (МК РЭЛ) 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 ка их осуществление, снижается объективность и ценность контроля.

Повышение эффективности производства МК РЗА требует применения более современных и быстродействующих методов контроля изделии 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, гак как достоверность принятия решения по результатам контроля у большинства алгоритмов в значительной степени зависит от угла поворота; контроле линейных размеров, площади, периметра изображений для устранения систематических погрешностей; автоматической сборке узлов для обеспечения качества и повышения производительности процессов; загрузке деталей в обрабатывающее оборудование; упаковке в технологическую тару; сортировке изделий по различным признакам; определении 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 (ИГ1) 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 конструкторско -технологических параметров объектов производства МК РЭА на

точностные характеристики метода определения углового положения ТО по их бинарным изображениям.

2. Разработан метод контроля углопого 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 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.Разработаны методика, алгоритм и программные средства для исследования статистических характеристик ИИ 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 пуггм повышения скорости вычислительного процесса за счет перехода к обработке сжатой видеоинформации, обеспечивая при этом юч-ность 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-техпологической 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 «Медико -экологические 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 1997г. 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.

На защиту выносятся

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

- 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 алгоритма контроля углового положения;

- методика, алгоритм и программные средства для исследования статистических характеристик ИП гистограмм изображений и точности метода, моделирования вычислительных процессов обработки видеоинформации при контроле углового положения, синтеза

изображений ТО производства МК РЭА с заданными конструктор-ско-технологическими характеристиками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, сформулированы цель и основные задачи работы, определена научная новизна, практическая ценность полученных результатов и приведена краткая аннотация работы по главам.

Первая глава посвящена анализу задач автоматизированного визуального контроля ТО производства МК РЭА и требований, выдвигаемых к автоматизации.

На основе анализа задач, решаемых СТЗ при автоматизации технологических процессов производства МК РЭА, делается вывод о том, что важным составным этаном автоматизированного контроля, в значительной степени влияющим на достоверность, точность п производительность выполнения последующих технологических операций, является определение углового положения объектов по их изображениям. Под ТО понимаются планарные конструкции в виде готовых изделий или полуфабрикатов, два габаритных размера которых много больше третьего. К таким объектам относятся-печатные платы, подложки микросборок, интегральные микросхемы, фоточувствительные приборы с зарядовой связью, устройства на поверхностных акустических волнах. К ТО по указанным выше признакам относится и технологическая оснастка: фотошаблоны, маски, трафареты. Различные символы, геометрические фигуры и т.д., наносимые на поверхности ТО и на готовые узлы и детали, также могут быть отнесены по своим признакам к ТО производства МК РЭА. При этом вся необходимая информация для контроля ориентации объектов может быть получена из бинарных изображений.

Сложность решения задачи контроля ориентации определяется комплексом требований, анализ и учет которых необходим при использовании существующих, а также разработке и реализации новых методов. Данные требования можно разделить на две группы:

- требования, предъявляемые к техническому состоянию ТО;

- требования эффективности, предъявляемые к СТЗ, и носящие технико-экономический характер.

Основными требованиями технического состояния ТО являются: требования к форме и размерам и предельным отклонениям формы и размеров контура ТО; требования к микрогеометрическим

свойствам поверхности н контуров ТО; требования к макрогеомег-рическим свойствам поверхности и контуров ТО.

Требования эффективности характеризуются: соотношением временных затрат и стоимости средств автоматизации; точностью контроля углового положения; разнообразием форм ТО, пригодных для оценки и>; ориентации каким-либо методом.

Немаловажными особенностями, влияющими на эффективность и встраиваемость в производство СТЗ, реализующей тот или иной метод, являются также требуемый объем памяти, согласование с распространенными на сегодня видеодатчиками на уровне организации и темпа поступления видеоданных, необходимость выполнения дополнительных вычислений, связанных с нормализацией изображений, независимость величины временных затрат от площади (периметра) изображения ТО, уровень квалификации специалиста на стадии обучения.

Особенно жесткими в условиях серийного производства становятся требования к производительности СТЗ, которая должна обеспечивать обработку видеоинформации со скоростью 1..10 изделий в секунду. Так как затраты времени на решение вышеназванных технологических задач включают предварительную обработку, анализ изображений и манипулирование изделиями по результатам контроля, то временные рамки получения информации об угловом положении ТО сужаются в еще большей степени. Следовательно, временные затраты на определение ориентации должны составлять в общей структуре временных затрат единицы (десятки) мс. Точность существующих методов контроля углового положения ТО лежит в пределах 1-3°.

В контексте данных требований и дополнительных характеристик проведен анализ методов контроля ориентации по полному изображению, контуру, локальным особенностям и круговым сечениям, который показал их недостаточную эффективность прежде всего в отношении производительности.

Причиной этому является то, что сами принципы функционирования этих методов не обеспечивают согласования по быстродействию с технологическими процессами, а также с распространенными на сегодня телевизионными датчиками. Так вне зависимости от характера информации, используемой для оценки угла поворота ТО, необходимо запоминать полное изображение, что проявляется в избыточном объеме требуемой памяти. В связи с этим вычисления на двумерных массивах изображений приводят к неоправданным временным затратам, пропорциональным М2 или

о

М3, где N - размер изображения может находиться в пределах от 300 до 1000 и более. Следует также отметить необходимость выполнения дополнительных расчетов для нормализации изображений по масштабу, пространственным координатам и реализации сложных алгоритмов сканирования.

При контроле ориентации нескольких типов ТО применение существующих методов может сдерживаться трудностями синхронизации периодов подачи ТО с временными затратами, которые определяются не только применяемым методом, но и площадью (периметром) изображения ТО. Также играет роль квалификация оператора, который должен правильно выбрать реперные точки на этапе обучения. Это характерно для методов анализа локальных особенностей. То же самое, применительно к выбору окружности, относится и к некоторым методам круговых сечений.

Жесткость требований, предъявляемых к СТЗ, и сложность задачи измерения ориентации ТО производства МК РЭА в общей постановке в реальном масштабе времени на основе существующих методов позволяют сделать вывод о необходимости разработки нового более эффективного метода контроля углового положения.

Анализ требований, выдвигаемых к автоматизации, и принципов представления сжатой видеоинформации в СТЗ выявил перспективность разработки нового метода, основанного на сокращении избыточности представления бинарных изображений ТО путем сжатия их в гистограмму (вектор) локальных признаков, характеризующую распределение локальных признаков по их величине (угол наклона участка контура изображения в каждой контурной точке). Новый метод назовем гистограммным. Применительно к разрабатываемому методу ТО классифицированы по форме, внешнему виду гистограмм и энтропнйным показателям последних.

Вторая глава посвящена исследованию факторов, определяющих точностные характеристики системы контроля углового положения ТО производства МК РЭА.

Гистограммный метод измерения ориентации ТО предусматривает реализацию стадий формирования гистограммы изображения, предварительной обработки и корреляционного анализа гистограмм объектов с эталонной и неизвестной ориентацией. Формирование гистограммы осуществляется путем вычисления функции -признака Л ^/(")], определяющей угол наклона участка контура изображения ТО в каждой точке контура, попадающей в центр квадратного сканирующего электронного окна ¡¥,/п) размерно-

стыо пкп, где п - нечетко. В процессе сканирования формируется множество контурных признаков Р.

Гистограмма есть вектор — ] - Величина А' определяет число интервалов 0 размером АО, где к=0,...,К-\,

в диапазоне [0,360 ). Лв( - число попавших в к-й интервал значений Л #';,/(«)] Компоненты вектора определяются по формуле

Инвариантность взаимного углового положения контурных сегментов (КС) изображения ТО к преобразованию поворота находит свое отражение в гистограмме. Поворот объекта на угол Ф0, при котором его новый силуэт совпадает с исходным, равносилен кольцевому сдвигу составляющих гистограммы.

Данный вид инвариантности позволяет определять угол ориентации ТО путем последовательного кольцевого сдвига гистограмм

объектов с эталонной //е = | и неизвестной бэ = \ч&к ] ориентацией и вычислением на каждом шаге меры сходства между векторами в виде нормированной функции взаимной корреляции £(я):

к-1 ] Гам ам

£(*)= X Ч; / Д X Аея* -X ,

А-0 А / \ ¡--О А-0

где - компоненты вектора //©, сдвинутого на а элементарных

углов величиной АО относительно ()& (рис.1). Угол ориентации Ф объекта относительно его эталонного положения определяется из условия:

Ф4а-А0: шах

I а }

Стрелка обозначает направление сдвига гистограммы Яэ на стадии корреляционного сравнения.

Представление бинарного изображения ТО на дискретном растре, конечная размерность и дискретная структура окна неидеальность контуров технологических объектов, а также шумы видеоканала СТЗ приводят к тому, что линейному КС соответствует не одна составляющая гистограммы шириной А© (что имело бы место в идеальном случае (рис.1)), а несколько, которые образуют кластер с максимальной шириной у (в градусах).

где

1,/ Чц

о,/ Щ,(п)

о

г>

А

В

Е

а

В

0° « 360° 180°

0° » 360"

Рис. 1

Следовательно перед корреляционным сравнением необходимо выполнять предварительную обработку гистограммы, заключающуюся в оценке центров кластеров КС и построении соответствующих составляющих с амплитудой, равной мощности кластеров Р(1г)кл (количество контурных признаков /[Ж,//?)], сделавших вклад в формирование кластера).

Случайный характер оценки центра кластера, вызываемый перечисленными факторами, является источником погрешности при контроле углового положения предлагаемым методом. Погрешность оценки центра кластера КС Ьг с ориентацией ©(¿г), соответствующая доверительной вероятности Рд = 0,9, определяется как Д = /<т[в(£г)], где / = 1,6 - квантильный множитель.

Для проведения точностного анализа с целью выявления условий, при которых гистограммный метод будет обеспечивать сопоставимые значения погрешности, необходимо ввести множество параметров и моделей, которые бы характеризовали свойства ТО производства МК РЭА, систему на каждой вычислительной стадии, а также структурные элементы гистограмм или кластеры.

На основе анализа математических моделей шероховатости применительно к абразивной обработке поверхностей и контуров пластин и подложек ТО МК РЭА в качестве математической модели, описывающей микрогеометрические свойства поверхностей и

контуров ТО, принята реализация стационарного случайного процесса (ССП) с нулевым математическим ожиданием

*=0

где (рк - фаза гармонического колебания - случайная величина, распределенная равномерно в интервале (0, 2л); - амплитуда гармонического колебания - тоже случайная величина; сок - частота гармонического колебания; 1Х - пространственная координата. Вид корреляционной функции профиля КС зависит от типа и режима обработки. Корреляционная функция профиля, получающегося в результате абразивной обработки, в большинстве случаев удовлетворительно аппроксимируется выражением вида = £ "'г', где а - определяет спектральный состав профиля КС.

Между нормируемым ГОСТ 2789-73 параметром шероховатости поверхности и дисперсией Ох случайного процесса Х{1х) существует связь на уровне их средних

Определены ИП гистограмм, характеризующие кластер КС. К ним относятся максимальная ширина кластера /, мощность Р(ЬГ)КЛ и дисперсия отсчетов кластера <ткл. Тогда с.к о. оценки центра кластера записывается в виде

о",.

Далее в работе анализируются различные способы формирования гистограмм и реализации функции-признакаЛ^Л17)] с соответствующим каждому способу множеству параметров системы.

Минимум временных затрат на формирование гистограммы и их независимость от площади (периметра) изображения могут быть достигнуты за счет построчного однопроходного телевизионного сканирования изображения окном И^^(п) синхронно с поступлением информации с видеодатчика. Такой способ позволяет не запоминать все изображение целиком.

Угловые контурные признаки рассчитываются по формуле Л^.Д«)] = arctg(&.y/Ax), где \у и Дх - разность ординат и абсцисс точек контура, лежащих по периметру окна ЖлДл).

Для окна И^.Дя) вводится также дополнительный параметр ¡1, имеющий смысл допуска на линейность контура в окне. Те признаки, у которых линейность контура не удовлетворяет границам, установленным с1, отбрасываются на стадии сканирования.

Стадия предварительной обработки характеризуется параметрами /А и М. Вычислению центров кластеров предшествует пороговая обработка гистограммы по порогу /И с целью дополнительной фильтрации шумовых компонент в межкластерных промежутках. Далее в работе описывается алгоритм локализации класте ров, заключающийся в обработке гистограммы одномерным скользящим окном длиной М. Центр кластера определяется по формуле

где к - текущий номер интервала гистограммы, указывающий положение левой границы кластера; М = у/А® - дискретный аналог максимальной ширины кластера.

Угловое разрешение гистограммы ¿10, определяющее количество интервалов К, не должно превышать минимального значения погрешности рассеяния 6(£г).

Контурный сегмент ¿г, представленный на дискретном растре и ориентированный параллельно или ортогонально строкам растра при условии равенства масштаба изображения по вертикали и горизонтали, характеризуется длиной которая измеряется в пикселах и связана с его действительным размером /д, соотношением

, где т - масштабный коэффициент перехода из плоскости дискретного в плоскость исследуемого изображения. Аналогично для £)г и Яа можно записать =/я-(Л/д)(:"'или Я.а ~т-К1^, где индекс «п» означает дискретные аналоги £)х и Ка, выраженные в пикселах.

Форма ТО определяется структурой угловой связности КС С0= Л©(12, Ь,) ->А(Э(13,Ь2) ->...-* -»¿©(¿/.¿я).

где Л0(1ГА_;) = 0(1Г) - ©(£„,).

Таким образом, проведенный анализ позволил выделить основные факторы, которые необходимо принимать во внимание при анализе их влияния на ИП гистограмм, а , следовательно и на точность. Это характеристики системы на стадии формирования гистограммы (п, О) и на стадии предобработки (?/г), а также свойства ТО (Дх или Яв, а, ©(¿г))-

и

Третья глава посвящена разработке математической модели измерительного тракта и методики параметрического синтеза системы определения ориентации ТО производства МК РЭА.

Анализ влияния параметров системы и характеристик ТО производства МК РЭА на значения ИП гистограмм (мощности кластера Р(1Г)К„ максимальной ширины кластера у и дисперсии угловых контурных признаков, образующих кластер, позволил обосновать оптимальные условия для их теоретической и экспериментальной оценок. В результате были получены в аналитическом виде выражения, описывающие информационно - измерительный тракт системы.

Максимальная ширина кластера у, необходимая для расчета длины одномерного окна на стадии предобработки М , определяется с доверительной вероятностью Р/Г-0,9 (квантильный множитель 1=1,6) из соотношения

С.к.о. угловых контурных признаков <та рассчитывается по формуле

(лДрГ)00

СГкл = агс1ё =агС(у—.

Важным условием, обеспечивающим адекватность расчетных формул для у и <т„, является выполнение неравенства

у(п)

Мощность кластера, интерпретируемая как объем статистики в выражении для сг[©(£г)|, является случайной величиной. Поэтому для получения устойчивых оценок имеет смысл перейти к средним значениям Р(ЬГ)КЛ. Тогда будет справедливо М[Р(Ьг)^]=КсР(Ьг)х, где Кс - коэффициент, характеризующий среднюю долю контурных признаков, сделавших свой вклад в формирование кластера КС длиной Р(1,)±-

На основе проведенных рассуждений выражение для погрешности оценки центра кластера с доверительной вероятностью Рд= 0,9 (квантильный множитель /=1,6) принимает вид

^ ")("7(л - I) I агаЛк^ЧхКп - !)|

Ф('->]ы----'' ■

Выражения для у и А[о(£г)] легли в основу для разработки методики синтеза параметров системы определения ориентации.

Исходными данными для методики являются макрогеометриче-ские свойства, описывающие линейные размеры КС (//,,) и их взаимные угловые отношения (С®); параметры /?„ и а , характеризующие микрогеометрические свойства КС, требования к погрешности определения ориентации; максимальная размерность электронного сканирующего окна п„ах\ начальные значения порога фильтрации /А и допуска на контроль нелинейности участка КС в окне й принимаются минимальными и равными 2 и 1 соответственно.

Синтез осуществляется в два этапа. На первом этапе находятся условия, при которых возможна реализация алгоритма поиска кластеров и вычисления их центров. На втором этапе проверяется условие обеспечения заданной точности.

Выходными данными являются размерность сканирующего окна, л; допуск на контроль нелинейности контура в окне ^^(п), <Л\ порог фильтрации гистограммы. /Л, длина одномерного окна, Л/; величина интервала гистограммы, Д0. масштабный коэффициент оптической системы СТЗ, т: количество циклов корреляционного сравнения, аф=Ф0/ А©, зависящее от симметрии ТО.

Произведена оценка временных затрат па предварительную обработку и корреляционный анализ. Исходя из количества операций, которые необходимо выполнить при предварительной обработке гистограммы и корреляционном сравнении, общие временные затраты Г можно приближенно определить из соотношения

Г = Тск + Т(К + КМ + афК) ,

где I - среднее время выполнения одной операции; 7"ск - время формирования гистограммы. Задавшись К-360 (А©=1°), аф = Фо/Д0 = 360/1 = 360 (объект не имеет осей симметрии), М/Х=0,14 (близкое к максимуму), диапазоном I = 10... 100 не, и, пренебрегая К, получим верхнюю границу временных затрат на выполнение стадий предобработки гистограммы и корреляционного сравнения в пределах 1,5... 15 мс.

Переход от анализа двумерных бинарных изображений к их сжатым описаниям в виде гистограмм позволяет в среднем в 10 раз

снизить объем обрабатываемой информации и количество вычислительных операций, и, следовательно, уменьшить временные затраты на расчет угла поворота. Ориентировочные оценки временных затрат на предобработку и вычисление меры сходства в сравнении с Гск — 20 мс в стандартном телевизионном режиме свидетельствуют о возможности решения задачи контроля ориентации ТО гистограммным методом в реальном масштабе времени в соответствии с требованиями к производительности, сформулированными в главе 1.

Четвертая глава посвящена разработке методики исследования статистических характеристик ИП гистограмм ТО производства МК РЭА и моделированию алгоритма контроля углового положения объектов.

Программный продукт написан на языке OBJECT PASCAL и может быть использован для исследований, разработки и моделирования алгоритмов определения углового положения и контроля качества ТО на основе гистограмм изображений с целью создания эффективных систем контроля в реальном масштабе времени и улучшения контролепригодности ТО, а также в условиях производства МК РЭА при проведении автоматизированного технологического контроля различных процессов на базе СТЗ.

Расширение возможностей программы происходит путем добавления модулей, позволяющих реализовывать иные режимы сканирования бинарных изображений ТО, формирования и предварительной обработки гистограмм, исследовать большее число ИП гистограмм и т.д.

Представлена методика подготовки исходных данных для задания режимов обработки изображений и гистограмм. Описано назначение всех элементов управления и логика работы программы.

В рамках программы разработаны базовые процедуры формирования, предварительной обработки, а также корреляционного анализа гистограмм изображений ТО. Для исследовательских целей разработаны процедуры генерации тестовых изображений ТО с контурами с заданными дисперсионными и спектральными свойствами, поворота изображения и статистической обработки данных.

На основе разработанных процедур реализованы методика исследования статистических характеристик ИП кластера КС (ширины кластера у, мощности кластера P(Lr)K,„ погрешности оценки центра кластера л[0~(О]= i<J[®(L,)]) и алгоритм, моде -лирующий вычислительные стадии при контроле ориентации ТО.

Методика подготовки вещественного массива амплитуд гармонических составляющих ССП, моделирующего контур ТО, реализована в среде Mathcad Plus 6.0. По формулам

I г 2 7'

А, = -= f К(t)dr, Dk.= - f кх(г) cos(ü),v)dг

' и * о

вычисляются дисперсии гармоник спектрального разложения СС'П. Дисперсия ССП D = ^Dt. Принимая амплитуды гармоник ССП

неслучайными, определяем их из выражения Zk = J2Dk . В этом случае все равно будет иметь место случайный процесс за счет случайного сдвига фазы колебания 0* на частоте сок. Полученный массив значений Z<. записывается в файл и считывается программой при ее запуске.

В случае необходимости при работе программы инициируется процедура прорисовки тестового изображения ТО в виде прямоугольника с контурами в виде реализаций процесса X{tx), сформированными на основе массива Z¿. Дисперсия ССГ1 Dx, отображаемого на экране, зависит от дисперсии исходного ССП D и множителя Со как О Л. - c^D .Значение с0 регулируется из основного окна программы.

Важная особенность и достоинство разработанного метода состоит в отсутствии необходимости равенства масштабов изображений объектов с эталонной и неизвестной ориентацией благодаря нормированию гистограмм перед корреляционным сравнением. Также нет ограничений на положение изображений в пределах растра из-за потери пространственной информации при сжатии. В связи с этим за исключением стандартных методов предварительной обработки изображений не требуются дополнительные вычисления для нормализации по масштабу и пространственным координатам. Обучение программы путем простого показа изображения с нужной ориентацией исключает необходимость высокой квалификации специалиста. Временные затраты на определение Ф при программной реализации алгоритма без учета времени на программное сканирование изображения ТО окном IV,./п) составляют не более 1 с.

Показаны дополнительные области применения описаний изображений ТО на основе данного типа гистограмм, направления совершенствования возможностей программы и дальнейших исследований. Исследованы возможность решения задачи простран-

ственной ориентации захвата манипулятора робота мри выборке неупорядоченных, хаотично ориентированных ТО из навала на основе нанесенных на поверхность ТО специальных контрастных меток; подходы к проектированию фигур разной формы с близкими гистограммами с целью формирования групповых гистограммных описаний и распознавания фигур по другим признакам. Проектирование тестовых изображений, позволяющих визуализировать различные типы дефектов, дает возможность контролировать качество поверхности на основе анализа сформированных гистограмм.

Рассмотрим алгоритм вывода манипулятора в наиболее удобную позицию для захвата ТО на основе контрастных меток в виде геометрических примитивов (рис.2).

На первом этапе оптическая ось видеодатчика СТЗ в общем случае не ортогональна плоскости, на которой расположена метка. Тогда круг будет представлять собой эллипс, ориентированный некоторым образом в ноле зрения (рис.3,а) с соответствующей гистограммой (рис.3,6). Реализация стратегии поиска точки в пространстве, в которой оптическая ось видеодатчика будет ортогональна плоскости метки, приведет к вырождению эллипса в круг. Гистограмма круга показана на рис.3,в.

а; 6)

поверхность ТО

Рис.2

14

lUdllIllil.il......,__ Mit Hllllllll.........

О 30 60 90 120 150 ¡30 210 240 270

Л

Я « 90 120 150 180 210 240 270 300 330

Рис.3

В качестве критерия окончания поиска может быть использован критерий минимума размаха между максимальной и минимальной

составляющими гистограммы (рнс.З.в). После этого ориентация ТО в плоскости Х-У может быть вычислена путем корреляционного сравнения с эталонными гистограмм прямоугольника (Фо=180°) или треугольника (Фо=120п). На основе информации об ориентации корректируется угловое положение манипулятора относительно ТО и производится его захват.

Проектирование подобных меток и нанесение их на ТО сложной формы позволяет упростить программно - аппаратную структуру СТЗ и повысить ее гибкость для облегчения перехода к все более мелким сериям выпуска изделий расширяющейся и часто меняющейся номенклатуры с одной стороны и повысить технологичность и контролепригодность самих изделий с другой.

Пятая глава посвящена обсуждению результатов экспериментальных исследований гистограммного метода контроля углового положения ТО производства М'К РЭЛ.

Приведены расчетные и экспериментальные зависимости для ширины кластера у и погрешности оценки центра кластера Л =/ст[в (/.,.)] одиночного контурного сегмента изображения ТО, а также экспериментальные данные для коэффициента Л'г> который используется для расчета Полученные соотношения

пригодны для практической оценки параметров информационно -измерительного тракта системы контроля углового положения.

В большинстве случаев гистограммный метод обеспечивает точность не хуже, чем существующие методы, и составляющую ±1-3° в условиях неидеальности контуров и дискретного растрового представления изображений ТО.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Проведен анализ конструктивно-технологических характеристик объектов производства МК РЭЛ, 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 гистограмм 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. Результаты работы использованы:

- в ОАО «ОМЗ» при предварительном ориентировании листовых заготовок перед штамповкой;

- в АОЗТ «Микросенсор» при производстве газовых микросенсоров;

- в учебном процессе ГУАП.

По материалам диссертации опубликованы работы:

1.Максименко C.B., Карпов C.B. Использование свойств симметрии деталей при разработке критериев телевизионного контроля /«XIX Гагаринские чтения»: Тез. докл. молодежной науч.-техн. конф., апрель 1993; МГАТУ. М., 1993. 4.2. стр.41

2.Максименко C.B. Телевизионная измерительная система /«XX Гагаринские чтения»: Тез. докл. молодежной науч.-техн. конф., апрель 1994; МГАТУ. М„ 1994. 4.2. стр.32

3. Максименко C.B. Определение ориентации технологических объектов по их изображениям Санкт - Петербургская академия аэрокосмического приборостроения. Санкт -Петербург, 1997. 15с., Д.Р. ВИНИТИ № 51-В97, 08.01.97.

4. Лопухин В.А., Максименко C.B. Система технического зрения для распознавания положения ЧИП-конденсаторов в движении // «Распознавание - 95»: тез. конфер., Курск, 1995.

5. Лопухин В.А., Шелест Д.К., Максименко C.B. Структурно-лингвистический подход к анализу регулярных структур при автоматизированном визуальном контроле // «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства неразрушающего контроля»: тез. конфер., Саратов, 1995.

6. Максименко C.B. Способ автоматического определения ориентации деталей по их изображениям на операциях сборки и контро-

ля качества /«ХХШ Гагаринские чтения»: Тез. докл. молодежной науч.-техн. конф., апрель 1997; МГАТУ. М., 1997.

7. Максименко С,В. Функции лингвистического фильтра в системах технологического визуального контроля /«XXII Гагаринские чтения»: Тез. докл. молодежной науч.-техн. конф., апрель 1996; МГАТУ. М., 1996. 4.2. стр.!5

8. Лопухин В.А., Максименко C.B., Шелест Д.К. Определение ориентации технологических объектов на основе гистограммных описаний их изображений // «Оптнко - электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации»: тез. конфер., Курск 1997.

9. Лопухин В.А., Максименко C.B., Шелест Д.К. Определение ориентации технологических объектов на основе гистограммных описаний их изображений // «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий»: тез. конфер., Череповец, 1997.

10. Максименко C.B. Использование гистограммного представления изображений при определении ориентации объектов в системах технологического визуального контроля // Известия вузов. Приборостроение. Per. № 8092.

11. Максименко C.B. Программа «Измерение ориентации технологических объектов на основе гистограммных описаний бинарных изображений». № Гос.ФАП 50980000018, 1998.

12. Лопухин В.А., Максименко C.B. Гистограммный метод определения ориентации объектов по их изображениям в системах технологического визуального контроля // «Медико - экологические информационные технологии - 98»: тез. конфер., Курск, 1998.

Лицензия ЛР № 020341 от 07.05.97 г. Подписано к печати20Л 1.98 г. Формат 60 х 84 1/16. Печать офсетная. Бумага тип. № 3 Усл.-печ. л. 1,2 Уч.-изд. л. 1,3 Заказ №274 Тираж 80 экз.

Отдел оперативной полиграфии СПбГУАП 190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГИСТОГРАММНОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ВИЗУАЛЬНОМ КОНТРОЛЕ МИКРОКОМПОНЕНТОВ РЭА

Специальность 05.12.13 - Системы и устройства радиотехники и связи

На правах рукописи

Максименко Сергей Викторович

УДК 620Л79Л: 658.284

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, доктор технических наук Лопухин В.А.

Санкт - Петербург, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1. АНАЛИЗ ЗАДАЧ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВИЗУАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПРОИЗВОДСТВА МК РЭА И ТРЕБОВАНИЙ, ВЫДВИГАЕМЫХ К АВТОМАТИЗАЦИИ 22

1 Л. Структура и задачи СТЗ 22

1.2. Анализ требований к техническому состоянию технологических объектов и системам контроля их углового положения 29

1.3. Анализ методов контроля углового положения технологических объектов 35

1.4. Анализ гистограммных описаний бинарных изображений технологических объектов 44

Выводы 52

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ТОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПРОИЗВОДСТВА МК РЭА 54

2.1. Основные принципы контроля углового положения технологических объектов гистограммным методом 54

2.2. Выбор математической модели контура технологических объектов 64

2.3. Анализ информационных признаков гистограмм, определяющих реализуемость и точность метода 69

2.4. Анализ влияния характеристик системы контроля и геометрических параметров технологических объектов на значения информационных признаков гистограммных описаний изображений 70

Выводы 78

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ТРАКТА. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПРОИЗВОДСТВА МК РЭА 80

ЗЛ. Оценка мощности кластера контурного сегмента 80

3.2. Оценка ширины кластера контурного сегмента 84

3.3. Анализ точности гистограммного метода контроля 86

3.4 Методика параметрического синтеза системы контроля ориентации технологических объектов 89

3.5. Оценка вычислительной сложности алгоритма определения ориентации технологических объектов гистограммным методом 98

Выводы 103

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРИЗНАКОВ ГИСТОГРАММ ИЗОБРАЖЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПРОИЗВОДСТВА МК РЭА. МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА КОНТРОЛЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ 105

4.1. Структура исходных данных программы 105

4.2. Методика генерации тестовых изображений технологических объектов 110

4.3 Методика определения статистических характеристик информационных признаков кластеров гистограмм изображений 114

4.4 Методика определения углового положения технологических объектов 119

4.5 Анализ возможностей применения гистограммных описаний для решения задач контроля качества, сортировки и захвата

неупорядоченных технологических объектов манипулятором 122 Выводы 127

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИСТОГРАММНОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПРОИЗВОДСТВА МК РЭА 129

Выводы 142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143

ЛИТЕРАТУРА 145

Введение

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) объек-

та, 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 поворота; контроле линейных размеров, площади, периметра изображений для устранения систематических погрешностей; автоматической сборке узлов для обеспечения качества и повышения производительности процессов; загрузке деталей в обрабатывающее оборудование; упаковке в технологическую тару; сортировке изделий по различным признакам; определении 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 конструкторско -технологических 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 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.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 «Медико -экологические 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 1997г. 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.

На защиту выносятся

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

- 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 алгоритма контроля углового положения;

- методика, алгоритм и программные средства для исследования статистических характеристик ИП гистограмм изображений и точности метода, моделирования вычислительных процессов обработки видеоинформации при контроле углового положения, синтеза изображений ТО производства МК РЭА с заданными конструктор-ско-технологическими характеристиками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, сформулированы цель и основные задачи работы, определена на-

учная новизна, практическая ценность полученных результатов и приведена краткая аннотация работы по главам.

Первая глава посвящена анализу задач автоматизированного визуального контроля ТО производства МК РЭА и требований, выдвигаемых к автоматизации.

На основе анализа задач, решаемых СТЗ при автоматизации технологических процессов производства МК РЭА, делается вывод о том, что важным составным этапом автоматизированного контроля, в значительной степени влияющим на достоверность, точность и производительность выполнения последующих технологических операций, является определение углового положения объектов по их изображениям. Под ТО понимаются планарные конструкции в виде готовых изделий или полуфабрикатов, два габаритных размера которых много больше третьего. К таким объектам относятся печатные платы, подложки микросборок, интегральные микросхемы, фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС), устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ). К ТО по указанным выше признакам относится и технологическая оснастка: фотошаблоны, маски, трафареты. Различные символы, геометрические фигуры и т.д., наносимые на поверхности ТО и на готовые узлы и детали, также могут быть отнесены по своим признакам к ТО производства МК РЭА. При этом вся необходимая информация для контроля ориентации объектов может быть получена из бинарных изображений.

Сложность решения задачи контроля ориентации определяется комплексом требований, анализ и учет которых необходим при использовании существующих, а также разработке и реализации новых методов. Данные требования можно разделить на две группы: - требования, предъявляемые к техническому состоянию ТО;

- требования эффективности, предъявляемые к СТЗ, и носящие технико-экономический характер.

Основными требованиями технического состояния ТО являются: требования к форме и размерам и предельным отклонениям формы и размеров контура ТО; требования к микрогеометрическим свойствам поверхности и контуров ТО; требования к макрогеомет-рическим свойствам поверхности и контуров ТО.

Требования эффективности характеризуются: соотношением временных затрат и стоимости средств автоматизации; точностью контроля углового положения; разнообразием форм ТО, пригодных для оценки их ориентации каким-либо методом.

Немаловажными особенностями, влияющими на эффективность и встраиваемость в производство СТЗ, реализующей тот или иной метод, являются также требуемый объем памяти, согласование с распространенными на сегодня видеодатчиками на уровне организации и темпа поступления видеоданных, необходимость выполнения дополнительных вычислений, связанных с нормализацией изображений, независимость величины временных затрат от площади (периметра) изображения ТО, уровень квалификации специалиста на стадии обучения.

Особенно жесткими в условиях серийного производства становятся требования к производительности СТЗ, которая должна обеспечивать обработку видеоинформации со скоростью 1..10 изделий в секунду. Так как затраты времени на решение вышеназванных технологических задач включают предварительную обработку, анализ изображений и манипулирование изделиями по результатам контроля, то временные рамки получения информации об угловом положении ТО сужаются в еще большей степени. Следовательно, временные затраты на определение ориентации долж-

ны составлять в общей структуре временных затрат единицы (десятки) мс. Точность существующих методов контроля углового положения ТО лежит в пределах 1-3°.

В контексте данных требований и дополнительных характеристик проведен анализ методов контроля ориентации по полному изображению, контуру, локальным особенностям и круговым сечениям, который показал их недостаточную эффективность прежде всего в отношении производительности.

Жесткость требований, предъявляемых к СТЗ, и сложность задачи измерения ориентации