PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tên đề tài/dự án: Định vị và phân loại bo mạch bị lỗi thiếu linh kiện bằng công nghệ xử lý ảnh và robot. Chủ nhiệm đề tài/dự án: Nguyễn Việt Thắng Cơ quan chủ trì: Trung tâm phát triển khoa học và công nghệ trẻ Thời gian thực hiện: 12 tháng Kinh phí đƣợc duyệt: 80 triệu đồng Kinh phí đã cấp:. theo Thông báo số.
Mục tiêu tổng quát: Xây dựng hệ thống kiểm tra linh kiện bị thiếu trên board mạch với giá thành rẻ, độ tin cậy cao, nhằm đƣa vào sử dụng trong những dây chuyền sản xuất. Mục tiêu cụ thể: - Khảo sát thông tin về vấn đề lỗi thiếu linh kiện trên board mạch điện tử đƣợc sản xuất trong nhà máy ở Việt Nam, trên cơ sở đó xây dựng bảng tiêu chí để đánh giá 1 board có bị lỗi hay không. Từ đó đề xuất và so sánh các phƣơng án có thể. Lựa chọn phƣơng án phù hợp để giải quyết bài toán phân loại board thiếu (hay đủ) linh kiện.
- Xây dựng giải thuật kiểm tra linh kiện thiếu trên một board mạch, gồm 2 bƣớc: Trang iv + Bƣớc 1: Training (Huấn luyện): Xây dựng cơ sở dữ liệu tham chiếu gồm 2 ảnh, 1 ảnh là board đạt yêu cầu (có đầy đủ linh kiện) và 1 ảnh là board không đạt (các linh kiện tại các vị trí kiểm tra đều bị thiếu). Các vị trí cần kiểm tra trên board đƣợc đánh dấu lại. Chƣơng trình sẽ phân tích các đặc trƣng khác nhau của 2 loại board, lƣu dữ liệu này vào máy tính dùng cho bƣớc kiểm tra. + Bƣớc 2: Testing (Kiểm tra): Board kiểm tra đƣợc chụp ảnh, đƣa vào máy tính phân tích.
Dựa trên cơ sở dữ liệu đã có, máy tính sẽ đƣa ra kết quả đánh giá là đạt (có đủ các linh kiện tại tất cả các vị trí) hay không đạt (thiếu 1 linh kiện bất kỳ). Nếu thiếu linh kiện tại vị trí nào thì sẽ thông báo vị trí đó và tên linh kiện thiếu tƣơng ứng. - Xây dựng phần mềm kiểm tra linh kiện thiếu trên một board mạch điện tử. Sản phẩm đƣợc đƣa vào ứng dụng thử để kiểm tra các board mạch ở công ty.
Nội dung thực hiện giai đoạn 1 (đối chiếu với hợp đồng đã ký): Bảng 1: Các công việc tiến hành trong giai đoạn 1 Công việc dự kiến Công việc đã thực hiện Khảo sát thông tin về các lỗi thiếu linh Bảng báo cáo về các dạng lỗi thiếu linh kiện trên board mạch điện tử ở nhà máy. kiện trên board, nguyên nhân và tần suất xuất hiện lỗi. Xây dựng tiêu chí đánh giá một board là Bảng tiêu chí đánh giá. bị lỗi thiếu hay không thiếu linh kiện.
Đề xuất các phƣơng án có thể và lựa Báo cáo đề xuất và lựa chọn phƣơng chọn phƣơng án kiểm tra lỗi phù hợp. Xây dựng giải thuật và phần mềm kiểm Giải thuật kiểm tra linh kiện thiếu trên tra linh kiện thiếu trên board mạch bằng board mạch điện tử. công nghệ xử lý ảnh. Nội dung còn lại: Trang v - Xây dựng chƣơng trình phần mềm dựa trên giải thuật đã có.
- Thực nghiệm chƣơng trình với các board mạch điện tử thực tế. Trang vi MỤC LỤC CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN .1 Tổng quan hệ thống sản xuất và kiểm tra bo mạch: .2 Giải pháp kiểm tra và phân loại bo mạch:. 5 CHƢƠNG 2 : KHẢO SÁT QUY TRÌNH SẢN XUẤT VÀ THÔNG TIN VỀ LỖI THIẾU LINH KIỆN TRÊN BO MẠCH ĐIỆN TỬ .1 Quy trình sản xuất bo mạch: .2 Kích thƣớc bo mạch và kích thƣớc linh kiện: .3 Các lỗi thƣờng xuất hiện trên bo mạch hoàn chỉnh: .4 Mức độ nghiêm trọng khi có một bo bị lỗi:. 15 CHƢƠNG 3 : THAM KHẢO VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CHO VIỆC PHÂN LOẠI BO MẠCH BỊ LỖI BẰNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH .1 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh:.1 Cấu trúc của một hệ thống kiểm tra bằng công nghệ xử lý ảnh: .2 Xử lý thông tin ảnh sau khi xây dựng hệ thống phù hợp:.2 Các bƣớc tiền xử lý: .1 Lọc nhiễu ảnh: .2 Lựa chọn không gian màu:.3 Tham khảo các giải pháp đã có cho việc phân loại bo mạch bị lỗi và không bị lỗi bằng công nghệ xử lý ảnh: .1 Tham khảo các giải pháp phần cứng: .2 Tham khảo các giải pháp phần mềm: .4 Ngôn ngữ lập trình, phần mềm và các thƣ viện mã nguồn mở:.1 Một số ngôn ngữ lập trình hiện nay: .2 Phần mềm Visual Studio:.3 Thƣ viện mã nguồn mở OpenCV:.5 Đề xuất giải pháp cho việc phân loại bo mạch bị lỗi và không bị lỗi bằng công nghệ xử lý ảnh:.
31 CHƢƠNG 4 : XÂY DỰNG GIẢI THUẬT HUẤN LUYỆN CHO MÁY TÍNH PHÂN BIỆT BO ĐẠT VÀ KHÔNG ĐẠT.1 Định nghĩa bo đạt và bo không đạt: .2 Xây dựng giải thuật huấn luyện cho máy tính phân biệt bo đạt và không đạt:.4 Các vấn đề khác trong khâu huấn luyện: .1 Tạo cơ sở dữ liệu cho mỗi loại bo: .2 Hiệu chỉnh Camera: .3 Tạo quyền quản lý chƣơng trình:. 41 CHƢƠNG 5 : XÂY DỰNG GIẢI THUẬT NHẬN DẠNG LINH KIỆN THIẾU TRÊN BOARD MẠCH ĐIỆN TỬ .1 Xây dựng giải thuật nhận dạng linh kiện thiếu trên board mạch điện tử: .2 Lƣu đồ giải thuật kiểm tra bo mạch:. 46 CHƢƠNG 6 : MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .1 Mô hình hệ thống thực nghiệm: .2 Kết quả thực nghiệm: .3 Phân tích kết quả nhận đƣợc:. 50 CHƢƠNG 7 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.
53 Trang 2 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hệ thống sản xuất và kiểm tra bo mạch: Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay, lĩnh vực sản xuất các mặt hàng điện tử là một lĩnh vực phát triển nhanh và mạnh, đƣợc các công ty trong nƣớc cũng nhƣ nƣớc ngoài tích cực đầu tƣ. Trong đó, việc chế tạo các bo mạch điện tử là một phần then chốt trong sản xuất hàng điện tử. Một dây chuyền sản xuất bo mạch điện tử có thể đƣợc khái quát gồm 10 bƣớc chính sau (hình 1.1) - Bƣớc 1: Đƣa bo (PCB) vào dây chuyền. - Bƣớc 3: Chuyển lên băng tải.
- Bƣớc 4: Gắp và gắn linh kiện lên mạch. - Bƣớc 5: Kiểm tra bo. - Bƣớc 6: Đƣa vào nồi hấp chì dành cho linh kiện dán (SMD). - Bƣớc 7: Đƣa vào nồi hấp chì dành cho linh kiện chân cắm xuyên lỗ (THD).
- Bƣớc 8: Đƣa lên băng tải. - Bƣớc 9: Kiểm tra lại bo. - Bƣớc 10: Đƣa ra khỏi dây chuyền và xuất xƣởng. Với công nghệ làm mạch trên các dây chuyền tự động ngày nay, thời gian làm một bo mạch trở nên rất ngắn so với việc sử dụng nhân công nhƣ ngày trƣớc.
Tuy nhiên, việc kiểm tra sau khi một bo mạch đƣợc chế tạo lại gặp nhiều khó khăn. Với các bo mới đƣợc in và khoan lỗ xong, những lỗi thƣờng gặp có thể là: - Đƣờng mạch sai. - Lỗ khoan bị thiếu hoặc sai vị trí. - Lỗ khoan không đúng kích thƣớc.
- Bo bị cong vênh, nứt, gãy. Trang 3 Trong khi đó, những lỗi xuất hiện trên bo mạch sau khi hàn linh kiện xong có thể là một trong các lỗi sau: - Thiếu linh kiện. - Linh kiện không đúng. - Không có chì hàn.
- Chì hàn bị lem. Để khắc phục các lỗi này, những hệ thống tự động kiểm tra linh kiện trên bo ra đời. Có thể chia các hệ thống kiểm tra bo mạch thành 2 loại là máy kiểm ICT (In Circuit Test, ―kiểm nóng‖) và AOI (Automated Optical Inspection, ―kiểm nguội‖). Kiểm ―nóng‖ là cung cấp điện áp định mức cho bo và kiểm tra điện áp ở các điểm trên mạch dựa trên bản thiết kế.
Phƣơng pháp này không những cho phép kiểm tra ngắn mạch, hở mạch, mà còn cho phép kiểm tra giá trị của linh kiện (nhƣ điện trở, tụ điện) hay thậm chí một số hoạt động của những IC trên đó. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của cách kiểm tra này là khi mật độ linh kiện dày đặc trên bo thì rất khó để kiểm tra, thêm vào đó là thời gian kiểm tra sẽ rất dài. Cũng cần lƣu ý rằng trên bo mạch có rất nhiều linh kiện đƣợc đƣa vào thiết kế không phải để thực hiện chức năng chính của mạch mà chỉ thực hiện chức năng bảo vệ. Lấy ví dụ, một bo mạch ti vi (truyền hình) có gần 50% linh kiện trên đó là để chống nhiễu điện hoặc chống hƣ hỏng khi thay đổi điện áp mạnh và đột ngột (chẳng hạn nhƣ khi bị sét đánh).
Viểm tra bằng phƣơng pháp ―kiểm nóng‖ trong các trƣờng hợp nhƣ vậy thƣờng khó khăn, chi phí cao, chƣa kể ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm về sau. Ngƣợc lại, phƣơng pháp kiểm ―nguội‖ không cung cấp điện cho bo mà chỉ quan sát từ khoảng cách nhất định (không chạm). Phƣơng pháp này có thể sử dụng camera hoặc máy scan, có thể kết hợp với cho phép quét toàn bộ hình ảnh của bo và kiểm tra mọi vị trí trên đó. Đây chính là một trong những ứng dụng của công nghệ xử lý ảnh.
Hiện nay, trên thế giới đã có những hệ thống kiểm tra nhƣ vậy, nhƣng giá thành thƣờng khá đắt, từ vài nghìn đến vài chục nghìn USD. Thêm vào đó, việc bảo trì hay sửa chữa những thiết bị trên sẽ gặp nhiều khó khăn và tốn kém.1 Minh họa hệ thống kiểm tra bo mạch 1.2 Giải pháp kiểm tra và phân loại bo mạch: Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, tác giả tập trung vào việc kiểm ―nguội‖. Trong việc kiểm tra này, nhiều nhà máy sản xuất ở Việt Nam vẫn thƣờng chọn phƣơng án thuê nhân công kiểm tra. Tuy nhiên, khó khăn vẫn thƣờng xuất hiện khi giá thuê nhân công tăng, chi phí đào tạo cao, có tính không ổn định.
Ngoài ra, thời gian kiểm tra bằng nhân công cũng khá dài. Trung bình, một bo mạch có kích thƣớc 15 cm x 15 cm, với khoảng 50 linh kiện điện tử, nếu sử dụng nhân công kiểm tra (bằng mắt) thì sẽ mất khoảng 20 giây. Trƣớc tình hình đó, tác giả đề xuất dùng công nghệ xử lý ảnh để giúp kiểm tra những linh kiện thiếu trên bo mạch điện tử. Nhƣ đã đề cập ở trên, công nghệ xử lý ảnh không phải là một công nghệ mới xuất hiện trên thế giới.
Ở thập niên 80, công nghệ này đã đƣợc ứng dụng để kiểm tra các mạch in điện tử, kiểm tra chip, chất lƣợng bề mặt vật liệu, thức ăn [2]. Tuy còn một số hạn chế [3], nhƣng công nghệ này vẫn đƣợc cải tiến không ngừng và sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp [4].